進入21世紀以來，油氣資源日益短缺，特別是近年來石油價格的飛漲，必將促使各大石油公司加強技術(shù)研發(fā)的投入，以期通過實施一系列提升產(chǎn)能及管理品質(zhì)。多相流量計可以滿足現(xiàn)有油氣田的增產(chǎn)增效和海上油田、陸上邊際油田生產(chǎn)管理的潛在需求。在一些新油田的開發(fā)中，多相流量計被作為的油井計量技術(shù)來考慮，因為傳統(tǒng)的計量手段已不再適用油田開發(fā)新形勢的要求。

      1 多相流量計的發(fā)展與現(xiàn)狀

      石油工業(yè)中多相流量計的發(fā)展可追溯到20世紀70～80年代，當時的能源危機推動石油公司開發(fā)海洋石油，常規(guī)計量分離器不適合在海洋平臺以及海底使用，促使人們開發(fā)研制結(jié)構(gòu)緊湊的多相流量計。美國的TULSA大學、BP和TEXACO石油公司等進行了多相流測量技術(shù)的研究。20世紀90年代，在各大石油公司的支持下，多相流量計的研究、開發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用得到迅速發(fā)展。尤其是20世紀末的幾年里，是多相流量計使用的快速增長期。進人21世紀以來，多相流量計在國內(nèi)各油田得到了廣泛的應(yīng)用。例如：Framo多相流量計在歐洲北海石油平臺（North Sea）與愛爾蘭海石油平臺（Irish Sea）上的批量應(yīng)用，GLCC 多相流量計在加州Bakersfield以西油田的批量應(yīng)用，TFM-500型多相流量計在我國勝利油田、冀東油田的批量應(yīng)用等。特別是在深海油田應(yīng)用高性能的多相流量計，可以對復(fù)雜的海底石油管道流程進行控制與管理。

      2 多相流量計的特性

      多相流量計是由幾種測量手段及數(shù)據(jù)采集處理裝置聯(lián)合組成的緊湊型測量系統(tǒng)，是石油工業(yè)多相計量的關(guān)鍵技術(shù)，用于油、氣、水各相流量的在線實時測量。

      兩個重要因素推動了石油工業(yè)多相流量計的發(fā)展，一是多相流量計的使用可節(jié)約油田生產(chǎn)開發(fā)的成本；二是更有利于油氣田管理決策、流程控制。多相流量計與計量分離器相比具有的優(yōu)點：可連續(xù)、在線、自動測量；結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小；維護工作量少。對于淺海和深海油田，海上鋪設(shè)油氣管道異常昂貴，應(yīng)用多相流量計安裝于井口，可以使生產(chǎn)流程中省卻測試管線。陸上許多新開發(fā)的油田屬于經(jīng)濟型邊際油田，這類油田不能承擔傳統(tǒng)分離技術(shù)所帶來的高昂費用。多相流量計可以節(jié)省相關(guān)費用，因為使用它就不需要安裝計量分離器。在井口可方便地安裝多相流量計，或者使用一臺移動式車載多相流量計監(jiān)測多口油井，或者在中轉(zhuǎn)站監(jiān)測油田特定區(qū)域的生產(chǎn)特性或原油產(chǎn)量。

      從管理的角度來看，油氣藏工程師及相關(guān)管理部門需要隨時監(jiān)測每口油井的特性，以便優(yōu)化油田的生產(chǎn)與開采壽命。安裝于井口或管道上的多相流量計可以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出，給出油井的動態(tài)信息。通過對油氣水產(chǎn)出流量的實時測量與數(shù)據(jù)傳輸，快速調(diào)整油氣藏的管理和產(chǎn)能配置，診斷病態(tài)生產(chǎn)工況，實施油氣井的維護和流程控制，優(yōu)化生產(chǎn)過程，這些是傳統(tǒng)的分離計量技術(shù)無法相比的。

      無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展推動油氣資源管理的資訊化。新的油井優(yōu)化系統(tǒng)、智能井系統(tǒng)與網(wǎng)連接，是油氣田生產(chǎn)管理資訊化的發(fā)展趨勢。每口油井都使用一臺多相流量計，獲得準確的油、氣產(chǎn)量，可使高層管理人員能實時依據(jù)國際石油行情的變化及時調(diào)整單井和油田區(qū)塊的量化配產(chǎn)，以實現(xiàn)油氣勘探和生產(chǎn)效益。

      3 多相流量計測量原理

      多相流量計按基本功能與測量原理大體上可分為3類：

      （1）分離式多相流量計  對多相流進行全部或部分分離，對分離后的不同流束進行在線式狽量，例如：Agar-300、Texeco SMS、Chervron GLCC多相流量計。

      （2）在線式多相流量計  不需要分離即可對管道中的多相流量與相比率進行測量，例如：Fluenta MPFM1900、Framo流量計、Kongsherg MCF-351、西安開爾TFM-500等。

      （3）特殊類型的多相流量計  利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、流型識別或統(tǒng)計分析技術(shù)對依據(jù)時間而變的傳感器信號進行處理，得到多相流體的流量，例如：挪威科技大學的PPT多相流量計，英國石油軟件公司開發(fā)的ESMER-T3A多相流量計。

      多相流量計與單相流量計的重要區(qū)別在于：單相流量計是通過測量壓力、黏度、壓縮性和裝置的幾何尺寸來測量流量，其不確定度的主要影響因素是測量元件；多相流量計不確定度的主要影響因素則是流體物性（黏度，密度）和測量條件（流型，密度波動，壓力波動）。多相流存在不同的流型或流態(tài)，流態(tài)的非均質(zhì)性是引起多相流隨機不確定度的基本原因之一。不同流型間的相態(tài)分布特征和流體動力學特性有很大差別，即使對應(yīng)于相同的流型，其水動力學特性也不相同，難以象單相流體那樣，以無量綱準則數(shù)準確刻畫其流動規(guī)律性。鑒于多相流體動力學特性的復(fù)雜性，準確計量多相流要比單相流的計量難度大。

      對于多相流量計的測量準確度，從現(xiàn)有的資料看，國際上基本認為，油相、水相和氣相的測量不確定度小于10%，即可為油井測試。故障診斷和油氣田的管理監(jiān)測等提供有用的在線測量數(shù)據(jù)。

      4 多相流量計的應(yīng)用

      石油工業(yè)中應(yīng)用多相流量計從理論提出到實際運用經(jīng)歷了約20年。目前，盡管其產(chǎn)品的商業(yè)化程度越來越高、潛在的市場需求越來越大，但作為一項替代傳統(tǒng)分離計量的新技術(shù)，仍需要不斷完善和發(fā)展。

      多相流量計面臨的挑戰(zhàn)是多方面的。市場上一些流量計還很昂貴，國外的多相流量計一般單臺價格為幾十萬美元，而國內(nèi)開發(fā)的多相流量計單臺通常也需要幾十萬元人民幣，降低價格是改進多相流量計的一個主要目標。

      各種多相流量計實際能達到的準確度和適用性都有一定限度，例如：TEA多相流量計可測含氣率為15%；如果應(yīng)用靜態(tài)混合器，可測含氣率為30%。有些流量計對油水比的范圍有一定要求，例如：MFI-LP型流量計僅能在含水率為40%～60%的條件下使用，F(xiàn)R型流量計由于應(yīng)用微波測量技術(shù)，在含水率為0%～99%的范圍內(nèi)都可以使用。提高測量準確度是多相流量計要實現(xiàn)的另外一個主要目標。目前，多相流量計在測井或油氣田管理上有了相當多的應(yīng)用，但是還不足以用于原油和天然氣的貿(mào)易計量或配產(chǎn)計量。隨著應(yīng)用的不斷增長，要求多相流量計能夠用于不同石油公司間的配產(chǎn)計量，在這種情況下，油相、水相和氣相的測量不確定度在10%以內(nèi)是不夠的，測量的不確定度必須更小才能實現(xiàn)這一目標。

      由于多相流動條件的復(fù)雜性和流型的多樣性，同時，基于力學原理與傳熱學原理的測量方法易受物性影響，電容、阻抗等電學原理的測量方法易受流體礦化度的影響，在某些條件下測量準確度較高并不能表明其通用性。就國內(nèi)外而言，所有的多相流量計都有特定的流量范圍或者流型的限制。多相流量計的選型應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟性、準確度、穩(wěn)定性、適用性、免維護以及環(huán)保要求等因素。進一步提高多相流量計的測量準確度并拓寬多相流量計的工作范圍，是目前多相流量計開發(fā)和制造商所面臨的重要挑戰(zhàn)。

      井下多相計量技術(shù)是多相流量計的另一個挑戰(zhàn)。井下多相流量計可提供油氣藏各層段油氣水產(chǎn)出量的詳細資料，以便監(jiān)測油氣藏各層段的生產(chǎn)開發(fā)狀況，診斷油氣井的動態(tài)異常，采取相應(yīng)的調(diào)整措施，實現(xiàn)增加油氣產(chǎn)量、提高采收率的目標。因此，井下多相流的實時測量數(shù)據(jù)對于生產(chǎn)優(yōu)化同樣具有重要意義，特別是對于成本高、油藏深以及有多個橫向井的情況更是如此。目前，井下多相計量技術(shù)的進展是井下光纖流量計。

      多相流量計以多相流體計量測試技術(shù)為基礎(chǔ)，常用的測試技術(shù)：以γ射線能量衰減法、電容技術(shù)、電導(dǎo)技術(shù)或微波衰減法等測量密度、含氣率、液相中的含水率等；以節(jié)流法、相關(guān)法、正排量流量計等測量流速。近年來層析技術(shù)在多相流測量中的應(yīng)用得到了廣泛的研究^[21]  ，包括超聲波層析、光纖層析、X射線層析、γ射線層析以及紅外層析等。另外，核磁共振法也已應(yīng)用于多相流的測量^[22]。這些方法應(yīng)用于商用多相流量計可以提高其測量準確度。從測量途徑上，多相流計量測試技術(shù)可分為兩類：一是相速度與相比率等參數(shù)的測量各自獨立；二是所測參數(shù)是多相流各相流量的函數(shù)。目前，多相流量計以各參數(shù)獨立測量為主，隨著多相流研究的不斷深入，采用測量多相流各相流量參數(shù)可能更有助于提高在線式多相流量計的準確度。

      5 評估與認證

      多相流量計的評估是一項復(fù)雜的工程，包括在實際工作條件下氣相流量、液相流量、含水率、含氣率等參數(shù)的測量準確度和測量范圍等多項指標。實現(xiàn)多相計量技術(shù)評估方法的標準化與規(guī)范化是計量學需要解決的問題。

      目前多相流量計正處于發(fā)展階段，國內(nèi)外都沒有相應(yīng)的標準和規(guī)范。實驗室測試的可實現(xiàn)性與現(xiàn)場測試的準確度等問題，促使人們思考現(xiàn)階段如何評估多相流量計。挪威石油與天然氣計量測試學會組織相關(guān)單位共同編寫了一套多相流計量手冊（Handbook of Multiphase Metering），對多相流量計的安裝標定等有關(guān)問題進行了一些定義和說明，推進了多相流量計測試標定的規(guī)范化進程。API（美國石油學會）成立了多相流計量測試委員會，正在制定相關(guān)規(guī)范。美國MMS（Minerals Management Service）是認證多相流量計的機構(gòu)，他們認為，如果相關(guān)部門達成一致的意見，則MMS可認證多相流量計作為測井使用。多相流量計的研究與使用者就多相流量計的檢定與應(yīng)用場合等問題達成共識：檢定多相流量計的目的是通過實驗室或油田現(xiàn)場的對比測試，使多相流量計有資格應(yīng)用于油氣井生產(chǎn)和流體輸送。這一共識構(gòu)成了在線多相計量技術(shù)合作協(xié)議的基本內(nèi)容。

      我國油井的原油計量，大部分還是采用分離器對兩相或三相進行分離計量。無論是兩相計量還是三相計量所達到的計量不確定度，能夠滿足我國SYJ4-83《 油田油氣集輸設(shè)計規(guī)范》中所提出的目標不確定度，即計量綜合誤差應(yīng)小于±10%。英國貿(mào)易工業(yè)部石油天然氣局《石油計量指南》（1997年版）提出，油井原油計量的目標不確定度為5%～10%。可見目前的多相流量計已基本滿足國內(nèi)外油井原油計量的目標不確定度水平。

      鑒于現(xiàn)階段多相流量計還沒有法定的標準規(guī)范，對多相流量計只能進行性能評估或?qū)Ρ葴y試。國內(nèi)外大部分多相流量計是通過與在現(xiàn)場分離計量進行對比以評估其性能，或者委托機構(gòu)對廠家生產(chǎn)的多相流量計準確度、穩(wěn)定性、重復(fù)性及超差比等進行測試，然后應(yīng)用于井口或管道測量。國內(nèi)的實驗室評估測試系統(tǒng)是建在大慶油田第二采油廠的油氣水多相流量計現(xiàn)場測試校驗裝置，直接用原油、天然氣和產(chǎn)出水作為介質(zhì)進行測試對比。國外的實驗室評估測試系統(tǒng)是Texaco、NEL、Conoco及Porsgrunn的多相流測試裝置。多相流量計的檢定是使用移動式分離計量裝置作為二級標準裝置，在現(xiàn)場與多相流量計進行對比測試，定期檢定多相流量計的性能。

      6 結(jié)論

      （1）多相流量計可以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出和油井的動態(tài)信息，對于油氣藏的管理和產(chǎn)能配置、病態(tài)生產(chǎn)工況的診斷、油氣井的維護和流程控制等有重要意義，相對于計量分離器有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，多相流量計的出現(xiàn)已引起世界石油工業(yè)界的高度重視。
      （2）多相流量計的目標不確定度可達到10%，已用于測井、生產(chǎn)過程監(jiān)測或油井原油計量，在海上和陸上油田開發(fā)中的應(yīng)用數(shù)量逐年增多。
      （3）作為一項新技術(shù)，多相流量計面臨價格、準確度、穩(wěn)定性、適用范圍等多方面的挑戰(zhàn)。
      （4）各種多相流量計實際能達到的準確度和適用性都有一定限度，還難以達到法定計量裝置的要求。
      （5）沒有哪一種單一類型的多相流量計能適應(yīng)所有的應(yīng)用范圍。
      （6）標定、認證多相流量計，國內(nèi)外也都沒有相應(yīng)的標準與規(guī)范。
      （7）多相流量計的研究與使用者通過邊研究、邊驗證、邊推廣的辦法，推動著這一技術(shù)的發(fā)展。

      參考文獻

      [1] ANON.multiphase meter to undergo north sea test s[J].Oil＆Gas J，1995（93）：69～71
      [2] Terde N．norwegian oil trio put s multlphase meterst hrough simultaneous tests.Offshore Engineer，1995（55）；78～80
      [3] 潘兆柏等.油田礦場計量技術(shù)綜述（續(xù)）.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2001，17，7
      [4] Mehdizadeh P．wet-gas.multiphase metering applications expand.Oil and Gas Journal，2003，101（37）：72～75
      [5] Mehdizadeh P.multlphase measuring advances continue.Oil and Gas Journal，2001，99（28）：45～47
      [6] Falcone，G..et al.multlphase flow metering：current trends and future developments，Journal of Petroleum Technology，2002，54（4）：77～84
      [7] Murugesan K.multlphase flow meter：trends in well Performance testing.Chemical Engineering Woold，2002，37（12）：151～153
      [8] Nyfors，Ebbe（Roxar ASA）；Wee，Arnstein.measurement of mixtures of oil，water，ａnd gas with microwave sensors．new developments and field experience of the  MFI multiPhase，ａnd watercut meters of roxar．Proceedings of SPIE-The International Soclely for Optical Enggineering，2000，41（29）：12～21

      [9] Mus，E.A.；et al.development well testing enhancement using a multiphase flowmeter.Proceedings-SPE Annual Technical Conference and Exhibition，2002，3737～3748
      [10] Vilagines，R.Hall，A.R.w.comparative behaviour of multiphase flowmeter test facilities.Oil and Gas Science and Technology，2003，58（6）：647～657
      [11] Kragas,Tor K.et al.downhole fiber-optic multiphase flowmeter：design，operating principle，ａnd testing．Proceedings-SPE Annual Technical Conference and Exhibition，2002，2719～272
      [12] Toskey，Eric D.et al.added value of a multiphase flowmeter in exploration well testing.SPE Production and Facilities，2002，17（4）：197～203
      [13] Khoori，A.et al.multlphase flowmeter and production logs diagnose well response in an onshore field，abu dhabi.Proceedings of the Middle East Oil Show，2003（13）：855～865
      [14] Busaidi，Khamls；Bhaskaran，Harldas.multlphase flow meters：exPerience and assessment in PDO.Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition，2003，4013～4019
      [15] Ronalds，Beverley F.Heng，Elvln I.H.subsea and platorm options for satellite field developments.Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2003（l）：63～70
      [16] Alimonti，C.Falcone，G.knowledge discovery In databases and multlphase flow metering：the integration of statistics，data mining，neural networks，fuzzy logic，ａnd ad hoc flow measurements towards well monitoring and diagnosis.Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition，2002，681～691
      [17] 喻西崇等.國內(nèi)外油氣水多相管流技術(shù)的研究.中國海上油氣（工程），14（5）：31～37
      [18] 王勇.國外新型多相流計量技術(shù)綜述.油氣田地面工程，1996，15（2）：6～11
      [19] 楊恩明.多相流量計的應(yīng)用與未來發(fā)展.國外油田工程，1999（9）：37～39
      [20] Moharned P G.AI-Saif K H.field evaluation of multiphase measurement systems.SPE 56585，1999：553～561
      [21] Dyakowski T.et al.applications of electrical tomography for gas-solids and liquid-solids flows-a review.Powder Technology，2000（112）：174～192
      [22] Gotz，Joachim Zick，Klaus.local velocity and concentration of the single components In water/oil mixtures monitored by means of MRI flow experiments in steady tube flow．Chemical Engineering and Technology，2003，26（1）：59～68
      [23] 郭建勇等.TFM-500三相流量儀在油田的應(yīng)用.石油機械，2002，30（5）：45