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1、 中国石油大学（华东）储运工程研究所中国石油大学（华东）储运工程研究所2012.52012.52012.52012.5多相流计量技术研究现状及发展趋势报告人：1. 气液两相流广泛存在于石油、气液两相流广泛存在于石油、化工、核能等许多工业领域。存化工、核能等许多工业领域。存在两相流动的系统中两相流体的在两相流动的系统中两相流体的流量计量一般是难以回避的，也流量计量一般是难以回避的，也是一直未能很好解决一个难题。是一直未能很好解决一个难题。 近年来随着石油价格上涨，近年来随着石油价格上涨，能源紧缺问题日益突出。各国都能源紧缺问题日益突出。各国都在加大对海上和沙漠油田的开发，在加大对海上和沙漠油田的
2、开发，对多相流量的计量需求也更加迫对多相流量的计量需求也更加迫切。切。多相流量计增长速率多相流量计增长速率一、 为何要采用多相流量计2. 传统的计量方法是传统的计量方法是把油井产物送入三相分把油井产物送入三相分离器，由分离器将其分离器，由分离器将其分成油、气、水三相，通成油、气、水三相，通过安装在分离器各相出过安装在分离器各相出口管线上的流量计，计口管线上的流量计，计量三种流体的产量。量三种流体的产量。缺点：缺点：（1 1 1 1）需要布置复杂的管）需要布置复杂的管线、阀门，设计施工任线、阀门，设计施工任务重，投资大；务重，投资大；（2 2 2 2）无法实时获取井口）无法实时获取井口油气水各相
3、流量。油气水各相流量。3.（1 1 1 1）占地面积小、工艺流程）占地面积小、工艺流程布局简单；布局简单；（2 2 2 2）对油气进行连续、在线、）对油气进行连续、在线、自动测量，可实现无人值守，自动测量，可实现无人值守，便于实时监控油气生产动态和便于实时监控油气生产动态和精细化管理。精细化管理。（3 3 3 3）投资少，操作费用低。）投资少，操作费用低。 采用多相流流量计直接计量采用多相流流量计直接计量油井各相流量可以取消计量油井各相流量可以取消计量用分离器、计量管线以及计用分离器、计量管线以及计量汇管，具有如下优点：量汇管，具有如下优点：4.用用途途油井产量测试油井产量测试生产监控生产监控
4、产量调配产量调配5.二、多相计量原理各相在管道截面上所占据的面积各相在管道截面上所占据的面积SiSiSiSi；各相沿管道轴线的流速各相沿管道轴线的流速vivivivi；各相温度各相温度TiTiTiTi，压力，压力PiPiPiPi质量流量（质量流量（i i i i）= = = =面积（面积（i i i i）* * * *密度（密度（i i i i）* * * *速度（速度（i i i i）对于油、气、水三相，只需要测量其中两相面积。对于油、气、水三相，只需要测量其中两相面积。对于混合均匀的弥散流，只需测量其中一相速度。对于混合均匀的弥散流，只需测量其中一相速度。多相流量计：能够同时获得被测管道气
5、液各相流量的装置。多相流量计：能够同时获得被测管道气液各相流量的装置。1 1、流量测量基本方程6.(1(1(1(1）射线吸收测量相分率技术）射线吸收测量相分率技术 射线穿过多相流体时受到流体吸收，吸收的程度与多相流射线穿过多相流体时受到流体吸收，吸收的程度与多相流的密度有关。根据射线的吸收程度，可得出流体混合物的密度，的密度有关。根据射线的吸收程度，可得出流体混合物的密度，进而计算出多相流的各相分率。进而计算出多相流的各相分率。2 2、相分率测量技术7.（2 2）电法测量相分率技术）电法测量相分率技术 根据气液相混合物中两相介质的介电常数和电导率根据气液相混合物中两相介质的介电常数和电导率差别
6、，测量出混合物中的气液相分率。可分为电容法差别，测量出混合物中的气液相分率。可分为电容法和电导法。和电导法。（3 3）微波衰减法测量）微波衰减法测量微波衰减法主要用于测量含水体积分数，因为某微波衰减法主要用于测量含水体积分数，因为某一固定频率的微波经过不同含水体积分数的液相，可一固定频率的微波经过不同含水体积分数的液相，可以产生不同的衰减，亦即衰减幅度与含水体积分数有以产生不同的衰减，亦即衰减幅度与含水体积分数有关。关。8. 是世纪年代初首是世纪年代初首先由西方发达国家开始研究开先由西方发达国家开始研究开发，主要用于工业管道多相流发，主要用于工业管道多相流测量它类似于医学领域应用测量它类似于医
7、学领域应用的的 技术，通过检测阵列技术，通过检测阵列电极电容变化，反映管道中多电极电容变化，反映管道中多相介质介电常数分布，从而构相介质介电常数分布，从而构造出管道中各相介质的分布图造出管道中各相介质的分布图像，如石油输送管道中油水气像，如石油输送管道中油水气各相介质浓度分布。各相介质浓度分布。（4 4 4 4）电容层析成像技术）电容层析成像技术9. 沿多相流管道相隔一定距离布置沿多相流管道相隔一定距离布置 2 2 2 2个特性相同的传感器，个特性相同的传感器，分别检验多相流相分率和相空间分布等变化的随机流动噪声分别检验多相流相分率和相空间分布等变化的随机流动噪声信号。根据相关技术确定上下游噪
8、声信号的渡越时间，即可信号。根据相关技术确定上下游噪声信号的渡越时间，即可求得相关速度。多相流相分率及压力信号可作为流动噪声信求得相关速度。多相流相分率及压力信号可作为流动噪声信号进行相关处理。常用传感器有测量相分率信号的射线和电号进行相关处理。常用传感器有测量相分率信号的射线和电容容/ / / /电导传感器及测量压力信号的压力变送器等。电导传感器及测量压力信号的压力变送器等。3 3、 流速测量技术（1）相关法tT+tLV=L/ t10.11. 流体通过节流件（如孔板、流体通过节流件（如孔板、文丘利管和喷嘴）时会产生压文丘利管和喷嘴）时会产生压降，认为各相流速均匀一致，降，认为各相流速均匀一致
9、，由流速与压降的关系即可测得由流速与压降的关系即可测得流速。文丘利管法就是当前使流速。文丘利管法就是当前使用最多的多相流量测量法。文用最多的多相流量测量法。文丘利管结构简单，体积小，维丘利管结构简单，体积小，维护方便。护方便。（2）节流法12.4 4、多相计量面临的挑战 从井口出来的介质很少是单一的气相或液相，而是气液混合物。与单相流体流量测量相比，多相流量测量难度要大的多, ,主要是多相流动特性与两相流有很大不同：（1 1）气液相在管截面上具有不同的分布形式复杂多变; ;（2 2）各相流动速度不一致；（3 3）相与相之间存在质量、动量和能量交换；13.水平管内流型14.竖直管内流型15. 多
10、相流量计的研究始于六十年代，从8080年代初至今，国内外多相流计量技术的开发和应用取得了重要的进展，多相流量计不仅在陆上，在海洋平台甚至水下都得到了运用。 国内： 兰州海默公司的FJ-104FJ-104型、MFM2000MFM2000型、MFM2000-YMFM2000-Y型、MFM2000-HMFM2000-H型油气水三相流量计和Mobile MFM2000Mobile MFM2000型车载式多相流量计； 华北油田钻井研究所的SXLSXL1 1型油气水三相流量计； 西安交通大学的TFM-500TFM-500型多相流量计。三、多相流量计研究进展（一）、多相流量计发展历程16.国外：挪威Flue
11、ntaFluenta公司19001900系列多相流量计；MFIMFI公司LPLP型多相流流量计；FramoFramo公司的MPFMMPFM型多相流量计；KOSKOS公司的MCF351MCF351型多相流量计；TexacoTexaco公司的 SMSSMS多相流量计。17.（二）、油气多相计量技术分类18.（三）. . 分离式多相流量计将多相流体只分为气相和液相，使用一台单相气体流量计测量气体流量，使用一台单相液体流量计测量液体流量，液相含水率可用一台在线水组分测量仪完成。 工作原理：19. GLCCGLCC多相流量计工作原理（1 1）GLCCGLCC多相流量计GLCCGLCC（gas-liqui
12、d gas-liquid cylindrical cyclonecylindrical cyclone，管柱式气液分离器，由美国TulsaTulsa大学最先研制推出。20.GLCC照片工作原理：由一个倾角向下的管道切向进入分离器，在旋转产生的离心力以及重力作用下发生分离，形成一锥状气液界面，液相沿着分离器壁沉积在底部，进入液体测量管道，上方气体进入气相测量管道，随后气液重新混合。21.（2 2） phase dynamics phase dynamics 多相流量计22.（3 3）海默低产油井测量装置 气液两相流经装置入口，首先进入除沙器，而后进入气液旋流分离器，实现气液分离； 在分离器液体积
13、聚段配备有液位计，通过液位计控制液路排放阀排放液体，排液管路上安装的质量流量计和含水仪实现液量测量和含水测量； 气体由安装在排气管路上的旋涡流量计进行测量。 适用于产量低、间歇产液油井的测量，该装置可用于固定安装测量，也可用于移动测井服务。23.完全分离方法特点：优点：当气液相能实现完全分离，测量不受多相流波动的影响，精度高。缺点：由于要对气液进行完全分离，分离设备体积庞大，价格昂贵，这在很大程度上增加了油田的开发成本。24.（二） 非分离式多相流量计工作原理： 不分离式多相流量计是在不对井液作任何分离的情况下实现油、气、水三相计量, , 其技术难度主要体现在油、气、水三相组分含量及各相流速的
14、测定。25.1 1、英国JISkootJISkoot的MixmeterMixmeter多相流量计测量原理：压差变送器测量总流量；双能伽马密度仪测量含水率、含气率；特点：结构较为紧簇，压差损失小。26.a) = 0.4b) = 0.6c) = 0.7527.2 2、挪威ROXARROXAR公司MF1MF1多相流量计测量原理：（1 1）测速采用微波相关法；（2 2）相分率采用微波传感器和伽马密度仪；（3 3）总流量测量采用文丘里流量计。该多相流量计结构紧凑，无可动部件，压力损失较小。28.挪威FramoFramo公司的多相流量计MPFMMPFM型多相流量计由在线静态混合器、多源伽马组份计和文丘里动
15、量计三部分组成。混合装置使计量系统完全不受上游流态的影响并为计量段提供均质流。多源伽马计由一个伽马同位索和一个耐震探测器构成，用来确定油、气、水各自的体积百分数。油、气、水各自的组份根据不同伽马能的相对衰减程度计算求得。文丘里流量计与伽马组份计相结合，获得油、气、水各自的流量。 3 3、挪威FramoFramo公司的MPFMMPFM多相流量计29.测量原理：采用正排量（PDPD）流量计测定总体积流量；由2 2个文丘里管组成的双动量流量计测定含气量；微波原油含水分析仪测定含水率。系统庞大，结构复杂，压力损失较大，而且包括可动部件和电控阀门。4 4、 AGARAGAR公司的301301型多相流量计
16、30.该流量计系统相对庞大，结构复杂，压力损失较大，而且有可动部件和电控阀门。31.不分离多相计量方法特点：n优点：不需分离设备，体积小；n缺点：测量受流体波动的影响，精度低。32.6 6、海默多相流量计测量原理：采用低能伽玛射线吸收技术测量相分率利用文丘里与单能咖玛组合形成一个独立的测量单元，测量气液流体总流量。 双能咖玛测量仪测量油水混合液中的含水率。应用：该流量计已在陆上油田、海上油田使用。涠洲11-411-4东平台采用了该公司的多相流量计，是我国海上平台第一次使用多相流量计，目前正在运行中。另外，秦皇岛32-632-6油田井口平台和绥中36-136-1期井口平台的总流量计量也采用了该多
17、相流量计。（1 1）海默总量计量多相流量计33.湿气流量计适用于天然气生产井的测量，可以在不分离的状态下，对气井产出的天然气和液体进行测量。工作原理采用低能伽马射线吸收技术测量气液两相相分率； 采用文丘里技术测量气液总流量； 配套仪表测量流体的压力和温度。（2）海默湿气流量计34.组合式移动测井装置实现了对多相流量计测量下限的全覆盖，进一步拓展了测量范围，提高了移动测井装置的适用性。 （3）海默组合式移动测井装置35. 这种多相流量计由英国BPBP开发研制，ISAISA公司生产。它是根据众所周知的容积式计量原理，同时结合密度测量，以此得出油、气、水混合物各相的质量流量。 7 7、 ISAISA
18、公司的Scroll FloScroll Flo型多相流量计36. 这种多相流量计安装在管线的外侧，这样就不会对管线内的混合物产生干扰。该流量计采用一个脉冲中子束对通过管线的氢原子、碳原子和氧原子进行计数，以此测出气体、液体和固体的体积。混合物中的含水量通过对氯原子的计数求得。辐射短脉冲“触激”氧原子，同时计量以此测出混合物的流速。将两种测量结果相结合便可精确地计算出管线内的流量。 8 8、 AEAAEA技术公司的脉冲式多相流量计37.（三）部分分离多相流量计 原理： 首先采用预分离装置将气液两相分离成以气相为主（高含气率）和以液相为主（高含液率）的两股流体，然后再利用较成熟的两相流仪表分别测量
19、，最后将两股流体重新混和。38.优点：该方法缩小了流过测量仪表的两相流组分变化范围，同时也降低了流动的不稳定性和测量信号的波动性。这虽然在一定程度上缩小了计量分离器的体积，并降低了两相流测量的难度。缺点： 未能将气液混合物完全分离，故实际上对提高测量精度的作用是有限的。特点：39.1 1、原理 通过成比例的从两相流体中分流出一股两相混合物，将其分离成单相流体后，应用单相流量计测量出各相流量的大小，然后根据比例确定被测两相流体各相总流量。 （四） 分流分相式多相流量计 分流分相法原理图40. 分流分相方法通过成比例地从两相流管路中分流出一部分流体，然后根据这部分流体与管路内主流体的关系确定出主管
20、两相流量的大小。由于流量测量仪表在单相环境下工作，有效地克服了不分离法以及部分分离测量方法由于仪表受两相流波动的影响，同时分离器体积远小于完全分离时所需分离器体积，整个测量装置精度高、体积小，便于制成仪表广泛使用。2 2、特点41.3 3、关键问题为保证分流分相方法流量测量为保证分流分相方法流量测量的精确性，分流出的的精确性，分流出的分流体分流体与被测两相流体之间必须具与被测两相流体之间必须具有稳定和确定的关系有稳定和确定的关系，即右，即右式的分流系数应保持恒定或式的分流系数应保持恒定或有确定的变化规律。有确定的变化规律。而实现这一目标的关键在于设而实现这一目标的关键在于设计合适的计合适的分配
21、器分配器。42. 利用T T型三通的相分离特性, ,从被测气液两相流体中分流分离出一部分单相气体, ,通过测量这部分单相气体的流量确定被测气液两相流体的流量或干度。（1 1）三通管型取样器4 4、 分流取样器的设计三通管型分流分相式多相流量计43.三通管型取样器是一种单参数流量计，流量和干度两个参数中必须已知其中的一个参数才能测出另一个。如果要同时测量流量和干度两个参数，要和其他仪表配合使用。44.（2 2）取样管式多相流量计 取样管型分配器混合装置和取样装置两部分组成，取样管深入主管内部，取样口正对来流方向。气液两相流体首先在混合器内进行加速、混合，然后在混合器出口分成两部分，一部分（分流体
22、）直接进入取样管，另一部分（主流体）则流入下游管道。45.（3 3）转鼓型取样器 转鼓型分配器的核心部件是一个转鼓，转鼓通过转轴支撑在轴承座上，可以绕轴自由旋转。 转鼓外形为圆柱体，内部用轴流叶片均匀分割成n n个互不相通的通道，各通道的横剖面为扇形，几何尺寸和阻力特性完全相同。46. 当两相流流过转鼓时会冲击转鼓高速旋转，在转鼓旋转过程中，各通道的入口截面不断掠过上游流通截面上的每一点，使每一点上的两相流体都能机会均等地流入各通道。这样，流入分离器的流量仅仅取决于转鼓中通向分离器的通道数（分流通道数），而与两相流体的流型等因素基本无关，分流系数保持为常数。47.（4 4）转轮型分配器）转轮型
23、分配器 转轮分配装置由转轮以及分流体收集室两大部分组成。转轮的外径为100mm100mm，内部包含3 3个流道，流道的出口角为7070。 流道的轮廓为螺旋线，多相流体流过流道时产生旋转力矩，驱动转轮旋转。转轮位于中心, ,围绕转轮的分别是主流体接收窗口和分流体取样口。分流体取样口有3 3个，每个取样口两侧布置一组格栅。转轮分配器结构示意图 设置隔栅的目的是将旋转流道出口喷出的两相流体从取样口导入收集环室，防止进入主流回路的流体进入分流回路。 转轮型分配器结构转轮型分配器结构48.内部转轮实物照片49.轴承轴承格栅格栅分流体入口分流体入口主流体主流体入口入口取样口布置形式50.转轮分配器流量测量
24、原理转轮分配器流量测量原理 转轮分配器用于两相流量测量上可以用“流量”采样理论来解释其工作原理。下图为主管内的任一相（气相或液相）流量QjQj随时间变化曲线。图中T T表示一个“采样”周期，也就是转轮旋转一周的时间，tt为一个周期内的“取样”时间，( (相当于信号采集中的采样时间),),即主流体全部流向分流体回路的时间。51.（1 1）（2 2）（3 3）分流体流分流体流量量主管流量随时间主管流量随时间波动曲线波动曲线预测主管流预测主管流量量52. 分时比大小只取决于转轮和支路通道的几何参数，而与转速和流体的物性无关。当转速变化时，旋转周期和分流时间都会变化，但分时比仍为一恒定值。 主管流量为
25、主管流量为Q Q Q Qj j j j，分流体流量为，分流体流量为q q q qj j j j，则有，则有分流体取分流体取样通道宽样通道宽度度53.转轮分配器瞬态响应特征转轮分配器瞬态响应特征 分流体气液相流量能快速跟踪上主管气液相流量的变化。分流体气液相流量能快速跟踪上主管气液相流量的变化。因此转轮分配器不但适用于流动平稳的两相流体的分配和测因此转轮分配器不但适用于流动平稳的两相流体的分配和测量，对流量波动较大的两相流体也是适用的。量，对流量波动较大的两相流体也是适用的。54.四、多相流量计认证机构 目前多相流量计正处于发展阶段，国际上还没有一套相应的标准和规范。 挪威几家多相流量计厂商联合
26、几个大石油公司共同编写了一套多相计量手册（handbook of handbook of Multiphase flow metering),Multiphase flow metering),对多相计量有关技术问题进行了一些定义和说明。 目前APIAPI已经成立了多相流量计测试委员会，正在制定有关规范和标准。1 1、多相流量计测试现状55.（1 1）英国国家工程实验室（NELNEL） NELNEL油气水三相流量测试和标定装置它是世界上唯一的多相流量计标定装置，具有较高的知名度和权威性；2 2、多相流量计测试实验室56.The High Pressure Wet Gas Test Facili
27、ty At NEL57.（2）法国IFP石油研究院的油气水多相流量测试装置，主要用于多相流模拟试验及多相流量计、多相混输泵原理样机的半工业化性能测试；58.IFP Multiphase Flow Loop59.（3）挪威HYDRO石油公司研究中心的高压多相流实液测试标定装置是目前世界上唯一一套高压多相标定装置，具有压力高、规模大、量程宽等特点；60.（4 4）美国ConocoConoco多相流标定装置也是一种采用原油、天然气、产出水为介质的现场实液标定装置；（5 5）挪威HYDROHYDRO公司和FramoFramo公司的油气水多相流标定和流量测试装置主要用于各自产品的出厂校验；61.（6 6
28、）我国大庆油田工程设计技术开发有限公司建造了一套DN50DN50型油气水多相流量计现场实液测试校验装置，它直接采用油井采出液配制实验介质，并通过了国家计量科学研究院的鉴定。参数：n配备有高精度油、气、水单相流量计和DCSDCS控制系统，n实验管径有DN50DN50，8080，100100三种，n最大流量油50m3/h50m3/h；水50m3/h,50m3/h,气1170Nm3/h1170Nm3/hn含水率调节0-100%0-100%，含气率调节0-100%0-100%。62.63.是否通过权威机构的第三方试验室的测试和评价；是否通过公正、独立的工业现场对比测量；是否经过长期的和批量化的工业性实
29、验。 五、多相流量计的选择1 1、是否通过相关检测试验？64.（1 1）含气率（Gas Void FractionGas Void Fraction） 大多数多MPFMMPFM在含气率90%90%时，误差急剧放大，对于高含气多相流因采用湿气流量计（Wet Gas MeterWet Gas Meter）（3 3）流量（Flow RateFlow Rate）：（5 5）流型（Flow PatternFlow Pattern）：（4 4）含水率（Water CutWater Cut）：（2 2）流体物性 原油黏度、乳化、起泡、水含盐量等物性是主要考虑因素。1 1、是否满足操作工况？65.（6 6）设
30、备尺寸（equipment Dimensionequipment Dimension（7 7）安装位置和方向（Orientation and locationOrientation and location） 水平？垂直？预留发展直管段？66.（9 9）购置成本（CostCost）（8 8）健康、安全、环保（Health, safety and environmental Health, safety and environmental issuesissues）67.（1 1）测量精度相对较低，目前市场上大多数多相流量计在大部分流态下各相测量误差为10%10%。（2 2）所有目前用于多相计量
31、的技术都要求必须掌握流体的特性，如介电常数、质量吸收系数，需要频繁标定。（3 3）工作范围较窄。目前市场上几种主要多相流量计的最高适用含气率为90%100%90%100%，随着含气率的增加，液相的计量精度将受到影响。（4 4）安全环保问题。多相流量计普遍采用像微波等辐射源，而有关法规对使用辐射源有严格的限制。（5 5）多相流量计验证国际上缺乏一套统一的标准和规范。六、 多相流量计存在的问题和发展趋势1 1、存在问题：68.2 2、发展趋势（1 1）智能式：要确保测量模型和方案的正确性，需重视特征参数的选取。由于多相流动状态的不确定性及不稳定性，为了确保多相计量的准确性，应用智能化的测量方法进行
32、数据处理，特别是应用模糊数学理论、人工智能技术、网络技术及小波分析理论。（2 2）组合式：组合式一方面是指功能上的组合，例如将流速表和组分表组合起来使用；另一方面是指组合多种方法和技术来完成一种功能。尽可能地应用单相计量和气、液两相流动测试比较成熟的方法和技术，为实现在线实时计量，应满足信号连续采集。为适应数据实时处理，应与计算机合为一体，可操作性强。69.（3 3）通用性：目前的多相流仪表的测量范围受到很多限制，如受含气率、含油率、含水率、粘度、盐度等的影响。因此，开发和研制大范围的多相流仪表势在必行，增加其通用性。同时，应建立比较完善的检测装置，对多相流量计进行标定，保证准确性。（4 4）小型化：多相计量装置的体积直接影响到生产成本、安装成本，占地面积，研究小型、高效计量装置将是油气田多相计量发展的一个重要方向。70.
