吴佳欢 潘 峰 吴 刚

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

油田工业多相流量计技术适用性分析

吴佳欢 潘 峰 吴 刚

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

以油田工业为背景，讨论多相流量计常用的流量、组分测量技术、互相关技术和部分分离技术在油田工业中的适用性和应用中所涉及的关键问题，指出了多相流量计技术适用性评估的6个方面(测量不确定度、两相图分析、流体工况适用性、安全和环保、油藏管理效果和现场安装条件)。

多相流量计 油田工业 适用性分析

多相流(通常为油、气、水三相)现象普遍存在于油田工业领域。多相流体中油、气、水三相流体的流量值能够反映油田各井口的性能动态变化，为油藏管理、分配计量和生产决策提供数据支持[1]。洪文鹏等对管束间气液两相流动特性的研究进展进行了详述[2]，而王尊策等则对不同操作参数下动态水力旋流器内部油水两相流动的数值模拟进行了详细说明[3]。

传统方法通常用测试分离器将井口流体分离，然后由单相流量计实现油、气、水三相流体的流量测量。这种方法存在容器尺寸较大，安装、运输及维护成本较高等问题，同时所测井口流体需经多级工艺处理，通常只能给出流体各相流量在某段时间间隔内的平均值，无法反映井口的真实瞬态性能[4～7]。

多相流量计完全能够替代传统测试分离器，在井口流体未经稳定、分离及全工艺处理等过程前，对它进行独立测量，最小化人为影响因素，以真实反映井口的瞬态性能，对于油藏管理、生产分配优化及井口测试等有重要意义，已逐渐发展成一种可行的多相流测量方案，在油田工业领域获得了广泛应用[8]。多相流量计结合了多种不同的测量技术，已有的多相流量计相关技术包括流量测量技术和组分测量技术，以及针对特定工况引入的互相关技术及部分分离技术等，来获得流体的总流量和各相流体的组分，进而通过特定的多相流体数学模型计算出各相流体的流量[9]。

为了适应实际工业生产需求，多相流量计的多种相关技术，如文丘里流量计、伽马射线技术、电容电导技术、层析成像技术及部分分离技术等相继出现[10～12]。然而，对于不同工况(流体形态、各相组分含量及杂质含量等)的多相流体，各种测量技术都有一定的优势和应用局限，因而基于不同测量技术的多相流量计的适用性和测量效果也相差较大[13]。为此，基于油田工业背景，探讨多相流量计相关技术的适用性以及在应用中所涉及的关键问题。

1 多相流流量测量技术①

1.1 文丘里流量计

文丘里流量计以流动连续方程和伯努利方程为基础，基于文丘里管中节流元件前后所产生的压差与流速的相互关系，获得所测流体的流量[14]。用于单相流体流量测量的文丘里流量测量公式如下：

(1)

式中C——流出系数，由试验确定；

d——喉部直径，m；

Q——体积流量，m3/s；

β——喉部直径d与管道内径d1之比；

Δp——文丘里管入口圆筒段和喉部两个测压处的压差；

ρ——流体密度，kg/m3。

由于此处的密度ρ为单相流体密度，因此式(1)不能直接用于多相流体的流量测量，需要将单相流体密度ρ换算成多相流体各相组分的混相密度ρmix：

ρmix=∑αi·ρi

(2)

其中，各单相流体密度ρi在标况下某时间间隔内通常视为稳态值，并可通过取样或其他方法获得。因而，在获得多相流流体中的各相组分后，即可由式(2)给出的多相流体的混相密度，通过下式获得多相流体的总流量：

(3)

文丘里流量计结构简单、牢固，具有较高的可靠性和鲁棒性，并且无转动部件，因而不易被脏污流体损坏，耐磨性好、不易结垢，是最常用的多相流体总流量测量仪表，广泛应用于各类多相流量计量中。在安装文丘里流量计时，对它的前后直管段的要求较高，测量精度和重复性在流量计中属中等水平，测量范围较窄(量程比通常为3∶1～4∶1)，且用于压力较低的工况时，需考虑文丘里流量计的压力损失对后续工艺的影响。此外，混相密度的计算也会影响文丘里流量计对多相流体总流量的测量精度。

1.2容积式流量计

容积式流量计又称定排量流量计(Positive Displacement Meter，PDM)[15]。将流量计内的活动体和壳体所构成固定尺寸的测量腔称为标准容积单元，腔内转子每转一周就排出一个标准容积单元的流体，即单位时间内排出流体的体积与转子旋转次数成正比。因此，可以通过转子的旋转次数获得被测流体的体积流量。容积式流量计被认为是测量精度最高的一类流量测量仪表。它的安装要求较低(直管段长度对测量精度无影响)、量程范围较广(量程比5∶1～10∶1)，也可用于多相流体总流量的测量。

由于容积式流量计有与流体直接接触的移动部件，当流体中含有沙粒等杂质时，易造成移动部件的磨损或故障，严重时可能造成管道堵塞甚至断流。因此，容积式流量计通常只适用于洁净流体，很难应用于原油介质的多相流测量。

1.3质量流量计

科里奥利质量流量计(简称科氏力流量计)是利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理，直接测量质量流量的仪表，具有良好的精确性、重复性和稳定性，不受流体物性(密度、粘度等)的影响，适用量程比较高，无直管段安装要求。流体通道内不含节流元件和移动部件，可靠性高、寿命长，可用于高粘度流体(泥浆)和高压气体的流量测量。科氏力流量计常用于多相流体经部分分离后油、水两相液体总流量的测量。

但是质量流量计通常不适用于低密度气体或高含气量液体，且对外界振动干扰较为敏感，易因背压偏低而影响测量精确性和稳定性[16]，对固定安装有较高要求[17]。

2 多相流组分测量技术

2.1伽马射线技术

伽马射线技术是多相流量计最常用的组分测量技术。当伽马射线穿过多相流体时，与介质光子相互反应能量衰减，所穿过多相流体介质的相分率不同，伽马射线的衰减程度也不相同，且不同能级的伽马射线通过相同相分率的多相流体时的衰减程度也不相同。因此，可以通过探测伽马射线经过多相流体的衰减程度变化实现多相流体的混相密度和各组分相分率的测量[18]。伽马射线衰减能计算式如下：

(4)

式中e——伽马射线的能级；

d——流体所在管道直径；

Im——经过流体介质后的伽马射线强度；

Iv——伽马射线的发射初始强度；

αi——组分i的相分率；

μi——组分i的伽马射线衰减系数。

式(4)中仅αi为未知量，可将式(4)与各组分相分率合为一相结合组成方程组，获得各相相分率。由式(4)可知，采用单能级伽马射线公式可求解两个未知数，适用于两相流体。

针对油、气、水三相流体的相分率计算，可引入双能级(e1、e2)伽马射线，具体计算公式为：

(5)

其中，Ro、Rw、Rg和Rm表示管线中充满油、水、气三相以及混相流体的伽马射线在能级e1和e2的计数值。若要测量多相流体中更多组分的相分率也可引入多能级伽马射线。

伽马射线技术适用的组分测量范围较广，理论上能够应用于全量程含气率、含水率的多相流体组分测量，受流体流态、粘度等影响较小，且属于非介入式测量，几乎无压力损失，是各类多相流量计应用最广泛的组分测量仪表。由于仪表采用了放射源，其安全和环保问题需着重关注。此外，根据工程实际应用经验，对于极高含气率(95%～100%)或湿气工况，伽马射线技术存在含水率测量不确定性较大的问题。

2.2电容/电导分析技术

电容/电导分析技术基于各相流体不同的导电特性和电介质特性测出多相流体中各相组分的相分率。电容分析技术通过测量多相流体的电容量，进而基于各相流体的介电常数差异获得各相组分的相分率[19]。电导分析技术通过测量多相流体的电阻抗获得多相流体的电导量，进而基于各相组分的导电性差异获得各相组分的相分率[20]。电容分析技术与电导分析技术具有一定的互补性。

考虑气相、油相的电导率近似为零，而水相含盐因而具有一定的导电性，即多相流体的电导率主要取决于水的体积含量和相分布状态。因此，电容测量技术通常适用于多相流体为油连续相工况(原油工况含水率低于60%～70%)。电导测量技术通常适用于多相流体为水连续相工况(原油工况含水率高于70%)。通常，电容/电导技术可以直接测量含水率，但需要与互相关技术相结合以实现含气率的测量。

电容/电导技术由于不含危险放射源，具有较好的安全性和环保优势。但由于电容技术与电导技术的选用与油连续相和水连续相的流态变化有关，因此，电容/电导技术受流体流态的影响较大。此外，温度、含盐率及pH值等流体导电性的影响参数也将对电容/电导技术的测量结果产生影响。同样，实际应用中，针对极高含气率工况，电容/电导技术的含水率测量不确定度较大。

2.3微波含水分析技术

微波穿过流体介质后会由于介质的吸收而发生衰减。介质对微波的吸收能力主要取决于其介电常数，介质介电常数越大吸收微波的能力越强。由于油、水的介电常数差别较大(相同工况下，水的介电常数远大于原油的介电常数)，含水率不同，油、水两相混合液体的介电常数不同，进而造成混相液体对微波的吸收程度差异。因此，微波含水分析技术通过测量微波信号穿过流体介质的衰减程度(功率衰减、相位变化及谐振频率等与介电常数相关的物理量)测得油、水两相液体的含水率[21]。

微波含水分析技术适用的含水率范围较广，测量精度较高，属于非接入式测量方式，受流体流态、温度、含盐量、pH值及杂质等的影响较小，且微波的安全性和环保性相对较好，常用于部分分离式多相流量液相流体的含水率测量，在低含水(小于25%)或高含水(大于75%)的工况下测量精度更高。

2.4互相关技术

多相流体在管道中流动时会产生许多与流动有关的随机流动特征信号，如压力、温度、电导及电容等。互相关技术采用位于某断流体上下游的特定传感器获得上下游流体的上述特征信号，并通过互相关分析技术获得流体特征信号通过一段已知距离管段所用的时间，即获得流体特征信号的移动速度，进而基于流体特征信号的速度变化获得流体流量[22]。

互相关技术通常用于多相流量计中流体总流量或气相流量的测量。此外，互相关技术也可以与电容、电导等技术结合使用，如获得多相流体中非导电相流体(如油、气相)对于上下游电导传感器测量信号的扰动，并通过互相关技术实现多相流体的含气率等组分测量。不含放射源的多相流量计组分测量技术通常都结合互相关技术应用。

互相关技术可根据被测流体的物理、化学特性选择合适的传感器检测不同的特征信号，而相关测量系统的主体保持不变，因此对于不同属性的多相流体具有很强的适用性。而且计算过程的关键参量是时间间隔，并非传感器的绝对测量值，因此对于传感器的精密性要求不高，具有较好的可靠性和稳定性。

然而，互相关技术可能会由于流体流态变化(产生气泡等)导致上下游传感器检测特征信号波动大或检测信号不一致。因此在实际应用中，根据多相流体的流动特征选择合理的被测参量、传感器类型和上下游传感器的合理布置，对于测量结果有重要影响。此外，采用一定的污染噪声消除方法可以提高互相关分析的准确性[23]。

2.5部分分离技术

如前所述，针对多相流体极高含气率工况，多数多相流量计组分测量技术都难以实现含水率的准确测量。因此，一些多相流量计通过引入部分分离技术(在线取样技术、柱状旋流式气-液分离技术[24]等)将多相流体中的气相组分分离(图1)。分离后，采用单相流量计分别测量分离出的气相组分流量和液相组分流量，并通过含水分析技术(如微波含水分析仪等)获得液相组分中的含水率，进而获得油、水两相组分的流量。

图1 部分分离装置示意图

引入部分分离技术的最大优势在于可以有效解决组分测量技术无法适用于极高含气率工况的问题。然而，当流体中含有泡沫等特殊流态时，部分分离技术就无法实现气液的完全分离。因此，可引入消泡器或其他工艺流程解决该问题。

此外，相对于无需分离多相流体的多相流量计，引入部分分离技术的多相流量计相对尺寸较大，安装、运输、维护成本也较高。

3 多相流量计相关技术的适用性分析

针对油田工业，多相流量计相关技术的适用性主要从6个方面进行评估。

3.1测量不确定度

测量不确定度表明了对测量结果的不可信程度或对测量结果有效性的怀疑程度。由于测量条件的不完善和认知的不足，被测值不能确切获得，而是以一定的概率分布在某个区域，表征被测量值分散性的参数就是测量不确定度。

与测量误差为某一数值不同，不确定度表示的是某一分布区间。通常，当受到客观因素限制而无法确切给出被测量的真值时，就需要采用不确定度对测量效果进行定量评定。在工程实际应用中，通常无法获得确切的多相流体中各相流量的真实值，因此常采用不确定度衡量多相流量计的测量结果。在特定工况下测量结果的不确定度也是评估多相流量计适用性的重要指标。同时，多相流量计的不确定度通常应与置信区间和可重复性结合给出。表1给出了常用油田工业领域的油井测试多相流测量指标。

表1 油井测试多相流测量指标

3.2两相图分析

多相流量计要实现多相流体中各相组分的流量测量，很难用一维流量范围评估多相流量计流量范围的适用性。因而常采用两相图法评估多相流量计的流量范围是否满足工况要求[25]。

针对油田工况，通常采用气液两相图分析多相流量计多相流测量范围的适用性，如图2所示，各点根据油田各井口气液相流量极限值给出，即点的分布表示油田全部井口多相流体的气液相流量范围。

图2 多相流量计气液两相测量适用性分析结果

图2中曲线所覆盖的区域表示某多相流量计适用的气液相流量测量范围，即仪表本身的固有属性。可以看出，若多相流量计的固有多相流测量范围可以覆盖两相图中的全部井口点，说明该多相流量计的测量范围适用于该工况。

3.3流体工况适用性

多相流体的含气率和含水率对多相流量计的测量效果有较大的影响，特别是在极高含气率的工况，一直以来是多相流量计测量的挑战。但是，油田工业领域极少出现极高含气率的流体工况，因而对于大多多相流量计组分测量技术，在非极高含气率工况下，理论上都可以获得较高的测量效果。

油田工业通常会由于注水等工艺处理流程使得多相流体的含水率发生变化，这种变化可能对电容、电导等技术的测量效果产生影响。此外，油井原油通常为高粘度流体，且带有泡沫、乳化液及沙粒等杂质，这会直接影响上述多相流量计相关技术的应用效果。

3.4安全与环保

由于有大量多相流量计采用了伽马射线技术，因此，安全和环保是这类多相流量计应用时所需考虑的主要问题。

与之相比，电容/电导技术、微波技术等在安全、环保方面具有明显优势。

3.5油藏管理效果

能够真实地反映井口瞬态性能，优化并改良油藏管理是多相流量计在油田工业领域广泛应用的主要原因之一。除部分分离技术外，前文所述多相流量计相关技术均无需对流体进行预处理，能在线给出被测参数的瞬态值，有助于获得更好的油藏管理效果。部分分离技术由于需要对多相流体进行预分离处理，虽然相对于传统测试分离器仍具有更好的实时监测效果，但无法完全反映井口流体的真实瞬态性能。

3.6现场安装条件

多数无分离的在线多相流量计的安装尺寸较小；而采用部分分离技术的多相流量计通常尺寸较大，现场安装、运输成本较高。此外，一些多相流量计相关的流量测量技术对于现场安装还有特定要求，如上游直管段、管线弯头及固定等。

表2给出了多相流量计相关技术的适用性比较。综上所述，对于放射源无强制禁用要求，针对油田工业常见的较低含气率工况，文丘里流量计和伽马射线技术是应用最为广泛的多相流量计流量测量和组分测量技术，具有较好的测量效果，相应产品的市场占有率也相对较高。

表2 多相流量测量技术适用性比较

若考虑极高含气率工况，需引入部分分离技术，且要注意流体中泡沫等对于分离效果的影响。若考虑安全环保问题，避免使用带放射源仪表，电容/电导技术结合互相关技术是实现多相流组分测量的有效途径。但该方案同样存在无法适用于极高含气率工况的问题。同时，还需考虑多相流体流态变化对其测量效果的影响。

4 结束语

笔者讨论了多相流量计常用的流量测量技术、组分测量技术、互相关技术和部分分离技术，给出了多相流量计技术适用性分析的6个主要方面。结合油田工业工况，分析了各类技术的适用性和应用中的关键问题。指出当多相流体的含气率在95%以下时，文丘里流量计和伽马射线技术是应用最为广泛的流量测量和组分测量技术，具有良好的适用性和测量效果。针对含气率高于95%的极端工况，需采用部分分离技术加以解决。

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StudyonApplicabilityofTechnologiesforMulti-phaseFlowmetersinOilFieldIndustry

WU Jia-huan, PAN Feng, WU Gang

(BeijingBranchCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100085,China)

The technologies adopted for flow measurement, phase fraction measurement, cross correlation and partial separation were discussed, including key issues related and their applicability in the oil field industry; and their measurement uncertainty for applicability assessment, two-phase diagram analysis and fluid conditions, safety and environment protection, reservoir management as well as installation in-situ were presented.

multi-phase flowmeter, oil field industry, applicability analysis

2015-08-20(修改稿)

TH814

A

1000-3932(2016)04-0341-07