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多相流量計的選型及在國內市場的應用發展


文章日期:2018-01-30|閱讀數:


摘要:由于多相流測量技術越來越成熟,國內外品牌各有特點,適用場合各有不同,在選用多相流量計時,根據實際需要選出***適用的品牌種類尤為關鍵。通過闡述目前國內使用較多的幾種多相流量計的原理、特點及應用,對多相流量計的選型因素及發展趨勢進行了深入研究,給出了基于完全混合模型、基于部分分離模型和基于完全分離模型3種方向,以指導選型與未來的發展方向,為今后多相流量計的選型使用提供參考。

  隨著科學技術的不斷發展,多相流測量技術越來越受到海上平臺的青睞。多相流量計的研究始于二十世紀六十年代,但由于當時的技術條件限制,未獲得可供應用的結果;到七八十年代,美國 TULSA 大學的流體流動回路以及挪威的 SINTEF 大學在多相流體力學方面的研究取得了一些成果[1]。隨后,BP 公 司 和TEXACO 公司在八十年代中期發表了多相計量方面的批論文[2];九十年代初,在倫敦召開了多相流量計及其水下應用研討會。自此,世 界各國如美國、挪威、法國、英國、俄羅斯和中國都投入了大量的人力和物力來研制多相流量計,并組建了一批多相流檢定裝置,從而使這一技術獲得了實質性的發展。經過20多年的發展和淘汰,目前多相流量計技術已進入到一個比較成熟的階段,近10年商業化推廣也99取得了長足的發展。國內外多相流量計已被廣泛地應用于陸上和海上。對于海上油田的計量,不同的甚至不同的石油公司,采用的品牌各不相同。目前,在國 內 市 場 領 先 的 品 牌 有 Schlumberger、Roxar、Haimo、Agar及 Veritas-msi,在海上油田使用較多的是國內的 Haimo和 Veritas-msi。

1、多相流量計原理及特點:
  在油氣混輸管線中,油井產出的原油、天然氣和礦化水形成了一種相態和流態非常復雜的多相流,是一個多變量的隨機變化組合過程。隨著科學檢測技術和計量技術的發展,針對多相流的特點,發展出兩種計量方向:即基于混合技術的多相流計量和基于分離技術的多相流計量。
  基于混合技術的多相流計量無需對管線中的多相流體加以分離,在實際工況下,通過檢測管線中混合流動的油、氣、水三相的流速,以及流量截面上的相分率(含氣率和含水率)等流動參數,采用流量計算機系統對各種參量進行運算,***終提供油藏管理需要的各種多相流工況、標況參數。
  多相流檢測是以分離技術為基礎[3],即將復雜的多相流體分離為單相流體,如單相氣體和單相液體,或再將單相液體分離成單相水和單相油。然后,采用成熟的單相計量儀表分別計量油、氣、水三相流量。同時,檢測各種溫度、壓力等過程變量,并采用流量計算機系統對各種參量進行運算,***終提供油藏管理需要的各種多相流工況、標況參數。
  基于部分分離和部分混合的多相流計量,其特點是先將油氣田的采出流體進行氣液預分離,以簡化復雜的流態;然后采用混合計量的方法對氣相(帶有少量液體)和液相(帶有少量氣)分別測量和計算;***后匯總輸出多相計量參數結果。

1.1、基于混合型的多相流量計檢測技術:
  通過多年的市場競爭和選擇,基于混合型的多相流量計的測量都可歸結為流速測量和相分率的測量。
1.1.1、流速測量技術流速測量分為均相流測量法和分相流測量法。均相流測量法,即在測量前采取措施預先將多相流混合物混合均勻,按均相流模型———單相流處理,然后測量均勻混合物的流速。原則上,單相流速的測量方法(如節流法、容積法等)皆適用于均勻混合物流速的測量,但目前多相流量計多采用文丘里管法測量均相混合物流速。分相流測量法根據測量原理的不同,主要有相關法、節流法和容積法。

1.1.2、相分率測量技術相分率是對油、氣、水混合物特性的測量。將相分率測量技術與前文所述的流速測量技術相結合,可計算出每一相的流量。測量相分率***常用的方法有微波射頻衰減法、雙能伽馬衰減法、電容電導法等,測得的參量包括 HG和 HW,具體算法見式(1)~式(3)。QP=VP·SO(1-HG)(1-HW) (1)QG=VG·SOHG (2)QW=VW·SO(1-HG)HW(3)式中:QP、QG、QW為油、氣、水的流量,m3/s;VP、VG、VW 為油、氣、水的流速,m/s;HG為三相 流 截面的氣相所 占 比 率,%;HW為 液 相 流 截 面 的 水 相 所 占 比率,%;SO為管道截面積,m2。
1.1.3、混合型多相流量計特點混合型多相流量計又分為有核放射源和無核放射源兩種。
1.1.3.1、有核放射源的混合模型多相流量計有核放射源的混合模型多相流量計基于完全混合模型。由于核放射射線對多相流具有非常強的穿透能力,并且油、氣、水對射線的吸收能力不同,導致射線在穿透多相流時能量的衰減各有不同,因而可以很好地測量相分率。許多多相流量計都是由這種原理發展起來的,如 Schlumberger、Roxar、Haimo等均采用了這類技術路線,其基本原理如圖1所示。該類多相流量計普遍采用文丘里管測量混合流體的差壓,采用核放射源(如同位素為鋇133、伽馬射線、同位素為銫137、同位素為镅241等)測量流體的含氣率和含水率。同時測量壓力和溫度信號,運用混合數學模型算法,計算得出工況和標況下的油、氣、水三相流量或產量。
該類多相流量計具有如下特點:
(1)結構緊湊美觀、體積小、重量輕、壓力損失小。
(2)集成了多種不同的技術,采用不同的數據模型,軟件中引入 PVT 參數修正,大大提高了高壓、高含氣工況的測量精度,可標準化規模生產。
(3)產品的服務費用昂貴(國內品牌 Haimo的產品服務費相對更低)。
圖1有核放射源的混合模型多相流量計原理圖
圖1有核放射源的混合模型多相流量計原理圖

1.1.3.2、無核放射源的混合模型多相流量計:
   無核放射源的混合模型多相流量計基于部分分離模型。目前,此類多相流量計不采用放射源,通過雙文丘里管、雙孔板或雙V錐技術測量差壓流量,采用電容、電導測含水率,并采用差壓原理和持液率系數進行綜合計算,***終求出各單相流量。
   該類多相流量計具有如下特點:  
 (1)非放射性。  
 (2)采取局部氣體分離技術,對高含氣有更好的適應性。
 (3)系統相對龐大,結構復雜,壓力損失較大。
 (4)價格昂貴。
 (5)服務費用昂貴。

1.2、基于分離的多相流量計檢測技術:
   基于分離的多相流量計中,***具代表性的是UI=CL CL多相流量計。該多相流量計使用美國Tulssa大學研究和推廣的氣液旋流分離器,首先對介質進行氣液分離,然后采用閥門對氣路和液路進行單獨控制(***常用的方法是PID單回路控制.和計量。其中,氣路采用氣體流量儀表測量總氣量,液路使用液體流量儀表(如質量流量計)測量總液量,再使用含水儀測量含水率,進而計算出油、水兩相各自的流量。其原理圖見圖2。    分離式多相流量計中,油、氣、水各相流量的計算
圖2分離式多相流量計原理圖

圖2分離式多相流量計原理圖
見式(4)~式(6)。QG=MG (4)QW=ML·HW(5)QP=ML·(1-HW) (6)式中:MG為氣相的質量流量,kg/s;ML為液相的質量流量,kg/s;HW為含水率,%。該類多相流量計具有如下特點:
(1)非放射性。
(2)可有效緩沖段塞流,操作范圍寬,適用性廣。
(3)使用高精度儀表,測量誤差相對較小,穩定性好,測量結果準確、可靠。
(4)體積相對較大,占用空間大。
(5)帶輔助電控系統,壓力損失較大。

2、多相流量計在海上油田的應用渤海灣:
  PL19-3油田的 WHPM 平臺是一個9口井的無人平臺(其中7口油井,2口注水井),該平臺采用 Haimo MFM-2100/M-4型多相流量計,并于 2011年4月投入使用,其結構如圖3所示。該多相流量計采用量程拓展型結構,具有兩套獨立的含氣率測量(單能伽馬傳感器)和總流量測量(文丘里流量計)裝置,以及一套含水率測量(雙能伽馬傳感器)裝置,大大提高了測量范圍。
  2015年6月,對多相流量計進行了維護,表 1 為其計量數據表,其中***后一列為人工化驗的含水率。
圖3  Haimo MFM-2100/M-4型多相流量計結構圖

圖3  Haimo MFM-2100/M-4型多相流量計結構圖
表1日aim。多相流量計計量數據

表1 haim。多相流量計計量數據
表2計量不確定度

表2計量不確定度
    圖4所示為2015年6月對多相流量計進行維護時得到的M10井的測試曲線,顯示了在120 min的時間里,M10井的產液量(圖4中紅色曲線)、產氣量(圖4中綠色曲線)和含水率(圖4中黃色曲線)的變化情況。從圖4可看出,從2011年4月投入使用到2015年6月,己運行4年,但該多相流量計基本運行平穩,計量準確度滿足要求。

3、多相流量計選型及發展趨勢:
3.1、多相流量計選型:

   由于不同類型的多相流量計測量機理不同,其適    從表1可看出,該多相流量計對各井(MO1井為間歇井況,未進行人工含水率的測量)產出液的含水率測量值與人工化驗值幾乎一致,在允許誤差范圍內,滿足計量要求,表明該多相流量計運行正常。計量不確定度見表2。從表2可看出,置信度為90%時,在含氣率(GVF)50%以及5000鎮GVF鎮98%兩個區間范圍內,總液量、氣流量和含水率的測量誤差在士10%以內,滿足油井產量計量準確度的要求。
用范圍也不盡相同,歸納起來主要有3種方向指導選型:①基于完全混合模型的多相流量計的選擇;②基于部分分離模型的多相流量計的選擇;③基于完全分離模型的多相流量計的選擇。    基于完全混合模型的多相流量計的選擇,可以參考API于2005年9月出版的多相流測量做法(即API RP 86一2005《API Recommended Practicefor Measurement of Multiphase Flow),該做法給出了此類多相流量計的基本原理、分類、標定、性能測試、安裝、操作和不確定度分析等多方面的指導性說明。圖5為該標準提供的多相流不確定度分析原理圖川。從圖5可看出,在一定的GVF范圍內,多相流量計的不確定度***理想,為士5%(圖5中左邊黃色區域);隨著GVF的逐漸增大,不確定度數值增加到士1000;而在高GVF區域(圖5中右邊區域),不確定度超出士10000 基于完全分離模型的多相流量計,即類似傳統大
圖4  M1fl井測試曲線


圖4  M1fl井測試曲線
圖5多相流不確定度分析原理圖

圖5多相流不確定度分析原理圖
罐分離后,對單相的油、氣、水進行計量。這三相計量不確定度的極限為單相流測量儀表的不確定度,但也應考慮工況和標況的轉換,以及烴露點的變化引起的氣化引入的氣、液單相流量的變化。可以用PVT或收縮系數來校正計量結果,但這會引入計算誤差,增加系統的不確定度。    基于部分分離模型的多相流量計,結合了分離模型和混合模型的長處,采用高效分離技術對氣體和液體進行預分離,再采用基于混合原理的數學模型來計算綜合多相流的計量不確定度。
   此外,在選型的同時,還應結合實際的要求,建議可從如下幾方面綜合考慮:  
 (1)安裝位置。包括陸上、海上平臺及水下等。陸地的使用條件相對寬松,應當以流量計價格作為主要參考;海上平臺空間有限,宜選用尺寸較小、結構緊湊的流量計;由于水下安裝的流量計維護困難,因此流量計需具有極高的可靠性和一定的使用壽命,宜選用電學法測量的多相流量計。  (2)流體物性。原油茹度、乳化、起泡、水中鹽含量等物性是主要考慮因素,具體選擇方案如表3所列〕。
表3流體物性對多相流量計選型的影響



表3流體物性對多相流量計選型的影響

    (3)流動工況。含氣率高低是影響多相流量計精度的重要因素。高含氣工況下,可考慮先部分分離天然氣,再進行多相計量;超高含氣環境下,宜選用濕氣流量計進行測量;高含水工況應選用微波衰減法測量含水體積分數;低含水工況應選用電容法或微波衰減法測量含水體積分數。
   (4)是否通過權威機構的第三方實驗室的測試和評價。
   (5)是否通過公正、獨立的工業現場對比測量。
   (6)是否經過長期的和批量化的工業性實驗叫。
   (7)敏感度。由于操作條件變化、物性變化或測量范圍變化給測量精度帶來的影響程度,應要求廠商給予說明。此外,多相流量計是否需要現場標定、如何進行等,也要進行了解。
   (8)要重視多相流量計的售后服務工作。售后服務包括現場安裝、調試、試運行、定期的維護和定期標定,以及出現問題后廠家的及時響應和解決等。3.2多相流量計發展趨勢    現代石油工業的不斷發展,對多相流的計量和監測提出了更高的要求。從近幾年國內外的研究和工業應用情況來看,多相流量計應能夠滿足精度要求,具有可靠性高、易維護的特點,尤其是用于井下的多相流測量,必須滿足耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、體積小、可靠性高和免維護等條件m。    多相流量計控制方案的發展過程,是現代自動控制理論的不斷發展,以及網絡技術、小波分析理論等的不斷成熟和融合的過程口11門。隨著多相流理論模型的不斷完善和發展,多相流量計必將越來越小型化、智能化,并具有準確度高、成本低、結構緊湊、通用性和安全性能高等特點。此外,多相流量計未來的發展方向還包括分析流體介質組成,如蠟含量、水合物、化學組分全盤下。

4、結語:
   從理論提出到實踐應用,多相流量計己經歷了30年的發展歷程,其產品的商業化程度越來越高,潛在的市場需求也越來越大。然而,任何一種多相流量計,都不可能在所有的多相流條件下均表現出***佳的工作性能。現有的各種多相流量計實際能達到的測量準確度和適用范圍都有一定限度,每一種流量計分別適用于特定的流量范圍或者流型,這在很大程度上限制了多相流量計技術在油氣生產實踐中的推廣和應用。因此,如何進一步提高多相流量計的測量精度并拓寬多相流量計的工作范圍,是目前多相流量計開發中所面臨的重要挑戰;作為一項真正替代傳統分離計量的新技術,多相流量計仍需不斷地完善和發展。


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