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      進(jìn)入21世紀(jì)以來，油氣資源日益短缺，特別是近年來石油價(jià)格的飛漲，必將促使各大石油公司加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)的投入，以期通過實(shí)施一系列提升產(chǎn)能及管理品質(zhì)。多相流量計(jì)可以滿足現(xiàn)有油氣田的增產(chǎn)增效和海上油田、陸上邊際油田生產(chǎn)管理的潛在需求。在一些新油田的開發(fā)中，多相流量計(jì)被作為的油井計(jì)量技術(shù)來考慮，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的計(jì)量手段已不再適用油田開發(fā)新形勢(shì)的要求。

      1 多相流量計(jì)的發(fā)展與現(xiàn)狀

      石油工業(yè)中多相流量計(jì)的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)70～80年代，當(dāng)時(shí)的能源危機(jī)推動(dòng)石油公司開發(fā)海洋石油，常規(guī)計(jì)量分離器不適合在海洋平臺(tái)以及海底使用，促使人們開發(fā)研制結(jié)構(gòu)緊湊的多相流量計(jì)。美國的TULSA大學(xué)、BP和TEXACO石油公司等進(jìn)行了多相流測(cè)量技術(shù)的研究。20世紀(jì)90年代，在各大石油公司的支持下，多相流量計(jì)的研究、開發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用得到迅速發(fā)展。尤其是20世紀(jì)末的幾年里，是多相流量計(jì)使用的快速增長期。進(jìn)人21世紀(jì)以來，多相流量計(jì)在國內(nèi)各油田得到了廣泛的應(yīng)用。例如：Framo多相流量計(jì)在歐洲北海石油平臺(tái)（North Sea）與愛爾蘭海石油平臺(tái)（Irish Sea）上的批量應(yīng)用，GLCC 多相流量計(jì)在加州Bakersfield以西油田的批量應(yīng)用，TFM-500型多相流量計(jì)在我國勝利油田、冀東油田的批量應(yīng)用等。特別是在深海油田應(yīng)用高性能的多相流量計(jì)，可以對(duì)復(fù)雜的海底石油管道流程進(jìn)行控制與管理。

      2 多相流量計(jì)的特性

      多相流量計(jì)是由幾種測(cè)量手段及數(shù)據(jù)采集處理裝置聯(lián)合組成的緊湊型測(cè)量系統(tǒng)，是石油工業(yè)多相計(jì)量的關(guān)鍵技術(shù)，用于油、氣、水各相流量的在線實(shí)時(shí)測(cè)量。

      兩個(gè)重要因素推動(dòng)了石油工業(yè)多相流量計(jì)的發(fā)展，一是多相流量計(jì)的使用可節(jié)約油田生產(chǎn)開發(fā)的成本；二是更有利于油氣田管理決策、流程控制。多相流量計(jì)與計(jì)量分離器相比具有的優(yōu)點(diǎn)：可連續(xù)、在線、自動(dòng)測(cè)量；結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積??；維護(hù)工作量少。對(duì)于淺海和深海油田，海上鋪設(shè)油氣管道異常昂貴，應(yīng)用多相流量計(jì)安裝于井口，可以使生產(chǎn)流程中省卻測(cè)試管線。陸上許多新開發(fā)的油田屬于經(jīng)濟(jì)型邊際油田，這類油田不能承擔(dān)傳統(tǒng)分離技術(shù)所帶來的高昂費(fèi)用。多相流量計(jì)可以節(jié)省相關(guān)費(fèi)用，因?yàn)槭褂盟筒恍枰惭b計(jì)量分離器。在井口可方便地安裝多相流量計(jì)，或者使用一臺(tái)移動(dòng)式車載多相流量計(jì)監(jiān)測(cè)多口油井，或者在中轉(zhuǎn)站監(jiān)測(cè)油田特定區(qū)域的生產(chǎn)特性或原油產(chǎn)量。

      從管理的角度來看，油氣藏工程師及相關(guān)管理部門需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)每口油井的特性，以便優(yōu)化油田的生產(chǎn)與開采壽命。安裝于井口或管道上的多相流量計(jì)可以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出，給出油井的動(dòng)態(tài)信息。通過對(duì)油氣水產(chǎn)出流量的實(shí)時(shí)測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸，快速調(diào)整油氣藏的管理和產(chǎn)能配置，診斷病態(tài)生產(chǎn)工況，實(shí)施油氣井的維護(hù)和流程控制，優(yōu)化生產(chǎn)過程，這些是傳統(tǒng)的分離計(jì)量技術(shù)無法相比的。

      無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)油氣資源管理的資訊化。新的油井優(yōu)化系統(tǒng)、智能井系統(tǒng)與網(wǎng)連接，是油氣田生產(chǎn)管理資訊化的發(fā)展趨勢(shì)。每口油井都使用一臺(tái)多相流量計(jì)，獲得準(zhǔn)確的油、氣產(chǎn)量，可使高層管理人員能實(shí)時(shí)依據(jù)國際石油行情的變化及時(shí)調(diào)整單井和油田區(qū)塊的量化配產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)油氣勘探和生產(chǎn)效益。

      3 多相流量計(jì)測(cè)量原理

      多相流量計(jì)按基本功能與測(cè)量原理大體上可分為3類：

      （1）分離式多相流量計(jì)  對(duì)多相流進(jìn)行全部或部分分離，對(duì)分離后的不同流束進(jìn)行在線式狽量，例如：Agar-300、Texeco SMS、Chervron GLCC多相流量計(jì)。

      （2）在線式多相流量計(jì)  不需要分離即可對(duì)管道中的多相流量與相比率進(jìn)行測(cè)量，例如：Fluenta MPFM1900、Framo流量計(jì)、Kongsherg MCF-351、西安開爾TFM-500等。

      （3）特殊類型的多相流量計(jì)  利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、流型識(shí)別或統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)對(duì)依據(jù)時(shí)間而變的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，得到多相流體的流量，例如：挪威科技大學(xué)的PPT多相流量計(jì)，英國石油軟件公司開發(fā)的ESMER-T3A多相流量計(jì)。

      多相流量計(jì)與單相流量計(jì)的重要區(qū)別在于：?jiǎn)蜗嗔髁坑?jì)是通過測(cè)量壓力、黏度、壓縮性和裝置的幾何尺寸來測(cè)量流量，其不確定度的主要影響因素是測(cè)量元件；多相流量計(jì)不確定度的主要影響因素則是流體物性（黏度，密度）和測(cè)量條件（流型，密度波動(dòng)，壓力波動(dòng)）。多相流存在不同的流型或流態(tài)，流態(tài)的非均質(zhì)性是引起多相流隨機(jī)不確定度的基本原因之一。不同流型間的相態(tài)分布特征和流體動(dòng)力學(xué)特性有很大差別，即使對(duì)應(yīng)于相同的流型，其水動(dòng)力學(xué)特性也不相同，難以象單相流體那樣，以無量綱準(zhǔn)則數(shù)準(zhǔn)確刻畫其流動(dòng)規(guī)律性。鑒于多相流體動(dòng)力學(xué)特性的復(fù)雜性，準(zhǔn)確計(jì)量多相流要比單相流的計(jì)量難度大。

      對(duì)于多相流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度，從現(xiàn)有的資料看，國際上基本認(rèn)為，油相、水相和氣相的測(cè)量不確定度小于10%，即可為油井測(cè)試。故障診斷和油氣田的管理監(jiān)測(cè)等提供有用的在線測(cè)量數(shù)據(jù)。

      4 多相流量計(jì)的應(yīng)用

      石油工業(yè)中應(yīng)用多相流量計(jì)從理論提出到實(shí)際運(yùn)用經(jīng)歷了約20年。目前，盡管其產(chǎn)品的商業(yè)化程度越來越高、潛在的市場(chǎng)需求越來越大，但作為一項(xiàng)替代傳統(tǒng)分離計(jì)量的新技術(shù)，仍需要不斷完善和發(fā)展。

      多相流量計(jì)面臨的挑戰(zhàn)是多方面的。市場(chǎng)上一些流量計(jì)還很昂貴，國外的多相流量計(jì)一般單臺(tái)價(jià)格為幾十萬美元，而國內(nèi)開發(fā)的多相流量計(jì)單臺(tái)通常也需要幾十萬元人民幣，降低價(jià)格是改進(jìn)多相流量計(jì)的一個(gè)主要目標(biāo)。

      各種多相流量計(jì)實(shí)際能達(dá)到的準(zhǔn)確度和適用性都有一定限度，例如：TEA多相流量計(jì)可測(cè)含氣率為15%；如果應(yīng)用靜態(tài)混合器，可測(cè)含氣率為30%。有些流量計(jì)對(duì)油水比的范圍有一定要求，例如：MFI-LP型流量計(jì)僅能在含水率為40%～60%的條件下使用，F(xiàn)R型流量計(jì)由于應(yīng)用微波測(cè)量技術(shù)，在含水率為0%～99%的范圍內(nèi)都可以使用。提高測(cè)量準(zhǔn)確度是多相流量計(jì)要實(shí)現(xiàn)的另外一個(gè)主要目標(biāo)。目前，多相流量計(jì)在測(cè)井或油氣田管理上有了相當(dāng)多的應(yīng)用，但是還不足以用于原油和天然氣的貿(mào)易計(jì)量或配產(chǎn)計(jì)量。隨著應(yīng)用的不斷增長，要求多相流量計(jì)能夠用于不同石油公司間的配產(chǎn)計(jì)量，在這種情況下，油相、水相和氣相的測(cè)量不確定度在10%以內(nèi)是不夠的，測(cè)量的不確定度必須更小才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

      由于多相流動(dòng)條件的復(fù)雜性和流型的多樣性，同時(shí)，基于力學(xué)原理與傳熱學(xué)原理的測(cè)量方法易受物性影響，電容、阻抗等電學(xué)原理的測(cè)量方法易受流體礦化度的影響，在某些條件下測(cè)量準(zhǔn)確度較高并不能表明其通用性。就國內(nèi)外而言，所有的多相流量計(jì)都有特定的流量范圍或者流型的限制。多相流量計(jì)的選型應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、適用性、免維護(hù)以及環(huán)保要求等因素。進(jìn)一步提高多相流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度并拓寬多相流量計(jì)的工作范圍，是目前多相流量計(jì)開發(fā)和制造商所面臨的重要挑戰(zhàn)。

      井下多相計(jì)量技術(shù)是多相流量計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)。井下多相流量計(jì)可提供油氣藏各層段油氣水產(chǎn)出量的詳細(xì)資料，以便監(jiān)測(cè)油氣藏各層段的生產(chǎn)開發(fā)狀況，診斷油氣井的動(dòng)態(tài)異常，采取相應(yīng)的調(diào)整措施，實(shí)現(xiàn)增加油氣產(chǎn)量、提高采收率的目標(biāo)。因此，井下多相流的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于生產(chǎn)優(yōu)化同樣具有重要意義，特別是對(duì)于成本高、油藏深以及有多個(gè)橫向井的情況更是如此。目前，井下多相計(jì)量技術(shù)的進(jìn)展是井下光纖流量計(jì)。

      多相流量計(jì)以多相流體計(jì)量測(cè)試技術(shù)為基礎(chǔ)，常用的測(cè)試技術(shù)：以γ射線能量衰減法、電容技術(shù)、電導(dǎo)技術(shù)或微波衰減法等測(cè)量密度、含氣率、液相中的含水率等；以節(jié)流法、相關(guān)法、正排量流量計(jì)等測(cè)量流速。近年來層析技術(shù)在多相流測(cè)量中的應(yīng)用得到了廣泛的研究^[21]  ，包括超聲波層析、光纖層析、X射線層析、γ射線層析以及紅外層析等。另外，核磁共振法也已應(yīng)用于多相流的測(cè)量^[22]。這些方法應(yīng)用于商用多相流量計(jì)可以提高其測(cè)量準(zhǔn)確度。從測(cè)量途徑上，多相流計(jì)量測(cè)試技術(shù)可分為兩類：一是相速度與相比率等參數(shù)的測(cè)量各自獨(dú)立；二是所測(cè)參數(shù)是多相流各相流量的函數(shù)。目前，多相流量計(jì)以各參數(shù)獨(dú)立測(cè)量為主，隨著多相流研究的不斷深入，采用測(cè)量多相流各相流量參數(shù)可能更有助于提高在線式多相流量計(jì)的準(zhǔn)確度。

      5 評(píng)估與認(rèn)證

      多相流量計(jì)的評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，包括在實(shí)際工作條件下氣相流量、液相流量、含水率、含氣率等參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量范圍等多項(xiàng)指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)多相計(jì)量技術(shù)評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化是計(jì)量學(xué)需要解決的問題。

      目前多相流量計(jì)正處于發(fā)展階段，國內(nèi)外都沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的可實(shí)現(xiàn)性與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的準(zhǔn)確度等問題，促使人們思考現(xiàn)階段如何評(píng)估多相流量計(jì)。挪威石油與天然氣計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)組織相關(guān)單位共同編寫了一套多相流計(jì)量手冊(cè)（Handbook of Multiphase Metering），對(duì)多相流量計(jì)的安裝標(biāo)定等有關(guān)問題進(jìn)行了一些定義和說明，推進(jìn)了多相流量計(jì)測(cè)試標(biāo)定的規(guī)范化進(jìn)程。API（美國石油學(xué)會(huì)）成立了多相流計(jì)量測(cè)試委員會(huì)，正在制定相關(guān)規(guī)范。美國MMS（Minerals Management Service）是認(rèn)證多相流量計(jì)的機(jī)構(gòu)，他們認(rèn)為，如果相關(guān)部門達(dá)成一致的意見，則MMS可認(rèn)證多相流量計(jì)作為測(cè)井使用。多相流量計(jì)的研究與使用者就多相流量計(jì)的檢定與應(yīng)用場(chǎng)合等問題達(dá)成共識(shí)：檢定多相流量計(jì)的目的是通過實(shí)驗(yàn)室或油田現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比測(cè)試，使多相流量計(jì)有資格應(yīng)用于油氣井生產(chǎn)和流體輸送。這一共識(shí)構(gòu)成了在線多相計(jì)量技術(shù)合作協(xié)議的基本內(nèi)容。

      我國油井的原油計(jì)量，大部分還是采用分離器對(duì)兩相或三相進(jìn)行分離計(jì)量。無論是兩相計(jì)量還是三相計(jì)量所達(dá)到的計(jì)量不確定度，能夠滿足我國SYJ4-83《 油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》中所提出的目標(biāo)不確定度，即計(jì)量綜合誤差應(yīng)小于±10%。英國貿(mào)易工業(yè)部石油天然氣局《石油計(jì)量指南》（1997年版）提出，油井原油計(jì)量的目標(biāo)不確定度為5%～10%?？梢娔壳暗亩嘞嗔髁坑?jì)已基本滿足國內(nèi)外油井原油計(jì)量的目標(biāo)不確定度水平。

      鑒于現(xiàn)階段多相流量計(jì)還沒有法定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)多相流量計(jì)只能進(jìn)行性能評(píng)估或?qū)Ρ葴y(cè)試。國內(nèi)外大部分多相流量計(jì)是通過與在現(xiàn)場(chǎng)分離計(jì)量進(jìn)行對(duì)比以評(píng)估其性能，或者委托機(jī)構(gòu)對(duì)廠家生產(chǎn)的多相流量計(jì)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、重復(fù)性及超差比等進(jìn)行測(cè)試，然后應(yīng)用于井口或管道測(cè)量。國內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)是建在大慶油田第二采油廠的油氣水多相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試校驗(yàn)裝置，直接用原油、天然氣和產(chǎn)出水作為介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。國外的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)是Texaco、NEL、Conoco及Porsgrunn的多相流測(cè)試裝置。多相流量計(jì)的檢定是使用移動(dòng)式分離計(jì)量裝置作為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置，在現(xiàn)場(chǎng)與多相流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，定期檢定多相流量計(jì)的性能。

      6 結(jié)論

      （1）多相流量計(jì)可以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出和油井的動(dòng)態(tài)信息，對(duì)于油氣藏的管理和產(chǎn)能配置、病態(tài)生產(chǎn)工況的診斷、油氣井的維護(hù)和流程控制等有重要意義，相對(duì)于計(jì)量分離器有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，多相流量計(jì)的出現(xiàn)已引起世界石油工業(yè)界的高度重視。
      （2）多相流量計(jì)的目標(biāo)不確定度可達(dá)到10%，已用于測(cè)井、生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)或油井原油計(jì)量，在海上和陸上油田開發(fā)中的應(yīng)用數(shù)量逐年增多。
      （3）作為一項(xiàng)新技術(shù)，多相流量計(jì)面臨價(jià)格、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、適用范圍等多方面的挑戰(zhàn)。
      （4）各種多相流量計(jì)實(shí)際能達(dá)到的準(zhǔn)確度和適用性都有一定限度，還難以達(dá)到法定計(jì)量裝置的要求。
      （5）沒有哪一種單一類型的多相流量計(jì)能適應(yīng)所有的應(yīng)用范圍。
      （6）標(biāo)定、認(rèn)證多相流量計(jì)，國內(nèi)外也都沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
      （7）多相流量計(jì)的研究與使用者通過邊研究、邊驗(yàn)證、邊推廣的辦法，推動(dòng)著這一技術(shù)的發(fā)展。

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