油井多相流計量技術研究進展

張絲雨*，Henry Miao，吳浩達，檀晨

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油井多相流計量技術研究進展

張絲雨1*，Henry Miao2,3，吳浩達1，檀晨3

(1.中國石油大學（北京），北京昌平，102249；2. Rally Industries Group Inc. , Calgary, Alberta, Canada；3.安徽中控儀表有限公司，安徽池州，247210)

多相流計量技術研究近年來發展迅速。油田作為多相流計量技術應用的重點領域，面臨油氣水三相流體，多相流的計量一直是油井產量計量研究中的熱點和難點問題。本文調研了國內外多相流計量技術的研究及應用概況，介紹了多相流的計量技術原理、測試和評估等，并對其存在問題和發展趨勢作了簡要闡述，為更好地研制低成本、高精度的智能化油井多相流在線計量系統提供技術思路和具體方法。

多相流；在線計量；分相測試；虛擬計量；發展趨勢

引言

在原油開采過程中，需要對油井產出液中各組分的體積流量或質量流量進行連續的計量，以確定各油井的原油、天然氣產量，掌握地層油氣含量及地層結構的變化。通過提供的實時計量數據，可為生產管理提供參考，從而優化生產參數、提高采收率[1]。傳統的分離計量技術流程復雜，已無法滿足連續計量的需要[2]。多相流計量是指在沒有預分離的情況下，對油井產出液中的油、氣、水進行計量，是多相混輸的關鍵技術之一[3]。多相流技術的發展，實現了原油的多相流計量，相對于傳統的分離計量方法，取得了極大的進步。多相流量計可提高多相流計量精度、自動化和管理水平，擴大多相流計量的適用范圍，提高多相流量的計量效率和經濟效益。因此對多相流計量技術的研究具有重要意義。

本文針對工業過程中常見的多相流計量技術和參數檢測問題，從流量檢測和相含率檢測兩個方面進行綜述，并闡述多相流的存在問題及發展趨勢。

1 國內外多相流計量的研究概況

近年來，多相流計量技術研究得到迅速的發展。自二十世紀六十年代，人們就對多種存在形式的流體在同一輸送管中的輸送狀態進行了研究，但礙于當時的技術條件限制，未能取得實質性的成果。二十世紀七八十年代，美國的Tulsa大學在其流體流動工程環道和挪威的SINTEF環道上對多相流計量方面展開了研究[4]。八十年代中期英國石油公司、美國德士古公司相繼發表了第一批關于多相流量計量的論文[5]，并研制出了第一代多相流量計。目前，大多數多相計量儀表價格極其昂貴，僅供各公司進行實驗研究，難以實現商業化產品[6]。

國內方面，西安交通大學、中國石油大學等高校進行油氣水多相流量計的設計和研發，并取得了一些理論成果，但這些研究多處于實驗室試驗階段，難以實現工業應用。大慶油田、華北油田采油工藝研究院建立相關項目，成功搭建了多相流檢定、測試平臺，為國內的多相流量測控系統的研制提供了實驗平臺。截止目前為止，蘭州海默科技公司、蘭州科慶儀器儀表公司等也相繼研發出了適合于油田現場使用的多相流量測控系統。

2 多相流參數測試方法

為實現油氣水三相流量的計量，可從多相流體的總流量、多相流體的分相含率兩個主要方面著手進行研究。

2.1 流量檢測方法

多相流流量可用質量流量或者體積流量來表示，其計量可以直接測量，或是通過測量流速來得到流量。多相流流量計量的方法有多種，有發展自單相流檢測儀表的檢測方法和基于多相流特性的新興計量方法。以下僅對一些常用的計量方法進行介紹。

（1）差壓法

該方法基于伯努利方程原理，在流體的流通管路中安裝改變流通截面的節流裝置，由伯努利方程可知，當流體流過節流裝置時，由于流通面積的縮小，在節流裝置前后會產生壓力差[7]。假設節流裝置的流通面積為A，流過節流裝置的流體密度為ρ，則節流裝置處流體的流量為：

(2)

式中qv為流體的體積流量，qm為質量流量，K為系數，與流體特性和節流裝置的結構有關。

差壓法主要應用于單相流體的流量計量，在對其在多相流計量中的應用進行大量研究后，發展出很多適用于多相流測量的模型[8]。James R.,Chisholm D.和Murdock J.W.等給出了應用孔板測量氣液兩相流量的公式，由于氣液兩相流量的計算公式均為經驗式或半經驗式，其使用范圍十分有限。Chisholm D.和林宗虎公式使用范圍較廣。李海清應用雙孔板和長頸文丘里管測量兩相流量，并給出其測量原理及計算公式。Abdullah Buhidma等通過楔形流量計和分段的孔板流量計組合測量得到水包油型乳濁液的流量，經試驗知，該方法對于兩相流乳濁液的測量是可行的[9]。

文丘里流量計基于文丘里效應設計[10]，是當前應用最廣泛的差壓流量，其最大的特點是易使流體通過。內錐式流量計由于其在濕氣檢測中有不堆積液體等優點，在多相流計量中的應用也成為研究熱點[11]。然而，應用差壓法的流量計節流組件會干擾流動狀況，同時會帶來壓力損耗。目前，差壓法已經過多年的實踐應用，在標準上已經建立了相應的指導原則，可盡可能避免在實際應用中出現問題。

（2）速度法

速度法利用測量流速來計算得到流量的測量方法。當流體充滿管道時，假設通過測量得到管道截面處流體的平均流速為，A為管道橫截面積，則通過管道截面的流體流量為：

常見的利用速度法計量流體流量的計量裝置有渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲流量計以及互相關測速法等。渦輪式流量計在油水兩相檢測中要考慮油相黏度和油相含率的影響，在使用前應對儀表系數進行標定，但流型對渦輪式流量計影響較小，可與其他測量手段聯用以獲得油氣水多相流的分相流量。渦街式流量計在檢測氣液兩相流時渦街發生的頻率受相含率影響很大，當相含率高于18%時，難以從氣液兩相流的復雜界面波動中提取出有效的渦街頻率信息。電磁式流量計在多相流檢測中要求連續相可導電，其測量精度受多相流速度廓形以及流型影響[13]。相關流速測量技術是以隨機過程的相關理論和信息論為基礎發展起來的一種流動參數檢測技術。宋文衛等應用電容相關法測量了不同流態的流量，結果表明，由相關法得出的泡狀流、彈狀流相關氣體速度和真實氣體速度符合較好，而檢測得出的塊狀流相關速度的統計平均值與氣相速度符合較差[14]。互相關測速法在多相流檢測中的應用較廣，研究人員已提出很多理論與模型，但其測量值所代表的物理含義問題仍未解決。

（3）容積法

容積法是利用具有固定容積的標準容器對流過計量裝置的流體進行反復測量，已知該標準容器的容積值，通過檢測標準容器的測量次數，可以得到流過該流量計量裝置的體積流量。從原理上講這種流量計在測量體積流量時不受流體密度和粘度的影響。

假設標準容器的體積為v（單位m3），單位時間內標準容器的計量次數為n，則在流過流量計量裝置的流體體積流量qv為：

容積法可計量流體的總流量，其應用范圍包括濕氣、氣液以及油水兩相流[15]。容積法計量技術有精度高、調節比大、信號輸出與流量成比例等優點。但鑒于其體積龐大、結構復雜，流體含有顆粒及雜質時影響計量精度，在使用時會對管路有阻塞作用，易引起流體的脈動，易受流動對象腐蝕等不足，目前這種方法使用得越來越少了。

（4）質量法

質量流量是石油化工等工業中的重要指標，對其檢測方法總體可分為直接式、間接式和補償式[16]。

直接式質量流量測量方法是指能夠通過測量直接得到流體的質量流量參數的計量方法；間接式質量流量測量方法可同時檢測流體介質的體積流量qv和密度ρ，或者同時用兩種不同類型的流量計測量流量（如差壓式流量計和容積式流量計），然后通過運算器計算出與介質質量流量相關的信號輸出；補償式質量流量測量方法首先檢測介質的體積流量，同時獲取介質溫度、壓力等相關參數，根據介質密度與溫度、壓力的函數關系，通過補償計算得到介質在該狀態下的密度值，最后將體積流量轉換質量流量輸出。

Li和Lee在1953年利用克里奧立效應測量氣液兩相流的質量流量，研究表明，振動、旋轉管道中的克里奧立力與流經流體的質量流量呈線性關系。然而，克里奧立流量計在多相流的檢測應用中仍存在一定的局限性，例如零位漂移、壓力損失、密度和溫度的影響問題等，且只有當氣液兩相充分混合的情況下才能達到單相流的檢測精度，不適用于測量低密度介質[17]。作為一種新興的流量檢測手段，克里奧立質量流量計仍需時日加以完善。間接式質量流量測量系統由濃度計、體積流量計和微機積算儀組成，結構復雜，成本昂貴，國內外均已取得間接式質量流量計的成果，但自動連續測量的濃度計品種單一，影響了間接式質量流量計的推廣應用。

2.2 相含率檢測方法

準確采集或計算多相流中各相的分相含率是多相流量測控的重點和難點，常用的多相流分相含率檢測方法有快關閥門法、射線法、微波法、電學法及其他方法。

（1）快關閥門法。在多相流測試管段的進口端和出口端各自安裝一個快關閥。使油氣水多相混合物在測試管段穩定流動，此時同時關閉進口端和出口端閥門，通過重力作用使氣液分離，然后再分別計量氣相和液相的流量，從而得到氣相和液相的體積含率。這種方法簡單易操作，是目前實驗室進行多相流分相含率研究的主要方法[18]。

（2）射線法。射線源從流通管道一端發出射線，在另一端收集射線，由于流體吸收了部分射線的能量，其吸收的程度與多相流的分相含率有關，因此可以通過采集射線的吸收量參數來檢測油氣水多相流的分相含率[19]。

射線法計量準確度較高，盡管高強度射線可減少計量時間，但由于其含有放射源物質，需要平衡其檢測時間與放射精度，并尋求更好的防護手段防止對周圍環境的破壞。射線法受流型影響很大，只有當各相均勻混合時，相含率的檢測精度才較高。針對這一問題，現已發展出一種基于多射線束的技術，該系統結構復雜，成本高而使其使用范圍受限，但因其檢測精度很高，多用在多組分流動的檢測上[20]。目前，已發展出基于射線法的高速層析成像系統，可實現兩相流流量過程參數檢測。

（3）微波法。微波法的原理是當微波通過多相流體介質時，流體介質會發生極化現象，從而造成微波的能量衰減，不同介質造成微波能量衰減的程度不同，因此可通過測量微波的衰減值來測量多相流體的特性[21]。微波法傳感器按照應用可分為透射傳感器與層析成像傳感器等類別[22]，微波層析成像檢測方法也可提供被測流體截面內的相分布特性[23]。

微波法具有非侵入、無輻射、不破壞環境以及穩定性高等優勢。實驗證明，當介質一定時，微波法在計量多相流體的含水率上具有較高的精度。但其造價相對較高且標定復雜，此外微波法的適用性較弱，也需要額外的傳感器提供測量的補償。

（4）電學法。根據測量元件的結構形式不同，電學法可分為電容法、電導法。電容法主要是利用水相、油相、氣相的介電常數相差較大，通過測量一定長度管道內多相流體的電容率，便可以得到油氣水三相分相含率的關系式。電容法結構簡單，具有一定穩定性[24]，直接接觸流體，保證了計量的精度，近些年在油田現場應用較為廣泛。但高含水時，由于水的介電常數很大，可能會造成檢測裝置測量精度的下降。電導法與電容法類似，其主要利用多相流體中各相的電導率存在差異，通過測量流體介質的導電特性來確定油、氣、水三相分相含率的關系。

電學法具有一定的理論基礎，現場應用效果良好，在均勻混合流動下的檢測精度較高，但是由于油相和氣相不導電，當多相流體中水相的含率較低時，該方法的應用難度較高，計量誤差較大，并且需要在與應用條件接近的條件下對儀表進行標定以獲得理想的結果。

（5）其他方法。其他可用于多相流相含率檢測的技術包括超聲法、熱學法、光學法、密度法、差壓法以及核磁共振法等，但均受限于某些特定的應用范圍。

3 多相流計量技術原理

在多相流計量領域內，采用單相流儀表的檢測技術稱為直接測量，而間接測量則是采用新興的軟件測量的方法。直接測量技術按計量方式又可分為完全分離技術、部分分離技術與在線不分離技術。目前國內外主要多相流量計類型見表1。

表 1 國內外主要多相流量計類型

（1）完全分離技術

在井液進入計量裝置進行氣液分離后分別計量氣液兩相的流量，測出液相的含水率，求出油氣水各相的流量。Texaco公司的SMS多相流量計是較早用于現場測試的完全分離式流量計，該流量計計量精度能達到含水率±5%，油和水流量±4%-±5%，氣體流量±10%。Accuflow 公司的一款完全分離式流量計可先將氣相從三相流中分離，并在測量完成后再將各相混合。目前其計量精度為液相流量1%、氣相流量5%及含水率1%。由于完全分離技術對氣液進行完全分離，需要多臺單相流檢測儀表，大幅度的增加了油田的開發成本，將其改進后的則為部分分離技術。

（2）部分分離技術

采用預分離裝置將氣液兩相分離，測定油氣水各相的體積分數，通過計算獲得油氣水各相的流量。Jiskoot 公司開發的部分分離式流量計通過檢測混合器前后壓力差計算流量，由單射線源雙能γ測定相含率。其在0-100%的含水率、0-90%的含氣率以及1 m/s-30 m/s流速范圍內的計量精度達到相含率±5%、速度±10%。部分分離技術與完全分離相比，具有體積小、計量難度低等優點，更接近實時的測量，但該技術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。

（3）在線不分離技術

在線不分離技術取代了傳統的分離方法，無需分離即可對管道中的多相流量與相含率進行測量。下面主要介紹示功圖法和微差壓法兩種新興的在線不分離技術及阿爾法VSRD和Vx兩種在線不分離式多相流量計。

實時示功圖分析確定油井產量是一項創新的技術，該技術提出了可由SCADA系統收集的示功圖準確地推導出單井的實時產量。通過求解波動方程，將系統的示功圖轉換為井下示功圖（如圖1），進而分析定位閥的啟閉點，進行非線性和無約束優化，準確地確定有效沖程和液體漏失，從而獲得的油井產率[25]。目前，有桿抽油系統是應用最廣泛的人工舉升方法，利用井身位移和荷載作用的示功圖分析油井泵的工作狀態進而優化油井產量已成為一種重要的分析方法。該技術已成功地應用于大港、華北、大慶、遼河、新疆、吐哈等多個油田的170口油井，且平均測量誤差僅為6.66%。示功圖計量技術比傳統的非連續計量方法更加符合油田當前的生產管理，可以實時確定單井的生產速率，顯著改善目前低油價環境下管理邊際油田的成本。

油井微差壓多相流在線計量的原理是通過安裝在油井井口處的智能微差壓計量裝置（如圖2）精確測得節流壓差數據，對多相流體的流出系數、可膨脹系數通過應用Reader-Harris/Gallagher方法進行修正計算，利用溫度補償、壓力補償等方式，同時結合每口井的含水率及密度數據對多相流計算結果進行精確修正，

最后針對不同含水率、不同氣油比的情況，由多相流節流流量計算模型可準確計算出油井產液量[26]。

油井多相流流量計算模型如下：

式中：

Q—流體的體積流量，單位m3/d；（工況下總流體的體積流量）；η—在線補償系數（根據實測溫度、壓力在線計算）；C—流出系數，無量綱；ε—被測介質的可膨脹性系數，對于液體ε=1，對氣體、蒸汽、溶解油等可壓縮流體ε<1，無量綱；d—工作狀況下微差壓計的等效開孔直徑，單位mm；△P—節流差壓，單位MPa；β—直徑比，無量綱，β=d/D，D—管線直徑，單位mm；ρ—工作狀況下，節流前上游處混合流體的密度，kg/m3。

圖2 微差壓油井多相流測控系統

威德福公司的阿爾法VSRD 是多相流計量領域的一項技術突破，由文丘里流量計、聲納流量計、Red Eye MP 含水測量儀和伽馬密度計組成，如圖3所示。聲納流量計利用一組的動態應力傳感器來測量旋渦流，通過文丘里流量計測量收縮管部分的靜壓差。Red Eye MP 原油含水率儀是一個采用近紅外法來測量液體或多相流中水含量的過濾器光譜儀。伽馬密度計使用微放射源，通過測量其在工藝管道的衰減情況，來計算管道中氣液含量。阿爾法VSRD集合以上四項技術成為測量氣、油、冷凝物和水分相含率的結實耐用且功能齊全的多相流量計。該組合裝置有廣泛的應用范圍，可適應于任何氣液比，是濕氣和多相流計量的結合，這一特點對于分析在以氣體為主相和以液體為主相之間進行波動的流體的流動變化規律起到關鍵作用，提高了流量計量精度，降低對不同流體性質的敏感度，減少頻繁校核的需求。

斯倫貝謝公司研發的Vx多相流量計的核心部件由文丘里管與多能級伽馬射線儀組成，如圖4所示。在計量過程中，通過安裝在文丘里管上的壓力和壓差式傳感器來測算單井來液的質量流量，不受流量、相持率以及壓力的影響，可以快速采集數據，實現實時計量。流量計設計符合API標準，井口來液在流量計內的壓力損失為0.002-0.02Mpa，遠低于常規試油分離系統的壓力損失，能夠反映單井生產情況。單井來液無需進行三相分離，不在流量計內停留，不需要加熱設備，降低了能源消耗，減小了CO2的排放。流量計上游安裝有一個T型盲管，當管內液體流經T型盲管時，使液流形成穩態進入文丘里管，減少了井口來液波動造成的影響，以確保精確測量。單井來液的組分可由多能譜伽馬探測儀實時測定。從Vx多相流量計在英東油田的試驗情況來看，該流量計使用的文丘里管與多能級伽馬射線相結合的計量方式精度較高，能夠準確地分析產液的三相組分，可以應用于多種復雜工況條件下，可在高壓、高溫以及氣體凝析物、結垢、泡沫和乳化條件下高效工作，能確保對從重油到濕氣范圍的任何多相流體進行可重復性的流量測試。

在線不分離技術無需分離設備、體積小，可實時、連續測量，儀表具有良好的穩定性，在采油生產中，尤其在海洋石油和油井測試中具有很大的潛在效益。其計量技術難度主要在于測量時受流體波動的影響，精度低，并且目前無標準的標定裝置對多相流量計的計量精度進行檢定，無主流的標準、法規支持。因此，無需任何預處理手段的在線不分離式流量計已成為多相流計量領域的研究熱點，也是多相流量計的主要發展方向。

圖3 阿爾法VSRD多相流量計

圖4 Vx多相流量計核心結構

4 多相流量計測試與評估

多相流量計的測試與評估是一項十分復雜的工程，包括在實際工作條件下氣相流量、液相流量、含水率、含氣率等參數的測量準確度和測量范圍等多項指標[27]。由于目前對多相流的流動機理與檢測原理研究還有待深入，因此實現多相計量技術評估方法的標準化與規范化仍是計量學需要解決的問題。目前，多相流量計正在處于發展階段，國際上還沒有統一的標準與規范。美國石油學會成立了多相流量計測試委員會，并于2013年1月發布了“石油計量標準手冊”。其他已發布的文件還有挪威的石油計量法規和由英國氣候與能源變化部規定的石油計量規范[28]。

鑒于現階段對于多相流量計國內外還沒有共同的標準與規范，對多相流量計只能進行性能評估與對比測試。國外方面，英國國家工程試驗室建造的多相流測試標定裝置是世界上唯一一個具有國家標準的多相流量計標定裝置，在世界上具有一定的知名度和權威性。挪威HYDRO公司的多相流標定裝置是一套高壓多相流標定裝置。法國FIP石油研究院的多相流測試裝置主要用于多相流模擬試驗及多相流量計和混輸泵的試驗。美國Cnooco多相流標定裝置是采用原油、天然氣、產出水為介質的現場實液標定裝置。

國內方面，中國石油華北油田采油工藝研究院油氣水三相流模擬試驗裝置是我國石油行業的第一套三相流實驗裝置。我國大慶油田工程設計技術開發有限公司建造了一套DN50型油氣水多相流量計現場實液測試校驗裝置，它直接采用油井采出液配制實驗介質，并通過了國家計量科學研究院的鑒定。

以上這些多相流測試標定裝置已成為試驗研究多相流工藝參數和多相流計量技術的重要手段之一[29]。

5 存在問題及發展趨勢

應用于油氣田開發中的多相流計量技術是一項復雜的測量技術，作為一項新技術、新產品，針對其存在問題，仍需不斷完善和改進。由于多相流體的復雜特性，市面上常見的傳統多相流量計大多只能針對某一單一流態或某種特定工況，且價格十分高昂，精度較低，難以滿足現場工程人員的計量需求。目前，油氣水多相流參數計量存在的主要問題如下：（1）多相流中各相非混合均勻，并以不同的速度流動，流動狀態非常復雜，因此多相流的動力學特性與多相流體力學理論體系還有待完善；（2）各種多相流量計的準確度和適用性都有一定限度，用單一的計量方法難以實現多種流態完整信息的獲取，仍需進一步研究適用范圍廣、精度高、便于使用的多相流計量方法（3）計量方法受流動介質物性與實際工況變化影響較大，多相流量計的標定與認證尚未得到很好解決。

石油工業領域對多相流計量技術的發展寄予了極大的期望，通過不斷發展的經驗技術的積累，我們已經開發出計量較為準確的測量系統。盡管目前多相流技術發展取得了里程碑式的發展，但隨著石油工業水平的不斷提高，對多相流計量精度的要求也在不斷提升。未來多相流計量方法將向以下幾個方面發展：（1）利用現代信息處理技術，應用智能化的測量方法進行數據處理，致力于智能油田多相流量計系統的開發；（2）基于多傳感器數據融合技術，實現滿足各種環境下的結構簡單、穩定性高的多相流傳感器并提供高精度的數據；（3）多相流動過程中參數測量系統的建模，以實現多相流動態過程的描述與跟蹤；（4）可靠性高、標定方便且標定后可長時間運行的多相流檢測裝置；（5）借助計算機圖像處理技術，進行多相流動過程中多維時空分布情況的可視化檢測，以及更有效的檢測性能評價指標等。

隨著多相流計量技術的不斷發展，傳統的分離式流量計會逐步退出實際應用領域，為了確保多相流計量的準確性，將應用智能化的測量方法進行數據處理。未來應該著力于開發和研制大范圍的多相流量計，增加其普遍適用性[30]。研制和應用高精確度、高靈敏性的傳感器和參數測定儀器，進行多相流參數的校驗標定方法，誤差分析的研究等。降低成本、最大程度的減少輻射泄露、加快工業化進程，在計量領域會帶來更為可觀的經濟效益[31]。因此，多相流計量技術通過不斷發展的經驗技術的積累，將會有更為廣闊的發展空間。

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Research Progress on Multiphase Flow Measurement Technology of Oil Wells

ZHANG Siyu1*, Henry Miao2, 3, WU Haoda1, TAN Chen3

(1.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;2.Rally Industries Group Inc. , Calgary, Alberta, Canada;3. Anhui FirstCon Instrument Co., Ltd, Anhui247210, China)

The research of multiphase flow measurement technology has developed rapidly in recent years. As the key field of multiphase flow measurement technology, facing with three phases of oil, gas and water, the measurement of multiphase flow has been a difficult issue in the research of oil production. This paper investigates the research and application of multiphase flow measurement technology, introduces its principle, measurement and evaluation. The existing problems and development trend are briefly described, and the technical ideas and specific methods for the development of intelligent and low cost multiphase flow measurement system for oil well are presented.

multiphase flow; online measurement; multiphase test; virtual measurement; developing trend

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.02.04

TP3

A

1672-9129(2017)02-0021-07

2016-11-13；

2016-12-25。

張絲雨(1993-)，女，天津，碩士研究生，主要研究方向：采油工程及工業計量。

Email：723153532@qq.com

引用：張絲雨, Henry Miao, 吳浩達, 等. 油井多相流計量技術研究進展[J]. 數碼設計, 2017, 6(2): 21-27.

Cite：Zhang Siyu, Henry Miao, Wu Haoda, et al. Research Progress on Multiphase Flow Measurement Technology of Oil Wells [J]. Peak Data Science, 2017, 6(2): 21-27.