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研發(fā)的投入，以期通過實施一系列高新技術提升產能及管理品質。多相流量計可以滿足現(xiàn)有油氣田的增產增效和海上油田、陸上邊際油田生產管理的潛在需求。在一些新油田的開發(fā)中，多相流量計被作為首選的油井計量技術來考慮，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)研制結構緊湊的多相流量計。美國的TULSA大學、BP和TEXACO石油公司等率先進行了多相流測量技術的研究。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，多相流量計在國內各油田得到了廣泛的應用。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）上的批量應用，GLCC 多相流量計在加州Bakersfield以西油田的批量應用，TFM-500型多相流量計在我國勝利油田、冀東油田的批量應用等。特別是在深海油田應用高性能的多相流量計，可以對復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)多相計量的關鍵技術，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；結構緊湊、占地面積??；維護工作量少。對于淺海和深海油田，海上鋪設油氣管道異常昂貴，應用多相流量計安裝于井口，可以使生產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)分離技術所帶來的高昂費用。多相流量計可以節(jié)省相關費用，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，或者在中轉站監(jiān)測油田特定區(qū)域的生產特性或原油產量。

      從管理的角度來看，油氣藏工程師及相關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。通過對油氣水產出流量的實時測量與數(shù)據(jù)傳輸，快速調整油氣藏的管理和產能配置，診斷病態(tài)生產工況，實施油氣井的維護和流程控制，優(yōu)化生產過程，這些是傳統(tǒng)的分離計量技術無法相比的。

      無線通信和無線網(wǎng)絡技術的迅速發(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)與全球網(wǎng)連接，是油氣田生產管理資訊化的發(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整單井和油田區(qū)塊的量化配產，以實現(xiàn)油氣勘探和生產效益最大化。

      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)絡技術、流型識別或統(tǒng)計分析技術對依據(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 多相流量計的應用

      石油工業(yè)中應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，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多相流量計可測最大含氣率為15%；如果應用靜態(tài)混合器，可測最大含氣率為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型流量計由于應用微波測量技術，在含水率為0%～100%的范圍內都可以使用。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用，但是還不足以用于原油和天然氣的貿易計量或配產計量。隨著應用的不斷增長，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出量的詳細資料，以便監(jiān)測油氣藏各層段的生產開發(fā)狀況，診斷油氣井的動態(tài)異常，采取相應的調整措施，實現(xiàn)增加油氣產量、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，井下多相計量技術的最新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為基礎，常用的測試技術：以γ射線能量衰減法、電容技術、電導技術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、相關法、正排量流量計等測量流速。近年來層析技術在多相流測量中的應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，核磁共振法也已應用于多相流的測量^[22]。這些方法應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，國內外都沒有相應的標準和規(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，正在制定相關規(guī)范。美國MMS（Minerals Management Service）是認證多相流量計的官方機構，他們認為，如果相關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。多相流量計的研究開發(fā)者與使用者就多相流量計的檢定與應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用于油氣井生產和流體輸送。這一共識構成了在線多相計量技術合作協(xié)議的基本內容。

      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《 油田油氣集輸設計規(guī)范》中所提出的目標不確定度，即計量綜合誤差應小于±10%。英國貿易工業(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%?？梢娔壳暗亩嘞?a href="http://j3l.com.cn" target="_blank" class="autolink">流量計已基本滿足國內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對比測試。國內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，或者委托權威機構對廠家生產的多相流量計準確度、穩(wěn)定性、重復性及超差比等進行測試，然后應用于井口或管道測量。國內權威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、天然氣和產出水作為介質進行測試對比。國外權威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能配置、病態(tài)生產工況的診斷、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)中的應用數(shù)量逐年增多。
      （3）作為一項新技術，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所有的應用范圍。
      （6）標定、認證多相流量計，國內外也都沒有相應的標準與規(guī)范。
      （7）多相流量計的研究開發(fā)者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.油田礦場計量技術綜述（續(xù)）.石油工業(yè)技術監(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.國內外油氣水多相管流技術的研究.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用.石油機械，2002，30（5）：45