第十三章_多相流计量技术
多相计量
多相流量计在海洋石油工程中的应用【摘要】油气分离计量是油气集输的首要任务。
本文从油气分离计量设备出发，从理论上分析了重力分离、折流分离、离心分离三种分离方法，进而探讨了油气分离计量设备在油气集输中的应用，以供参考。
【关键词】油气分离与计量设备油气集输应用1 背景为了油井计量和油藏动态管理，确定最佳产量和油田开采时间，油藏工程师要求经常监视单井动态，掌握单口油井的产量，包括每口油井的产油量、产水量和产气量。
传统做法是将油井产出液经计量分离器分离成油相、水相和气相，再采用各单相测量仪表或装置测量获得三组分的各自含量，然后再混合输送到泵站进行生产处理，系统的质量和体积都较大，给设计和施工增加了很大难度。
特别是随着近年油气开发向海洋、沙漠和极地等地区发展，以及所开发的油田油层更深、油质更重的特点，造成油田开发成本不断上升，石油工业界对新的开采技术的需求日益迫切，多相计量技术正是在这种背景下应运而生的。
2 油气分离计量设备及工作原理从目前来看，油气分离设备种类较多。
按照功能进行划分，可分为两种：水油气三相分离器、油气两相分离器；按照形状可分为三种：立式分离器、卧式分离器。
目前，比较普遍的为卧式两相分离器。
主要是因为该分离器的分离效果好，成本较低，便于检修和安装。
其缺点是占地面积比较大，且排污比较困难，需要配备好排污设备。
现介绍一种组合式的小型油气分离计量装置。
在大庆、长庆、哈萨克斯坦布扎奇等油田投入使用，均运行了三年以上，运行良好。
该装置用于单井（油井采出液不分离）、油气汇管（气、液混输）等任何流型或流态的油水气二相在线实时计量，尤其适用于间歇来液、气液变化比较大的油井计量；是沙漠油田、海上油田和移动测井等多相流计量的理想装置。
2.1 结构油气分离计量设备主要由分离器、稳流器、捕集器、混合器、计量仪表与电控元件组成，工作原理如图1所示。
2.2 原理2.2.1分离器一般采用离心分离。
由于气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起旋转流动时，液体受到的离心力大于气体，所以液体有离心分离的倾向，液体附着在分离壁面上由于重力的作用向下汇集到一起，从而实现气液分离。
多相流领域的数值计算方法及应用
多相流领域的数值计算方法及应用随着工业化和科技的不断进步，多相流领域的研究和应用越来越受到重视。
物料在流动过程中会与其他物料或界面发生相互作用，这种复杂的流动状况被称为多相流。
多相流涉及到固体、液体和气体等不同物态的介质，因此其研究和应用需要使用复杂的数值计算方法。
一、多相流的特点多相流的研究和应用过程中涉及到很多行业，比如化工、能源、航空航天等领域。
多相流介质的物理性质不同，具有以下几个特点：1. 相互作用强烈不同相态的物料之间会发生相互作用，例如固体微粒在液体中的漂浮、液滴在气体中的破裂等。
2. 物料运动混乱多相流介质的物料运动速度和方向较难预测，因此多相流的运动模式通常非常复杂。
3. 传递规律复杂多相流介质中不同物料的传递规律复杂，例如液滴的运动、未熔化固体在熔体中的运动等。
4. 可能存在相变多相流介质因为具有不同物态的物料，因此可能存在相变现象，例如气体在液体中的溶解等。
二、多相流的数值计算方法多相流的复杂性使得其研究和应用需要结合各种学科，比如计算流体力学（CFD）、材料科学、传热学等。
在多相流的计算过程中，有两个重要的假设：连续介质假设和相间界面模型。
1. 连续介质假设连续介质假设认为多相流介质可以像单相流一样，被视为连续的流体。
在这种假设下，物理量如质量、动量、能量等可以通过微分方程来描述，以求解其全场的运动学性质。
2. 相间界面模型多相流中不同相态物质的相互作用，使得相界面的存在成为一大难点。
通过相间界面模型对相变的过程和相界面的运动进行数值模拟，从而模拟多相流介质中不同物理量的分布和传递规律。
目前，常见的多相流计算方法包括欧拉方法、拉格朗日方法和欧拉-拉格朗日复合方法。
3. 欧拉方法欧拉方法模拟多相流介质中的物理量在时间和空间上的分布规律。
该方法将不同相态之间的相互作用描述为源项，通过物理量的守恒方程，来求解多相流介质内各物理量的分布规律。
4. 拉格朗日方法拉格朗日方法着重于对多相流介质中物体的运动轨迹进行跟踪和计算。
【精选】多相流计量及多相流量计简介R1
【精选】多相流计量及多相流量计简介R1 多相计量技术Multiphase metering technology概述许多新开发的油田属于经济型边际油田，这种油田不能承担传统分离技术所引发的高昂的费用。
而多相流量计可以节省很多费用，因为使用它就不需要安装分离器，或者几个油田共用处理装置。
在油井管理方面:多相流量计可以提供持续的数据输出，给出油井动态的有价值信息，这样可以及时地发现油井产生的问题或变化，以便尽早地做出决定，而采用传统的处理技术却要慢一些。
中国船级社(CCS)要求参照《海上移动平台入级规范》第1篇第3章附录1 平台入级产品持证要求一览表:5.3:?级管系以及除5.1以外的阀和附件证件类型:制造厂证明(?级管系应提供工厂认可证书，除5.1以外的阀和附件应提供型式认可证书)认可模式:型式认可B(可选项:型式认可A)1. 在线多相流量计在线多相流量计依据对流体特性的一些测量得到油、气、水三相的各自流量。
现在有许多这样的计量技术，可大致分为两大类:速度或总流量测量和相分率测量。
速度或流量测量通常是通过压差计量或一个特殊信号的互相关,即压力或导电率来获得。
许多流量计也采用滑动模块，这说明了气体通常比液体流速快的事实。
在垂直管道上安装的一些在线多相流量计一般通过在其上游装一个盲三通来减少水的紊动，以此最大限度地减少滑动。
相分率可以通过测量三相混合物的物性来获得，据此推算出三相各自的流量。
伽马射线能量衰减法是一种常用的方法，它的原理是油、气、水不等同地削弱伽马射线的能量。
伽马射线能量在两个能量级放射高能量级对气/液比更敏感，而低能量级对液相中的水/油比较敏感。
可以用这两个能量衰减量来确定三相混合液的相分率。
第三个能量级也可以用来确定水相的含盐量。
电容和电导技术可以用来确定液相中的含水量。
电容传感器用于测量连续油流的介电常数并确定含水量，电导传感器用于连续水流的测量。
这种方法适于气体体积分数大环境，但缺点是:如果流体在水连续流和油连续流之间不停转换，那么流量计就很难跟踪到这个变化。
第十三章_多相流计量技术
中国石油大学
李玉星
计量精度等级划分 传统井口计量方法 概况 基本原理 测量方法 多相流量计的性能评价 多相流量计的分类 国外主要多相流量计产品 多相流量计面临的挑战及未来发展趋势
计量精度等级划分
1．数据用于油田管理：精度要求：±5-10% 2．数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量 ：精度要
图2 快中子测量相分率技术示意图
5、电容/电导/电感传感器
电容/电导传感器由至少两个安装在管壁上的金属板电 极组成，形成几列电容器，使流体从两块金属板或电极之 间的空间流过；电感传感器通常是一个环绕在管道上的线 圈。基于油气水不同的导电特性和电介质特性，认为混合 物的电特性是物理性质已知的各相流体所占比例的函数， 因此根据测量得到的电容、电导、电感值就可以计算出油 气水各相的相分率。这种方法的缺点是受含盐率的影响。
Watt使用双能源-射线传感器来确定气液相流速，使用高 能级或低能的-射线确定气相流速，使用混和信号的相关 式确定液相流速。
3、使用LDV(激光多普勒测速 )技术测定局部速度
LDV技术进入多相流测速领域已有20多年的历史，具有非接触方式、 空间分辩率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽等特点。应用激光 多普勒效应测速的基本原理是：当激光照射到跟随流体运动的示踪粒子 时，产生的散射光频率与入射光频率之间的偏差与流体速度成正比，因 而只要测出多普勒频移即可确定示踪粒子即流体的速度。示踪粒子可以 是夹在气相中的液滴、液相中的气泡或液相中的固体粒子。LDV仪是 1964年Yeh与Cummins用于测量管中层流流场后发展起来的。近年来 向集成化、光纤化、智能化、精确化的方向发展。同时 LDV也有不足之 处，如只能测透明流场、无法在线测量、多点测量困难以及信号不连续， 难以完成频谱分析和高阶统计量的计算。
海默多相流计
海默多相流计行业背景多相流是一个复杂的多变量随机过程，多相流计量技术长期以来被公认为一个世界性技术难题。
多相流量计的商业化应用始于本世纪初期，目前已经发展成为新的油气田开发中首选的计量技术。
由于传统测试分离器计量工艺复杂，设备庞大，投资较大，油井三相计量问题长期困扰着油田开发，制约了油田开发效率。
多相不分离计量技术为油藏管理和生产优化提供较可靠的计量数据，在油气田的开发计量中节省投资、降低操作费用以及明显改善油藏管理等提供了激动人心的可能性。
该技术被国际上列举为决定未来油气工业成功的五大关键技术之一。
多相流量计的主要优势在于对被测油气水混合物不用进行相分离, 现场安装工艺简洁, 结构紧凑, 占空间小; 测量为实时、连续测量, 基本上可以做到无人值守, 不用人员干预; 仪表具有良好的可靠性和适用的准确度; 一次投资和维护费用低, 在采油生产中, 尤其在海洋石油和油井测试中具有很大的经济效益。
多相流量计的功能就是在不分离的情况下, 依赖一些流体参数的测量以给出三相流的油、水、气流量。
其基本原理是通过确定每一种组分的瞬时速度和截面占有率, 从而确定每一组分的量。
因此实现多相测量的关键是测量相分率和相流率。
油公司需要通过对油井有效的测试/计量数据来了解其每一个单井的实际生产情况/能力，实施有效的油藏管理和生产优化管理，最终提供采收率。
用传统三相测试分离器进行计量，由于体积庞大、系统复杂、人工干预、费用昂贵，无法实现无人职守。
多相流计量技术作为一种单井生产测量革命性的计量设备，可以提供油井产物在不分离的情况下油、气、水的在线实时流量数据，多相流计量技术是被行业内公认的传统三相测试分离器一种最经济有效的替代技术。
常用测量方法有伽玛相分率、互相关测量方法以及Vent uri 流量计的优化组合将是最有希望成功的多相流量计。
海默多相流计工作原理及技术特点海默多相流量计采用伽玛传感器测量相分率,采用互相关、文丘里流量计, 或互相关+文丘里结合的方法测量相流速。
多相流量计原理课件
总结词
利用核磁共振原理，通过测量多相流体中氢原子核的磁化强度来推算各相流量。
详细描述
核磁共振多相流量计利用流过磁场的多相流体中氢原子核的磁化现象。由于不同相态物质中氢原子核的磁化强度不同，通过测量这个磁化强度，可以推算出各相流量。
VS
利用微波在不同相态物质中吸收和反射特性的差异，通过测量微波能量变化来推算各相流量。
总结词
其他多相流量计如光学法多相流量计、电阻法多相流量计等也具有各自的优缺点，需要根据实际应用需求进行选择。
详细描述
除了上述几种常见的多相流量计外，还有光学法多相流量计和电阻法多相流量计等其他类型。这些多相流量计各有其优缺点，如光学法多相流量计具有非接触式测量、测量精度高等优点，但同时也存在对流态敏感、易受光学污染影响等缺点。电阻法多相流量计具有结构简单、成本低等优点，但同时也存在测量精度低、稳定性差等缺点。因此，在实际应用中需要根据具体需求进行选择。
分类
定义
多相流在油气工业中广泛应用于油、气、水三相的测量和分离。
油气工业
化学工业
能源工业
多相流在化学工业中广泛应用于各种反应器和管道中的物质传递和热量交换。
多相流在能源工业中用于核能和热能的传递和转换。
03
02
01
准确测量多相流体的流量、成分和温度等参数，有助于优化生产过程，提高生产效率。
提高生产效率
03
CHAPTER
多相流量计的优缺点
电容法多相流量计具有结构简单、测量准确、稳定性好等优点，但同时也存在对流态敏感、易受流体物性影响等缺点。
电容法多相流量计利用电容原理来测量多相流体的流量。由于其结构简单、测量准确、稳定性好等优点，被广泛应用于石油、化工等领域。然而，电容法多相流量计对流态较为敏感，容易受到流体物性的影响，如流体的电导率、介电常数等，这可能导致测量误差。
国内外多相流计量技术的发展
国内外多相流计量技术的发展摘要伴随着石油工业的不断发展，石油的开发已由较容易开发的内陆地区向深海及沙漠地区发展，并孕育出了管道多相流的输送技术.本文就今年来多相流计量技术的发展作了简单的归纳.关键词多相流；计量技术；流量计60年代开始人们就对多种存在形式的流体在同一输送管中的输送状态作了研究，由于当时工业水平的限制，多相流输送技术一直存在缺陷，其中最为核心的是多相流的计量技术。
近年来，随着计算机技术的快速发展，以油气水混输技术为代表的多相混输技术不断发展，多相流的相关测量技术得到了极大的进步，因而可以使该技术能够在目前的生产中应用。
加之目前油田开发逐步进入海洋，又使得该技术有了更为广阔的应用空间，同时也促进了该技术的发展。
国内外公司相继投入大量的资金研发多相流计量计，并广泛的实验与应用。
多相流的技术发展，实现了进口原油的多相流计量，与传统的分离计量相比，有了极大的提高。
这一技术实现了油田井口计量技术里程碑式的改进。
传统分离计量设备需要极大的投资，通过改进后的技术，可以实现设备的小投入，带来了可观的经济效益。
在沙漠和深海的油田开发中，由于其具有工艺简单，计量精确的特点，更容易产生经济效益，故而应用也更为广泛，所以本文在这里简要介绍了国内外多相流计量技术的发展历程，并就现在多相流测量技术的发展作了简要的介绍。
1多相流计量技术现状多相流的测量技术在开发上面也有很多的技术难题，不少的研究机构和厂家在研究整个测量流程的时候都或多或少的遇到了各种各样的难题，但每个厂家均在其自己研究的产品上获得了突破，解决了相应的技术难题。
比如利用小型取样分离技术的多相计量系统，在测量的过程中就会遇到原油起泡的问题，如果分离器内的气液分离效果不好，含水量的测量值就会不精确，甚至出现较大的偏差，多相流计量机的性能也会受到影响。
而采用微波、电感和电容技术实现多相流测量的流量计，它又只有满足在油连续相乳化液的流型的条件下才能使用，假如流体中的必要的特征出现变化或是不存在，往往会影响测量的精度出现大幅度的改变。
多相流的数值计算方法及应用
多相流的数值计算方法及应用多相流是研究两种或两种以上物质在同一空间内同时运动的流体力学问题。
通常，这些不同物质具有不同的性质，如密度、粘度、界面张力等。
在现实生活中，液体-气体两相流、固体-气体两相流和液体-固体两相流等都是常见的多相流现象。
由于多相流的复杂性，很难通过实验或经验法则进行分析和预测，因此数值计算方法成为研究多相流的必要手段。
多相流数值计算方法的进展多相流的数值计算方法主要包括欧拉方法和拉格朗日方法两种。
在欧拉方法中，各相的平均速度和平均状态变量在空间和时间上被模拟。
在拉格朗日方法中，物质的运动轨迹通过求解单个物质的速度和位置来模拟。
欧拉方法适用于高浓度分散相的多相流，而拉格朗日方法适用于较低浓度分散相的多相流。
随着计算机技术的发展，数值计算方法已经达到了越来越高的精度和复杂度，同时也具有了更广泛的应用。
构建数值模型所需的软件、计算资源和计算技术等方面都取得了重大进展。
以欧拉方法为例，目前常用的方法包括基于有限体积法、有限元法、谱方法、网格法以及混合方法等。
在这些方法中，基于有限体积法的方法最为常见。
而在拉格朗日方法中，最常见的方法是以质点法（PPM）为代表的基于粒子的方法和以Feynman-Kac方程为基础的Monte Carlo方法。
多相流数值计算方法的应用多相流在实际生产和生活中有着广泛的应用。
通过对多相流的数值计算模拟，人们可以更好地理解多相流的现象并加以优化，其中的一些应用包括：1.船舶航行在低温海洋环境下，水下的冰霜容易固定在船舶舞台上，导致航行受阻。
借助数值计算方法，研究者可以模拟冰霜在船身表面的生长过程，并提供适当的解决方案，以优化航行效率。
2.原油运输原油运输管道内经常存在较高浓度的沉积物，这些沉积物不仅增加了系统的能量损失，并且会影响燃油的品质，同时也影响了原油的采集和精炼。
基于多相流数值计算方法的优化设计，可以实现管道系统的流体化，并提高生产效率。
3.化学反应器在化学反应器中，反应液的不同组分往往对应着液体、气体以及相变等多种现象。
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测量相位速度和相位横截面分数
为了测量管道中三种组分的体积流量，需 要建立三个平均速度和三个相位截面。因此， 需要测量五个量（三个速度和两个相位分数）。
当然，这个难以达到的测量要求可以通过分离
或均相化来减少。
通过相分离，就没有测量截面持率的需要了，而 三个体积流量可以通过传统单相计量技术来测定。但 是，相分离是很昂贵的，而且在很多情况下很难实现。 如果通过使混合物均相化来均衡速度也可以把测量要 求减少到三个。这是更经济的选择而且是一些商用流 量计的核心。但是，能够达到均相化的范围总是有限 的。
测试持液率
测试各相速 度速度
测试各相 密度
体积流量
质量流量 图 1 油气水三相流量测试原理图
M=αγgσg+βγwσw+[1-(α+β)]γoσo
也常采用两种简化方式来降压上述测量的难度。两种方法 是部分分离和均相化。部分分离是将三相流体分离成气液 两相，以便更多的利用常规单相计量技术来计量分离相。 均相化是将流体在计量前均相处理，则可以认为名相流速 相等，整个横截面密度相等，这两种方法均降低了所需测 量数据的个数和难度。
多相流的计量主要计量其各组分含率和流速。
没有方法能够理论上预测这种关系，因此，一定要通 过校准来确定这些关系。但不可能在测量技术应用的 所有情况下校准，而且这种方法并不总是有效的。校 准方法通常可以通过神经网络技术来得到增强，这种 技术可以高精度地确定函数关系。然而，这种技术虽 然有用，但不能解决基本问题，也就是说校准只用于 实施校准的情况下。
因此，两种计量方法都有本质的缺陷， 正是由于这个原因迄今为止还没有获得
完全令人满意的计量方法。
三、测量方法
多相流量的测量方法
1、紧凑式分离方法——应用最广泛、可靠、
体积大
2、相分率和速度计量——使用条件受到限制
3、通过测量总流量和相分率实现多相计量—
—各种商业化流量计的做法，价格昂贵
2、-射线衰减法
-射线法是以双能级能源-射 线衰减（DEGRA）为基本原型 的。其原理在于-射线穿过多
相流管道时有能量衰减。相分
率不同，-射线衰减程度也不 同，并且对于不同能源 e1、 e2通过相同相分率的多相流体 时其衰减程度也不相同。图7所 示-射线穿过气、油、水三相 混和流动时衰减情况。
计量分离器
计量过程中首先 用两相计量分离 器将油井产出物 分出液、气两相， 然后用玻璃管量 液，人工井口取 样化验含水率。
液面恢复法
根据试井理论，油井关井后，液面上升率起初与关井时 间成正比，然后越来越慢。根据连通器原理，在关井时 间内，油套环形空间储存的流体可在相同时间内被抽油 泵抽出。因此，用仪器间隔一定时间测出3个液面深度， 由3个液面深度计算出液面恢复速度值，即可算出相应 的产液量。
o w g 1
由此可得出一个线形方程组：
Rw ( e1 ) Ro ( e1 ) Rg ( e1 ) w Rm ( e1 ) R ( e ) R ( e ) R ( e ) R ( e ) o 2 g 2 o w 2 m 2 1 1 1 g 1
第十三章 多相流计量技术
中国石油大学
李玉星
计量精度等级划分 传统井口计量方法 概况
基本原理
测量方法 多相流量计的性能评价
多相流量计的分类
国外主要多相流量计产品 多相流量计面临的挑战及未来发展趋势
计量精度等级划分
1．数据用于油田管理：精度要求：±5-10%
2．数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量 ：精度要
求：±2—5% 3．数据用于销售计量管理或管理权移动：精度要求：
±0.25—1.0%
传统井口计量方法
示功图法软件量油技术
该技术依据油井深井泵工作状态与油井液量变化关系， 建立抽油杆、油管、泵功图的力学和数学模型，通过获 取示功图数据，计量油井产液量 “功图法”油井计量技术具有以下特点：通过实时测得 多个功图计算的产量叠加获得油井全天产量，避免了双 容积以数小时量油折算日产量带来的系统误差；能够实 时采集处理数据、监控油井工况；自动化程度高，每个 数据处理点可管理40口油井
一、概发展、评估和运 用一直是世界油气工业的主要焦点。迄今为止，已经 开发了很多供选择的计量系统，但是没有一个能够称 得上是广泛应用或绝对精确。
第一个商用多相流量计出现在大约十年前，是80 年代初期多相计量研究项目出现的结果。曾经致力于 和正在研究多相流计量的开发的研究中心和石油公司 有：Tulsa、SINTEF、Imperial大学、国家工程实验 室、CMR、英国石油公司、德士古公司、埃尔夫石油 公司、壳牌石油公司、阿吉普石油公司和巴西石油公 司。
4、利用示踪物——用于校准以及湿气测量 5、流型识别——硬件结合软件，价格便宜
6、各相分别测量——复杂而且难以校准
主要参数的测量方法
一、相分率的测量方法
1、用快关阀技术测量空隙率
使用快关阀技术的主要问题：一是关闭阀门需要一定 时间，此时通道内的流型会发生变化，本方法从理论上说 存在误差；二是每次测量都要切断系统，影响系统运行。
二、基本原理
测量流动参数
流动参数是油气水流量的函数，因此可以 测定通过流量计的压降、射线束的衰减和混合 物的阻抗等参数，建立这些测量值与各相流量
之间的关系，要建立三相流动需要三个独立的
测量值。
多相流量计计量的主要数
据是流体中油、水、气三
相的质量流量。目前的技 术还不能直接测试流体中 三相的质量流量。当前采 用间接测量的方法即计量 每种成分的瞬时速率和各 自截面含率
对内径是d，含油、气、水三相流动的管道，其测量的衰减 计数Im(e)可用下式表示：
3 I m (e) I v (e) exp d i i (e) i 1
对于两个能级能源e1、e2，由于油、气、水三相线形衰减 系数显著不同，得到两个独立等式。由于相分率之和为1得 到第三个等式：