油氣多相流量計量研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢講解學(xué)習(xí)課件

1、 中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)工程研究所2012.5多相流計量技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢報告人： 氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、核能等許多工業(yè)領(lǐng)域。存在兩相流動的系統(tǒng)中兩相流體的流量計量一般是難以回避的，也是一直未能很好解決一個難題。 近年來隨著石油價格上漲，能源緊缺問題日益突出。各國都在加大對海上和沙漠油田的開發(fā)，對多相流量的計量需求也更加迫切。多相流量計增長速率一、 為何要采用多相流量計（1）占地面積小、工藝流程布局簡單；（2）對油氣進(jìn)行連續(xù)、在線、自動測量，可實(shí)現(xiàn)無人值守，便于實(shí)時監(jiān)控油氣生產(chǎn)動態(tài)和精細(xì)化管理。（3）投資少，操作費(fèi)用低。 采用多相流流量計直接計量油井各相流量可以取消計量用分離器

2、、計量管線以及計量匯管，具有如下優(yōu)點(diǎn)：用途油井產(chǎn)量測試生產(chǎn)監(jiān)控產(chǎn)量調(diào)配二、多相計量原理各相在管道截面上所占據(jù)的面積Si；各相沿管道軸線的流速vi；各相溫度Ti，壓力Pi質(zhì)量流量（i）=面積（i）*密度（i）*速度（i）對于油、氣、水三相，只需要測量其中兩相面積。對于混合均勻的彌散流，只需測量其中一相速度。多相流量計：能夠同時獲得被測管道氣液各相流量的裝置。1、流量測量基本方程(1）射線吸收測量相分率技術(shù) 射線穿過多相流體時受到流體吸收，吸收的程度與多相流的密度有關(guān)。根據(jù)射線的吸收程度，可得出流體混合物的密度，進(jìn)而計算出多相流的各相分率。2、相分率測量技術(shù)（2）電法測量相分率技術(shù) 根據(jù)氣液相混合

3、物中兩相介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率差別，測量出混合物中的氣液相分率。可分為電容法和電導(dǎo)法。（3）微波衰減法測量微波衰減法主要用于測量含水體積分?jǐn)?shù)，因?yàn)槟骋还潭l率的微波經(jīng)過不同含水體積分?jǐn)?shù)的液相，可以產(chǎn)生不同的衰減，亦即衰減幅度與含水體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。 是世紀(jì)年代初首先由西方發(fā)達(dá)國家開始研究開發(fā)，主要用于工業(yè)管道多相流測量它類似于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的 技術(shù)，通過檢測陣列電極電容變化，反映管道中多相介質(zhì)介電常數(shù)分布，從而構(gòu)造出管道中各相介質(zhì)的分布圖像，如石油輸送管道中油水氣各相介質(zhì)濃度分布。（4）電容層析成像技術(shù) 沿多相流管道相隔一定距離布置 2個特性相同的傳感器，分別檢驗(yàn)多相流相分率和相空間分布等變化的隨機(jī)

4、流動噪聲信號。根據(jù)相關(guān)技術(shù)確定上下游噪聲信號的渡越時間，即可求得相關(guān)速度。多相流相分率及壓力信號可作為流動噪聲信號進(jìn)行相關(guān)處理。常用傳感器有測量相分率信號的射線和電容/電導(dǎo)傳感器及測量壓力信號的壓力變送器等。3、 流速測量技術(shù)（1）相關(guān)法tT+tLV=L/ t 流體通過節(jié)流件（如孔板、文丘利管和噴嘴）時會產(chǎn)生壓降，認(rèn)為各相流速均勻一致，由流速與壓降的關(guān)系即可測得流速。文丘利管法就是當(dāng)前使用最多的多相流量測量法。文丘利管結(jié)構(gòu)簡單，體積小，維護(hù)方便。（2）節(jié)流法4、多相計量面臨的挑戰(zhàn) 從井口出來的介質(zhì)很少是單一的氣相或液相，而是氣液混合物。與單相流體流量測量相比，多相流量測量難度要大的多,主要是多

5、相流動特性與兩相流有很大不同：（1）氣液相在管截面上具有不同的分布形式復(fù)雜多變;（2）各相流動速度不一致；（3）相與相之間存在質(zhì)量、動量和能量交換；水平管內(nèi)流型豎直管內(nèi)流型 多相流量計的研究始于六十年代，從80年代初至今，國內(nèi)外多相流計量技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用取得了重要的進(jìn)展，多相流量計不僅在陸上，在海洋平臺甚至水下都得到了運(yùn)用。 國內(nèi)： 蘭州海默公司的FJ-104型、MFM2000型、MFM2000-Y型、MFM2000-H型油氣水三相流量計和Mobile MFM2000型車載式多相流量計； 華北油田鉆井研究所的SXL1型油氣水三相流量計； 西安交通大學(xué)的TFM-500型多相流量計。三、多相流量計

6、研究進(jìn)展（一）、多相流量計發(fā)展歷程國外：挪威Fluenta公司1900系列多相流量計；MFI公司LP型多相流流量計；Framo公司的MPFM型多相流量計；KOS公司的MCF351型多相流量計；Texaco公司的 SMS多相流量計。完全分離直接測量分離不分離分流分相間接測量軟件測量液面恢復(fù)法功圖法部分分離多相流量測量方法（二）、油氣多相計量技術(shù)分類（三）. 分離式多相流量計將多相流體只分為氣相和液相，使用一臺單相氣體流量計測量氣體流量，使用一臺單相液體流量計測量液體流量，液相含水率可用一臺在線水組分測量儀完成。 工作原理： GLCC多相流量計工作原理（1）GLCC多相流量計GLCC（gas-li

7、quid cylindrical cyclone，管柱式氣液分離器，由美國Tulsa大學(xué)最先研制推出。GLCC照片工作原理：由一個傾角向下的管道切向進(jìn)入分離器，在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及重力作用下發(fā)生分離，形成一錐狀氣液界面，液相沿著分離器壁沉積在底部，進(jìn)入液體測量管道，上方氣體進(jìn)入氣相測量管道，隨后氣液重新混合。（2） phase dynamics 多相流量計（3）海默低產(chǎn)油井測量裝置 氣液兩相流經(jīng)裝置入口，首先進(jìn)入除沙器，而后進(jìn)入氣液旋流分離器，實(shí)現(xiàn)氣液分離； 在分離器液體積聚段配備有液位計，通過液位計控制液路排放閥排放液體，排液管路上安裝的質(zhì)量流量計和含水儀實(shí)現(xiàn)液量測量和含水測量； 氣體由安

8、裝在排氣管路上的旋渦流量計進(jìn)行測量。 適用于產(chǎn)量低、間歇產(chǎn)液油井的測量，該裝置可用于固定安裝測量，也可用于移動測井服務(wù)。完全分離方法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)氣液相能實(shí)現(xiàn)完全分離，測量不受多相流波動的影響，精度高。缺點(diǎn)：由于要對氣液進(jìn)行完全分離，分離設(shè)備體積龐大，價格昂貴，這在很大程度上增加了油田的開發(fā)成本。（二） 非分離式多相流量計工作原理： 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, 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。1、英國JISkoot的Mixmeter多相流量計測量原理：壓差變送器測量總流量；雙能伽馬密度儀測量含水率、含氣率；特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為

9、緊簇，壓差損失小。a) = 0.4b) = 0.6c) = 0.752、挪威ROXAR公司MF1多相流量計測量原理：（1）測速采用微波相關(guān)法；（2）相分率采用微波傳感器和伽馬密度儀；（3）總流量測量采用文丘里流量計。該多相流量計結(jié)構(gòu)緊湊，無可動部件，壓力損失較小。挪威Framo公司的多相流量計MPFM型多相流量計由在線靜態(tài)混合器、多源伽馬組份計和文丘里動量計三部分組成。混合裝置使計量系統(tǒng)完全不受上游流態(tài)的影響并為計量段提供均質(zhì)流。多源伽馬計由一個伽馬同位索和一個耐震探測器構(gòu)成，用來確定油、氣、水各自的體積百分?jǐn)?shù)。油、氣、水各自的組份根據(jù)不同伽馬能的相對衰減程度計算求得。文丘里流量計與伽馬組份計

10、相結(jié)合，獲得油、氣、水各自的流量。 3、挪威Framo公司的MPFM多相流量計測量原理：采用正排量（PD）流量計測定總體積流量；由2個文丘里管組成的雙動量流量計測定含氣量；微波原油含水分析儀測定含水率。系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓力損失較大，而且包括可動部件和電控閥門。4、 AGAR公司的301型多相流量計該流量計系統(tǒng)相對龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓力損失較大，而且有可動部件和電控閥門。不分離多相計量方法特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不需分離設(shè)備，體積?。蝗秉c(diǎn)：測量受流體波動的影響，精度低。6、海默多相流量計測量原理：采用低能伽瑪射線吸收技術(shù)測量相分率利用文丘里與單能咖瑪組合形成一個獨(dú)立的測量單元，測量氣液流體總流量。 雙能咖

11、瑪測量儀測量油水混合液中的含水率。應(yīng)用：該流量計已在陸上油田、海上油田使用。潿洲11-4東平臺采用了該公司的多相流量計，是我國海上平臺第一次使用多相流量計，目前正在運(yùn)行中。另外，秦皇島32-6油田井口平臺和綏中36-1期井口平臺的總流量計量也采用了該多相流量計。（1）海默總量計量多相流量計濕氣流量計適用于天然氣生產(chǎn)井的測量，可以在不分離的狀態(tài)下，對氣井產(chǎn)出的天然氣和液體進(jìn)行測量。工作原理采用低能伽馬射線吸收技術(shù)測量氣液兩相相分率； 采用文丘里技術(shù)測量氣液總流量； 配套儀表測量流體的壓力和溫度。（2）海默濕氣流量計組合式移動測井裝置實(shí)現(xiàn)了對多相流量計測量下限的全覆蓋，進(jìn)一步拓展了測量范圍，提高了

12、移動測井裝置的適用性。 （3）海默組合式移動測井裝置 這種多相流量計由英國BP開發(fā)研制，ISA公司生產(chǎn)。它是根據(jù)眾所周知的容積式計量原理，同時結(jié)合密度測量，以此得出油、氣、水混合物各相的質(zhì)量流量。 7、 ISA公司的Scroll Flo型多相流量計 這種多相流量計安裝在管線的外側(cè)，這樣就不會對管線內(nèi)的混合物產(chǎn)生干擾。該流量計采用一個脈沖中子束對通過管線的氫原子、碳原子和氧原子進(jìn)行計數(shù)，以此測出氣體、液體和固體的體積?；旌衔镏械暮客ㄟ^對氯原子的計數(shù)求得。輻射短脈沖“觸激”氧原子，同時計量以此測出混合物的流速。將兩種測量結(jié)果相結(jié)合便可精確地計算出管線內(nèi)的流量。 8、 AEA技術(shù)公司的脈沖式多相

13、流量計（三）部分分離多相流量計 原理： 首先采用預(yù)分離裝置將氣液兩相分離成以氣相為主（高含氣率）和以液相為主（高含液率）的兩股流體，然后再利用較成熟的兩相流儀表分別測量，最后將兩股流體重新混和。優(yōu)點(diǎn)：該方法縮小了流過測量儀表的兩相流組分變化范圍，同時也降低了流動的不穩(wěn)定性和測量信號的波動性。這雖然在一定程度上縮小了計量分離器的體積，并降低了兩相流測量的難度。缺點(diǎn)： 未能將氣液混合物完全分離，故實(shí)際上對提高測量精度的作用是有限的。特點(diǎn)：1、原理 通過成比例的從兩相流體中分流出一股兩相混合物，將其分離成單相流體后，應(yīng)用單相流量計測量出各相流量的大小，然后根據(jù)比例確定被測兩相流體各相總流量。 （四）

14、 分流分相式多相流量計 分流分相法原理圖 分流分相方法通過成比例地從兩相流管路中分流出一部分流體，然后根據(jù)這部分流體與管路內(nèi)主流體的關(guān)系確定出主管兩相流量的大小。由于流量測量儀表在單相環(huán)境下工作，有效地克服了不分離法以及部分分離測量方法由于儀表受兩相流波動的影響，同時分離器體積遠(yuǎn)小于完全分離時所需分離器體積，整個測量裝置精度高、體積小，便于制成儀表廣泛使用。2、特點(diǎn)3、關(guān)鍵問題為保證分流分相方法流量測量的精確性，分流出的分流體與被測兩相流體之間必須具有穩(wěn)定和確定的關(guān)系，即右式的分流系數(shù)應(yīng)保持恒定或有確定的變化規(guī)律。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于設(shè)計合適的分配器。 利用T型三通的相分離特性,從被測氣液

15、兩相流體中分流分離出一部分單相氣體,通過測量這部分單相氣體的流量確定被測氣液兩相流體的流量或干度。（1）三通管型取樣器4、 分流取樣器的設(shè)計三通管型分流分相式多相流量計三通管型取樣器是一種單參數(shù)流量計，流量和干度兩個參數(shù)中必須已知其中的一個參數(shù)才能測出另一個。如果要同時測量流量和干度兩個參數(shù)，要和其他儀表配合使用。（2）取樣管式多相流量計 取樣管型分配器混合裝置和取樣裝置兩部分組成，取樣管深入主管內(nèi)部，取樣口正對來流方向。氣液兩相流體首先在混合器內(nèi)進(jìn)行加速、混合，然后在混合器出口分成兩部分，一部分（分流體）直接進(jìn)入取樣管，另一部分（主流體）則流入下游管道。（3）轉(zhuǎn)鼓型取樣器 轉(zhuǎn)鼓型分配器的核心

16、部件是一個轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓通過轉(zhuǎn)軸支撐在軸承座上，可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)鼓外形為圓柱體，內(nèi)部用軸流葉片均勻分割成n個互不相通的通道，各通道的橫剖面為扇形，幾何尺寸和阻力特性完全相同。 當(dāng)兩相流流過轉(zhuǎn)鼓時會沖擊轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)過程中，各通道的入口截面不斷掠過上游流通截面上的每一點(diǎn)，使每一點(diǎn)上的兩相流體都能機(jī)會均等地流入各通道。這樣，流入分離器的流量僅僅取決于轉(zhuǎn)鼓中通向分離器的通道數(shù)（分流通道數(shù)），而與兩相流體的流型等因素基本無關(guān)，分流系數(shù)保持為常數(shù)。（4）轉(zhuǎn)輪型分配器 轉(zhuǎn)輪分配裝置由轉(zhuǎn)輪以及分流體收集室兩大部分組成。轉(zhuǎn)輪的外徑為100mm，內(nèi)部包含3個流道，流道的出口角為70。 流道的輪廓為螺

17、旋線，多相流體流過流道時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪位于中心,圍繞轉(zhuǎn)輪的分別是主流體接收窗口和分流體取樣口。分流體取樣口有3個，每個取樣口兩側(cè)布置一組格柵。轉(zhuǎn)輪分配器結(jié)構(gòu)示意圖 設(shè)置隔柵的目的是將旋轉(zhuǎn)流道出口噴出的兩相流體從取樣口導(dǎo)入收集環(huán)室，防止進(jìn)入主流回路的流體進(jìn)入分流回路。 轉(zhuǎn)輪型分配器結(jié)構(gòu)內(nèi)部轉(zhuǎn)輪實(shí)物照片軸承格柵分流體入口主流體入口取樣口布置形式轉(zhuǎn)輪分配器流量測量原理 轉(zhuǎn)輪分配器用于兩相流量測量上可以用“流量”采樣理論來解釋其工作原理。下圖為主管內(nèi)的任一相（氣相或液相）流量Qj隨時間變化曲線。圖中T表示一個“采樣”周期，也就是轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)一周的時間，t為一個周期內(nèi)的“取樣”時間，(相當(dāng)

18、于信號采集中的采樣時間),即主流體全部流向分流體回路的時間。（1）（2）（3）分流體流量主管流量隨時間波動曲線預(yù)測主管流量 分時比大小只取決于轉(zhuǎn)輪和支路通道的幾何參數(shù)，而與轉(zhuǎn)速和流體的物性無關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，旋轉(zhuǎn)周期和分流時間都會變化，但分時比仍為一恒定值。 主管流量為Qj，分流體流量為qj，則有分流體取樣通道寬度轉(zhuǎn)輪分配器瞬態(tài)響應(yīng)特征 分流體氣液相流量能快速跟蹤上主管氣液相流量的變化。因此轉(zhuǎn)輪分配器不但適用于流動平穩(wěn)的兩相流體的分配和測量，對流量波動較大的兩相流體也是適用的。四、多相流量計認(rèn)證機(jī)構(gòu) 目前多相流量計正處于發(fā)展階段，國際上還沒有一套相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。 挪威幾家多相流量計廠商聯(lián)合幾

19、個大石油公司共同編寫了一套多相計量手冊（handbook of Multiphase flow metering),對多相計量有關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了一些定義和說明。 目前API已經(jīng)成立了多相流量計測試委員會，正在制定有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。1、多相流量計測試現(xiàn)狀（1）英國國家工程實(shí)驗(yàn)室（NEL） NEL油氣水三相流量測試和標(biāo)定裝置它是世界上唯一的多相流量計標(biāo)定裝置，具有較高的知名度和權(quán)威性；2、多相流量計測試實(shí)驗(yàn)室The High Pressure Wet Gas Test Facility At NEL（2）法國IFP石油研究院的油氣水多相流量測試裝置，主要用于多相流模擬試驗(yàn)及多相流量計、多相混輸泵原理

20、樣機(jī)的半工業(yè)化性能測試；IFP Multiphase Flow Loop（3）挪威HYDRO石油公司研究中心的高壓多相流實(shí)液測試標(biāo)定裝置是目前世界上唯一一套高壓多相標(biāo)定裝置，具有壓力高、規(guī)模大、量程寬等特點(diǎn)；（4）美國Conoco多相流標(biāo)定裝置也是一種采用原油、天然氣、產(chǎn)出水為介質(zhì)的現(xiàn)場實(shí)液標(biāo)定裝置；（5）挪威HYDRO公司和Framo公司的油氣水多相流標(biāo)定和流量測試裝置主要用于各自產(chǎn)品的出廠校驗(yàn)；（6）我國大慶油田工程設(shè)計技術(shù)開發(fā)有限公司建造了一套DN50型油氣水多相流量計現(xiàn)場實(shí)液測試校驗(yàn)裝置，它直接采用油井采出液配制實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，并通過了國家計量科學(xué)研究院的鑒定。參數(shù)：配備有高精度油、氣、水單

21、相流量計和DCS控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)管徑有DN50，80，100三種，最大流量油50m3/h；水50m3/h,氣1170Nm3/h含水率調(diào)節(jié)0-100%，含氣率調(diào)節(jié)0-100%。是否通過權(quán)威機(jī)構(gòu)的第三方試驗(yàn)室的測試和評價；是否通過公正、獨(dú)立的工業(yè)現(xiàn)場對比測量；是否經(jīng)過長期的和批量化的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。 五、多相流量計的選擇1、是否通過相關(guān)檢測試驗(yàn)？（1）含氣率（Gas Void Fraction） 大多數(shù)多MPFM在含氣率90%時，誤差急劇放大，對于高含氣多相流因采用濕氣流量計（Wet Gas Meter）（3）流量（Flow Rate）：（5）流型（Flow Pattern）：（4）含水率（Water Cut）：（2）流體物性 原油黏度、乳化、起泡、水含鹽量等物性是主要考慮因素。1、是否滿足操作工況？（6）設(shè)備尺寸（equipment Dimension（7）安裝位置和方向（Orientation and location） 水平？垂直？預(yù)留發(fā)展直管段？（9）購置成本（Cost）（8）健康、安全、環(huán)保（Health, sa