國內(nèi)外多相流量計早在20世紀(jì)60年代就曾進(jìn)行過研究，但由于當(dāng)時的技術(shù)條件限制，未獲得可供應(yīng)用的成果。近年來，相關(guān)流量測量技術(shù)、計算機(jī)自動控制和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，刺激了多相流測量技術(shù)的開發(fā)與研究，美國、挪威、法國、英國、俄羅斯等國家的一些大石油公司，相繼投人大量的人力、財力進(jìn)行多相流量計的研制和開發(fā)，并建立了一批多相流檢定裝置，使得這一技術(shù)獲得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，研制出一批可供生產(chǎn)應(yīng)用的試驗樣機(jī)。當(dāng)然就目前來說，大多數(shù)的測試技術(shù)僅局限于實(shí)驗室研究，為數(shù)不多的商品化的多相計量儀表在工業(yè)應(yīng)用中也存在著一定的局限性，并且造價昂貴。

      從計量方式看，多相流量計可以分為全分離式、取樣分離式和不分離式三種。

      全分離式多相流量計是在井液進(jìn)入計量裝置后先進(jìn)行氣液分離再分別計量氣液兩相的流量，測出液相的含水率，求出油氣水各相含量。其典型代表為Texaco公司研制的SMS多相流量計，它是較早用于現(xiàn)場測試的一種多相流量計，它是將流體分成氣、液兩相，然后用流量計液相測液體流量，用微波監(jiān)測儀計量液相的含水率，氣相用渦輪式流量計計量。目前其計量精度是，含水率精度±5% 、油和水流量精度±5%、氣體流量精度±10%。

      取樣分離式多相流量計是在計量多相流總流量和平均密度的基礎(chǔ)上，提取少量樣液加以氣體分離，并測定油氣水各相的百分含量，通過計算獲得油氣水各相的流量。其中Euromatic公司開發(fā)的多相流量計較有代表性，它是最早用于現(xiàn)場測試的一種多相流量計，它由透平式流量計和γ密度計組成。透平式流量計用來測量流體的體積流量，γ密度計測量流體的密度。透平式流量計附近裝有旁通管線用于分離液體測取密度。

      不分離式多相流量計是在不對井液作任何分離的情況下實(shí)現(xiàn)油氣水三相計量，是多相流量計的發(fā)展主要方向。其技術(shù)難度主要體現(xiàn)在油氣水三相組分含量及各相流速的測定。目前，相流速測量技術(shù)主要有混合+壓差法、正排量法和互相關(guān)技術(shù)，其中互相關(guān)技術(shù)應(yīng)用最多。Framo公司的多相流量計、Kongsberg公司的MCF多相流量計、Multi-fluid公司的LP多相流量計都屬于這種類型。

      目前由于技術(shù)水平的限制，多相流量計尚存在一些問題。① 現(xiàn)有大多數(shù)多相流量計都需要測量若干數(shù)據(jù)后，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出各相的流量，使計量精度受到很大影響，目前市場上大多數(shù)多相流量計在大部分流態(tài)下各相的測量誤差為±10%；② 所有目前用于多相計量的技術(shù)都要求必須掌握流體的特性，如介電常數(shù)、質(zhì)量吸收系數(shù)等，才能比較精確地計量。如果流體特性出現(xiàn)變化或多相流量計用于多井計量，必須頻繁地評價和標(biāo)定多相流量計的傳感器；③ 目前市場上幾種主要多相流量計的最高適用含氣率為0.9～1.0，隨著含氣率的增加，液相的計量精度將受到影響；④ 多相流量計普遍采用像微波等輻射源，而有關(guān)法規(guī)對使用輻射源有嚴(yán)格的限制；⑤現(xiàn)有的多相流量計標(biāo)定設(shè)施只能較好地標(biāo)定組分測量儀器，而對流速測量尚未有令人滿意的標(biāo)定方法。此外，很多情況下是采用計量分離器來標(biāo)定，由于計量分離器計量不準(zhǔn)確，標(biāo)定也就沒有實(shí)際意義。

      在國內(nèi)，從20世紀(jì)90年代初，西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)和石油大學(xué)等都在積極地開展油氣水多相流量計的開發(fā)研制工作，雖取得了一定的進(jìn)展，但還處在實(shí)驗研究階段，離工業(yè)應(yīng)用還有一定的距離。

      總的來說，多相流量計正處于研究和開發(fā)應(yīng)用階段，但可預(yù)計多相流量計在沙漠和海上油田及陸上邊際油田將有很好的應(yīng)用前景，我國應(yīng)加速這方面的研究。

      多相流量測量的基本原理

      在油氣混輸管線中，油井產(chǎn)出的原油、伴生天然氣和礦化水形成了一種相態(tài)和流型復(fù)雜多變的多相流，是一個多變量的隨機(jī)過程。一般地，多相流量計需要用以下的參數(shù)來計算各相流量：①各相在管道截面上所占據(jù)的面積A1；②各相的流速Vi；③各相的溫度Ti和壓力Pi。各相的體積流量可根據(jù)下式計算：

                Q_i＝A_iV₁                      （1）

式中Q_i――各相的體積流量

      根據(jù)各相的溫度Ti和壓力Pi，利用狀態(tài)方程可以將實(shí)際狀況下的體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量。根據(jù)實(shí)際情況，我們可以得到以下的關(guān)系式：

      A＝A_o+A_g+A_w                         （2）

      上述式中  A――管道截面面積；
                    A_o――油相所占的面積；
                    A_g――氣相所占的面積；
                    A_w――水相所占的面積；
                    α_g――管道中油氣水三相流的截面含氣率；
                    α_w――油水混合液中的含水率。

        綜合上述四式，油、氣、水三相在實(shí)際狀況下的體積流量Qo、Qg、Qw可以分別由下列計算式求得：

          Q_o＝V_oA（1－α_g）（1－α_w）  （5）

          Q_g＝V_gAα_g                            （6）

          Q_w＝V_wA（1－α_g）α_w             （7）

      由此可見，油、氣、水三相在實(shí)際狀況下的體積流量的測量可以通過對各相流速、油、氣、水三相截面上的含氣率和含水率等流動參數(shù)的在線監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)。

      多相流計量中的復(fù)雜因素和關(guān)鍵技術(shù)

      1 復(fù)雜因素

      精確計量多相流的難度要比單相計量大得多。單相計量可通過測得壓力、流動粘度、壓縮性和測量裝置的幾何尺寸來測得流量。如果在多相流動中，每相的變化都是相同的，那處理起來要方便些。但多相計量在以下幾個方面與單相計量作用方式存在著差異：

      （1）各相并非混合均勻。水與油混合的不好，氣體與液體分離。
      （2）各相以不同的速度流動，各相之間存在著界面效應(yīng)和相對速度，相界面在時間和空間上變化比較大，對于液相和氣相以不同的速度流動是正常的。
      （3）混合是不規(guī)則的。各相混合時，結(jié)果難以預(yù)料，粘度和總量會發(fā)生變化。
      （4）相與相之間的相互作用。氣體能從溶液中析出或者溶解在液體中，蠟和水溶物將在流體中沉淀。
      （5）流動狀態(tài)非常復(fù)雜，特征參數(shù)也比單相流系統(tǒng)多，它取決于各相之間的相對速度、流體特性、管路結(jié)構(gòu)和流動方向。   

      為解決以上難點(diǎn)，關(guān)鍵所在是建立合理的測量模型，重視特征參數(shù)的選取，選用可靠的儀器，應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法。

      2 關(guān)鍵技術(shù)

      由多相流測試的原理分析可知，其技術(shù)的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是應(yīng)將三相視為液相總量和氣相兩相計量，二是進(jìn)行液相組分測量。

      將油氣、水視為氣。液兩相流，測試方法主要有：

      （1）相關(guān)法?；ハ嚓P(guān)測量方法是多相流量計中使用比較普遍的一種方法，幾乎一半以上的多相流量計都使用了這種技術(shù)。互相關(guān)流量測量是基于兩個隨機(jī)信號之間統(tǒng)計相似性的測量，互相關(guān)流量計由上游傳感器、下游傳感器和互相關(guān)器等組成。當(dāng)流體從管道中流過時，沿管道軸向相隔距離為L的兩點(diǎn)上安裝的上下游傳感器，在各自的測量點(diǎn)上從流動的非均勻流體中檢測到兩個在時間上相差τo的流動噪聲信號。建立兩信號的互相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而求出τo，則可得平均流速V＝L/τ_o。

      （2）混合測量法。將油、氣、水三相在靜態(tài)混合器中進(jìn)行混合，然后使氣和液以相同速度進(jìn)入文丘利管。文丘利管的基本原理是：當(dāng)管路中液體流經(jīng)文丘利管時，液流斷面收縮，在收縮斷面處流速增加，壓力降低，使文丘利管前后產(chǎn)生壓差。在選擇一定的文丘利管時，液體流量越大，它流經(jīng)文丘利管產(chǎn)生的壓差也就越大，因而可以通過測量壓差來計量流量的大小。

      （3）核磁共振法。核磁共振法的實(shí)質(zhì)就是核對射頻能的吸收。在氣、液兩相流測量中，由于核磁共振信號強(qiáng)度與空隙率成線性關(guān)系，故在各種流型下均能精確測量空隙率。核磁共振法能夠測量平均流速、瞬時流速、流速分布等。其具有非接觸測量，與被測流體的電導(dǎo)率、溫度、粘度、密度和透明度等物性參數(shù)變化無關(guān)等特點(diǎn)。

      通過對相分率的測量，再與前面提到的流速測量技術(shù)相結(jié)合，便可得到每一相的流量。測量組分的辦法主要有：

      （1）微波衰減測量法。這是一種測量含水率的基本技術(shù)，這種技術(shù)的基本原則是流體中對微波能量的頻率響應(yīng)取決于液體中的含水率。在這種多相流量計中，一般由以下基本部件組成：發(fā)射儀、天線、探測器。通過探測器測量井液對儀器所發(fā)出微波信號的吸收來確定并液流體中水的含率。

      （2）伽馬源吸收測量法。伽馬源吸收測量法利用了流體的物理特性，即在不同流體中有不同的伽馬源吸收特性。這一特性與混合物的密度有關(guān)，利用這種方法可以確定氣液流體中的氣分率。在油、氣、水三相流體中，通常使用雙能伽馬射線來確定油、氣水含率。另外，在一些正在研制的多相流量計中，則使用了三能或多能伽馬技術(shù)來確定組分含量。

      （3）電介質(zhì)特性測量法。現(xiàn)在一些多相流量計應(yīng)用了連續(xù)波、振蕩和單頻率的原理，用頻率小于15GHz的電磁波技術(shù)來測量電介質(zhì)常數(shù)，與傳統(tǒng)的電容測量系統(tǒng)相比，電介質(zhì)測量應(yīng)用范圍更加廣闊，并能提供一些附加信息。物質(zhì)的電介質(zhì)常數(shù)與物質(zhì)的折射指數(shù)有關(guān)，電介質(zhì)常數(shù)是描述物質(zhì)電磁性能的參數(shù)之一。由于水的電介質(zhì)常數(shù)與油的電介質(zhì)常數(shù)相差很大，因此用測量電介質(zhì)常數(shù)的方法來確定油和水相分率是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方法。

      （4）短波持水率計。工作頻率為幾十兆赫，在集流狀態(tài)下，該儀器能在0%～100%的持水率范圍內(nèi)有靈敏度，測量精度為±10%，但測量受水的礦化度影響。

      如何組合上述測試方法，是研制具有通用性、經(jīng)濟(jì)性和高精度多相流量計的關(guān)鍵。

      多相流量計的應(yīng)用情況

      近幾年來，多相流量計的應(yīng)用逐年增加，根據(jù)2000年的資料，全年共投入807臺，其中陸上542臺，海洋平臺210臺，海底為55臺。國外早期開發(fā)多相流量計的主要目的是為了大幅度降低近海油田的開發(fā)成本。從實(shí)際使用效果來看，多相流量計應(yīng)用于海底的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于陸上和海上平臺，因為海底多相流量計可以更大幅度地降低油田的開發(fā)成本。但實(shí)際海底應(yīng)用多相流量計遲于陸上和海上平臺，數(shù)量相對較少，原因是多方面的，主要是海底多相流量計的價格、安裝成本、操作和失效維護(hù)成本都比較高，大大增加了其應(yīng)用的風(fēng)險程度,同時海底應(yīng)用要求多相流量計的質(zhì)量更加可靠，應(yīng)用也就比較謹(jǐn)慎，但海上的應(yīng)用前景是比較樂觀的。

      國內(nèi)海默公司的多相流量計首先在新疆塔里木石油會戰(zhàn)指揮部的塔中油田、輪南作業(yè)區(qū)等安裝，與傳統(tǒng)的三相分離器分離、單相計量系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)液對比，收到了很好的效果。目前已在大慶油田和勝利油田相繼進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)液多相流測試和實(shí)驗，進(jìn)行綜合性能評價，相信在不久的將來就會有測試報告公布于眾。

      總之，多相流量計是一項計量科學(xué)的前沿，具有很大的技術(shù)難度。目前所有的多相流量計采用的技術(shù)都有長處和不足，從大量的試驗數(shù)據(jù)分析，沒有一種多相流量計能在所有流量組分和流態(tài)條件下對多相流準(zhǔn)確計量，都有一定的使用范圍和使用條件的要求，在合適的流態(tài)條件和流量及組分范圍內(nèi)，多相流量計能達(dá)到的各單相流量的計算準(zhǔn)確度為5%～10%?？偟膩砜?，多相流量計正處在研究和開發(fā)應(yīng)用階段，但可預(yù)計多相流量計在沙漠油田和海上油田將有更好的應(yīng)用前景，相信石油工業(yè)的廣闊市場激勵著廣大科技工作者努力拚搏，不久的將來就會有性能更好的多相流量計推向市場。

      參考文獻(xiàn)

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