油氣多相流量計量研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢PPT通用課件

1、 中國石油大學（華東）儲運工程研究所2012.5多相流計量技術研究現(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 傳統(tǒng)的計量方法是把油井產(chǎn)物送入三相分離器，由分離器將其分成油、氣、水三相，通過安裝在分離器各相出口管線上的流量計，計量三種流體的產(chǎn)量。缺點：（1）需要布置復雜的管線、閥門，設計施工任務重，投資大；（2）無法實時

2、獲取井口油氣水各相流量。（1）占地面積小、工藝流程布局簡單；（2）對油氣進行連續(xù)、在線、自動測量，可實現(xiàn)無人值守，便于實時監(jiān)控油氣生產(chǎn)動態(tài)和精細化管理。（3）投資少，操作費用低。 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、計量管線以及計量匯管，具有如下優(yōu)點：用途油井產(chǎn)量測試生產(chǎn)監(jiān)控產(chǎn)量調配二、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

3、量測量基本方程(1）射線吸收測量相分率技術 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。根據(jù)射線的吸收程度，可得出流體混合物的密度，進而計算出多相流的各相分率。2、相分率測量技術（2）電法測量相分率技術 根據(jù)氣液相混合物中兩相介質的介電常數(shù)和電導率差別，測量出混合物中的氣液相分率?？煞譃殡娙莘ê碗妼Хā＃?）微波衰減法測量微波衰減法主要用于測量含水體積分數(shù)，因為某一固定頻率的微波經(jīng)過不同含水體積分數(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數(shù)有關。 是世紀年代初首先由西方發(fā)達國家開始研究開發(fā)，主要用于工業(yè)管道多相流測量它類似于醫(yī)學領域應用的 技術，通過檢測陣列電極電

4、容變化，反映管道中多相介質介電常數(shù)分布，從而構造出管道中各相介質的分布圖像，如石油輸送管道中油水氣各相介質濃度分布。（4）電容層析成像技術 沿多相流管道相隔一定距離布置 2個特性相同的傳感器，分別檢驗多相流相分率和相空間分布等變化的隨機流動噪聲信號。根據(jù)相關技術確定上下游噪聲信號的渡越時間，即可求得相關速度。多相流相分率及壓力信號可作為流動噪聲信號進行相關處理。常用傳感器有測量相分率信號的射線和電容/電導傳感器及測量壓力信號的壓力變送器等。3、 流速測量技術（1）相關法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，認為各相流速均勻一致，由流速與壓降的關系即可測得

5、流速。文丘利管法就是當前使用最多的多相流量測量法。文丘利管結構簡單，體積小，維護方便。（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雜多變;（2）各相流動速度不一致；（3）相與相之間存在質量、動量和能量交換；水平管內流型豎直管內流型 多相流量計的研究始于六十年代，從80年代初至今，國內外多相流計量技術的開發(fā)和應用取得了重要的進展，多相流量計不僅在陸上，在海洋平臺甚至水下都得到了運用。 國內： 蘭州海默公司的FJ-104型

6、、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； 西安交通大學的TFM-500型多相流量計。三、多相流量計研究進展（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）、油氣多相計量技術分類（三）. 分離式

7、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-liquid cylindrical cyclone，管柱式氣液分離器，由美國Tulsa大學最先研制推出。GLCC照片工作原理：由一個傾角向下的管道切向進入分離器，在旋轉產(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，進入液體測量管道，上方氣體進入氣相測量管道，隨后氣液重新混合。（2） phase dynamics 多相流量計（3

8、）海默低產(chǎn)油井測量裝置 氣液兩相流經(jīng)裝置入口，首先進入除沙器，而后進入氣液旋流分離器，實現(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量流量計和含水儀實現(xiàn)液量測量和含水測量； 氣體由安裝在排氣管路上的旋渦流量計進行測量。 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。完全分離方法特點：優(yōu)點：當氣液相能實現(xiàn)完全分離，測量不受多相流波動的影響，精度高。缺點：由于要對氣液進行完全分離，分離設備體積龐大，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

9、液作任何分離的情況下實現(xiàn)油、氣、水三相計量, 其技術難度主要體現(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：結構較為緊簇，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。該多相流量計結構緊湊，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

10、分組成?；旌涎b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流。多源伽馬計由一個伽馬同位索和一個耐震探測器構成，用來確定油、氣、水各自的體積百分數(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相結合，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，結構復雜，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，結構復雜，壓力損失較大，而且有可動部件和

11、電控閥門。不分離多相計量方法特點：優(yōu)點：不需分離設備，體積小；缺點：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測量相分率利用文丘里與單能咖瑪組合形成一個獨立的測量單元，測量氣液流體總流量。 雙能咖瑪測量儀測量油水混合液中的含水率。應用：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

12、氣和液體進行測量。工作原理采用低能伽馬射線吸收技術測量氣液兩相相分率； 采用文丘里技術測量氣液總流量； 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現(xiàn)了對多相流量計測量下限的全覆蓋，進一步拓展了測量范圍，提高了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，同時結合密度測量，以此得出油、氣、水混合物各相的質量流量。 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，這樣就不會對管線內的混合物產(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、

13、碳原子和氧原子進行計數(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。將兩種測量結果相結合便可精確地計算出管線內的流量。 8、 AEA技術公司的脈沖式多相流量計（三）部分分離多相流量計 原理： 首先采用預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：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

14、： 未能將氣液混合物完全分離，故實際上對提高測量精度的作用是有限的。特點：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） 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主流體的關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、

15、特點3、關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)定和確定的關系，即右式的分流系數(shù)應保持恒定或有確定的變化規(guī)律。而實現(xiàn)這一目標的關鍵在于設計合適的分配器。 利用T型三通的相分離特性,從被測氣液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

16、和取樣裝置兩部分組成，取樣管深入主管內部，取樣口正對來流方向。氣液兩相流體首先在混合器內進行加速、混合，然后在混合器出口分成兩部分，一部分（分流體）直接進入取樣管，另一部分（主流體）則流入下游管道。（3）轉鼓型取樣器 轉鼓型分配器的核心部件是一個轉鼓，轉鼓通過轉軸支撐在軸承座上，可以繞軸自由旋轉。 轉鼓外形為圓柱體，內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。 當兩相流流過轉鼓時會沖擊轉鼓高速旋轉，在轉鼓旋轉過程中，各通道的入口截面不斷掠過上游流通截面上的每一點，使每一點上的兩相流體都能機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鼓

17、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，分流系數(shù)保持為常數(shù)。（4）轉輪型分配器 轉輪分配裝置由轉輪以及分流體收集室兩大部分組成。轉輪的外徑為100mm，內部包含3個流道，流道的出口角為70。 流道的輪廓為螺旋線，多相流體流過流道時產(chǎn)生旋轉力矩，驅動轉輪旋轉。轉輪位于中心,圍繞轉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，每個取樣口兩側布置一組格柵。轉輪分配器結構示意圖 設置隔柵的目的是將旋轉流道出口噴出的兩相流體從取樣口導入收集環(huán)室，防止進入主流回路的流體進入分流回路。 轉輪型分配器結構內部轉輪實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輪

18、分配器流量測量原理 轉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，也就是轉輪旋轉一周的時間，t為一個周期內的“取樣”時間，(相當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測主管流量 分時比大小只取決于轉輪和支路通道的幾何參數(shù)，而與轉速和流體的物性無關。當轉速變化時，旋轉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輪分配器瞬態(tài)響應特征 分流體氣液相流量能快速跟

19、蹤上主管氣液相流量的變化。因此轉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、多相流量計認證機構 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的標準和規(guī)范。 挪威幾家多相流量計廠商聯(lián)合幾個大石油公司共同編寫了一套多相計量手冊（handbook of Multiphase flow metering),對多相計量有關技術問題進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，正在制定有關規(guī)范和標準。1、多相流量計測試現(xiàn)狀（1）英國國家工程實驗室（NEL） NEL油氣水三相流量測試和標定裝置它是世界上唯一的多相流量計標定裝置，具有較高的知名度和權威性；2、多相流量計測試實驗室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及多相流量計、多相混輸泵原理樣機的半工業(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液測試標定裝置是目前世界上唯一一套高壓多相標定裝置，具有壓力高、規(guī)模大、量程寬等特點；（4）美國Conoco多相流標定裝置也是一種采用原油、天