葉兵 (中海石油研究中心)

多相計量技術(shù)新進(jìn)展

葉兵 (中海石油研究中心)

多相計量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的計量方面的前沿技術(shù),它是在不進(jìn)行油氣水三相分離的情況下,實現(xiàn)三相在線、連續(xù)、自動計量。在海洋石油、沙漠油田或邊遠(yuǎn)油氣田等特殊作業(yè)環(huán)境有著廣闊的市場。

油田計量 多相流量計 多相計量

1 概況

在過去的十年中,多相流計量系統(tǒng)的發(fā)展、評估和運用一直是世界油氣工業(yè)的主要焦點。迄今為止,已經(jīng)開發(fā)了很多供選擇的計量系統(tǒng),但是沒有一個能夠稱得上是廣泛應(yīng)用或絕對精確。第一個商用多相流量計出現(xiàn)在大約十年前,是80年代初期多相計量研究項目的結(jié)果。一直致力于研發(fā)多相流計量技術(shù)的大學(xué)研究中心和石油公司有:Tulsa(美國)、SINTEF(挪威)、Imperial大學(xué) (英國)、國家工程實驗室 (英國)、CMR(挪威)、英國石油公司、德士古公司、埃爾夫石油公司、殼牌石油公司、阿吉普石油公司和巴西石油公司。對這些標(biāo)準(zhǔn)多相流量計進(jìn)行的測試是由英國石油公司和德士古公司共同完成的。在不到十年之內(nèi),多相流計量已經(jīng)在油田中得到了認(rèn)可,并開始成為新油田開發(fā)考慮的首要計量方法。

2 多相流計量的基本原理

基本上,有兩種方法測量多相流的流量。第一種方法,測量流動參數(shù),它是三個流量的函數(shù)。因此,可以測定通過文丘里管流量計的壓降、γ射線束的衰減和混合物的阻抗,建立這些測量值與各相流量之間的關(guān)系,要建立三相流動需要三個獨立的測量值。沒有方法能夠理論上預(yù)測這種關(guān)系,因此,一定要通過校準(zhǔn)來確定這些關(guān)系。但不可能在測量技術(shù)應(yīng)用的所有情況下校準(zhǔn),而且這種方法并不總是有效的。校準(zhǔn)方法通?？梢酝ㄟ^神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來得到增強,這種技術(shù)可以高精度地確定函數(shù)關(guān)系。然而,這種技術(shù)雖然有用,但不能解決基本問題,也就是說校準(zhǔn)只用于實施校準(zhǔn)的情況下。

第二種方法包括測量相位速度的基本參數(shù)和相位橫截面分?jǐn)?shù) (持率)或與它們有明確關(guān)系的量。為了測量管道中三種組分 (油、氣、水)的體積流量 (進(jìn)而測質(zhì)量流量),需要建立三個平均速度和三個相位截面。因此,需要測量五個量 (三個速度和兩個相位分?jǐn)?shù),第三個相位分?jǐn)?shù)由整體與兩個測量值之和的差得到)。當(dāng)然,這個難以達(dá)到的測量要求可以通過分離或均相化來減少。通過相分離,就沒有測量截面持率的必要了,而三個體積流量可以通過傳統(tǒng)單相計量技術(shù)來測定。但是,相分離是很昂貴的,而且在很多情況下很難實現(xiàn)。如果通過使混合物均相化來均衡速度也可以把測量要求減少到三個。這是更經(jīng)濟的選擇,而且是一些商用流量計的核心。但是,能夠達(dá)到均相化的范圍總是有限的 (例如,當(dāng)大部分液體在壁面上而氣體百分?jǐn)?shù)很高時,均相化就行不通。)因此,兩種計量方法都有基本的缺陷,正因為這個原因迄今為止還沒有完全令人滿意的計量方法。

從檢測技術(shù)的角度看,現(xiàn)有的多相流量計可以分為兩大類:第一類是部分分離型多相流量計,第二類是在線多相流量計,二者各有優(yōu)缺點。部分分離型多相流量計的特點是:需要一個簡單的或者小型的分離器,其體積一般為三相分離器的25%以下;一般比傳統(tǒng)測試分離器的測量精度好、造價低;能夠?qū)倭恳后w的氣體或者含少量氣體的液體進(jìn)行計量,需要一臺配套的含水分析儀;在線多相流量計不需要分離器,其主要特點是:體積為測試分離器的5%以下,而質(zhì)量僅為測試分離器的2%左右,測量精度與測試分離器基本相當(dāng),在沙漠、沼澤等地區(qū)都可以應(yīng)用。

3 得到廣泛應(yīng)用的測量技術(shù)

3.1 雙能量γ射線密度測量法

利用不同能量的γ射線源,可以測定三相的持液率,而且這些測量值與速度測量值結(jié)合產(chǎn)生所需的各相流量。該技術(shù)遇到的問題包括屏蔽、光源衰減、截面平均、基本統(tǒng)計不精確、檢測設(shè)備的局限、改變水礦化度的影響以及水下應(yīng)用中操作高精密電子儀器的普遍問題。盡管有這么多問題,但是雙能量γ射線技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使它成為一種相當(dāng)可靠和有效的方法。

3.2 阻抗和微波技術(shù)

用于很多商用多相流量計中。這些技術(shù)的基本困難是方法的反應(yīng)取決于流動構(gòu)造。即使在兩相流中,氣泡、液滴和環(huán)狀流之間的阻抗也有潛在的差別[1]。對于三相流,由于第三相的存在使問題更加復(fù)雜?？梢酝ㄟ^使用層析χ射線攝影技術(shù)來改進(jìn)阻抗法,但是此技術(shù)昂貴而且不能很好地建立三相流動。介電測量的另一個缺點是受連續(xù)相影響,而且在反轉(zhuǎn)區(qū) (含水率通常在40%～60%之間)運轉(zhuǎn)不太好。

3.3 差壓裝置

一般用在單相和多相測量中。用于多相測量最普遍的裝置是文丘里管流量計,有時也用噴嘴或節(jié)流閥等其他裝置。一般來說,這種裝置對多相流動的反應(yīng)取決于上游的流動情況。實際上,在 Imperical大學(xué),最近已經(jīng)嘗試使用上游效應(yīng)作為流量計的依據(jù)。如果流動十分均勻,那么差壓將由均勻流動模型給出。相反,如果通過文丘里管的流動仍然十分分散 (例如環(huán)狀流),那么就要使用不同的模型 (分離流動模型)。真正分離流動模型的壓降比均勻流動的壓降低?？梢詫α鲃舆M(jìn)行調(diào)節(jié),因此進(jìn)入文丘里管時,可以是分離流也可以是均勻流。但是,結(jié)果表明入口處分離流的壓降比均勻流的壓降低。這是因為文丘里管起到了混合器的作用,它再次把液體以液滴形式夾帶出去,然后加速產(chǎn)生了更高的壓降。流動中的液體有效黏度取決于連續(xù)相、分散相的百分?jǐn)?shù)和它們混合的程度。流動黏度的增大使通過流量計的差壓增大,可能會影響流動速度的計算。沒有多相流通過文丘里管和其他裝置的差壓的廣義關(guān)系。最好的方法是盡可能地使流動均勻化;均勻化在低的氣體體積流量下最有效,在高的氣體百分?jǐn)?shù) (尤其是高于0.9時)下最無效。最近在Imperial大學(xué)的工作集中在為高的氣體百分?jǐn)?shù)區(qū)域開發(fā)更好的均勻化方案。

3.4 互相關(guān)

沿管線的兩個位置得到的信號之間的互相關(guān)在很多多相流量計中使用。因此,兩測量值之間的互相關(guān)函數(shù)的峰值代表兩測量位置之間流動特性的“飛行時間法”。此方法可以應(yīng)用的測量技術(shù)包括差壓、阻抗、γ射線衰減和聲的傳播[2]。盡管互相關(guān)方法有可以直接測量速度的優(yōu)點 (因此不依賴于校準(zhǔn)),但是還有很多問題,其中最重要的一點是為了測量速度,要求有獨特的流動特性。通常,此流動特性是段塞。段塞很容易通過差壓裝置、γ射線或阻抗裝置檢測到,因此可以測定段塞的速度。

這里的問題是將段塞速度與流體速度的精度關(guān)聯(lián)起來。段塞速度與流體速度之間的關(guān)系是非常復(fù)雜的:在高速度下,段塞以比流體速度大25%的速度移動;在低速度下,段塞速度與流體速度的比值很高。而且,段塞速度與流體速度的比值大大取決于物理性質(zhì)。這個問題在三相體系中相轉(zhuǎn)化點(從連續(xù)的油相轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的水相)處尤為嚴(yán)重。還有建立廣義關(guān)系的困難,而且最終不能避免校準(zhǔn)的要求。另一個影響段塞速度和流體速度之間關(guān)系的問題就是段塞速度脈動。如果段塞經(jīng)過節(jié)流閥,那么由于液體 (段塞)區(qū)中對流動的較高的阻力,流動在段塞通過的時間內(nèi)逐步慢下來。在上游區(qū)域,壓力增大,隨后過余壓力的釋放導(dǎo)致了上游段塞的加速以及高于實際速度的速度記錄?；ハ嚓P(guān)技術(shù)常常可以由流動的預(yù)均相化得以改進(jìn)。理想上,這會導(dǎo)致與流體平均速度接近的特征速度 (在這種情況下,會有均相化段塞的殘余物),避免了校準(zhǔn)的需要和含糊有效度的“理論”關(guān)系的引入。

4 國外研究現(xiàn)狀

從上世紀(jì)80年代初至今,國外多相流計量技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用取得了重要的進(jìn)展。截至目前,國際公認(rèn)的達(dá)到商品化程度并且在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行了較為廣泛試驗和應(yīng)用的多相流量計產(chǎn)品包括:美國Agar公司的Agar-301/401、挪威 Roxor公司的Fluenta 1900Ⅵ與RFM流量計、挪威 Framo公司的 Framo多相流量計、美國 Daniel公司的MEGRA流量計、McCrometer公司的V-Cone流量計、英國Solartron公司的DualStream流量計和美國PECO公司的PECO流量計、意大利 TEA公司的VEGA流量計等[2];其中能夠用于凝析天然氣檢測的流量計僅有最后四種。

商品化的多相流流量計在限定工況下能夠以90%的置信概率達(dá)到10%以內(nèi)的氣液相測量精度。但由于使用條件的變化與誤差傳遞等影響,在某些工況下油水相測量不確定度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出±10%的限度。公開聲稱能夠解決凝析天然氣流量檢測的僅有 Solartron、McCrometer、PECO與 TEA四家公司,其余產(chǎn)品用于油氣水三相流的計量,用于凝析天然氣計量時,存在較大誤差。其中已經(jīng)發(fā)布成功應(yīng)用報道的僅僅是英國的Solartron公司的DualStreamⅡ流量計。

英國帝國理工學(xué)院 (Imperial College)多相流重點課題組開創(chuàng)性地將先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于流體測量,在實驗室研制成功,并ESMER多相流測量技術(shù)獲得多項專利。英國石油軟件公司在實驗室科研成果的基礎(chǔ)上,開展了大量的應(yīng)用研究工作,得到了包括 Shell、BP、Elf TotalFina等主要國際石油公司的積極贊助和支持。ESMER技術(shù)的核心是基于簡單傳感器的智能化軟件系統(tǒng),其基本原理為:任意的多相流動存在唯一的流態(tài);唯一的流態(tài)可以用一組湍流隨機特征進(jìn)行量化和表征;隨機特征可以從對流態(tài)敏感的傳感器信號中提取;隨機特征與多相流存在一一對應(yīng)的關(guān)系[3]。根據(jù)上述基本原理,ESMER運用先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信號處理和模式識別技術(shù),在大量模擬實驗和油田現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上,建立了大型數(shù)據(jù)庫 (大規(guī)模的多相流數(shù)據(jù)包括參考流量、湍流信號、隨機特征、管線和流體的物理參數(shù)等)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動匹配和自適應(yīng)調(diào)節(jié)的模糊邏輯算法,實現(xiàn)多相流流量的實時精確測量。

5 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、大慶油田先后開展了多相流技術(shù)的研究。蘭州海默公司的MFM2000多相流量計采用伽馬射線互相關(guān)測量流速,雙能與單能伽馬傳感器測量相分率,經(jīng)過運算后輸出各相流量,MFM2000內(nèi)部增加了一個靜態(tài)流型調(diào)整器,使得測量精度受流型和相分率變化的影響較小;勝利稠油熱采研究所與西安交通大學(xué)工程熱物理所合作、遼河油田與清華大學(xué)自動化系合作都采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計配差壓變送器測量氣液兩相流,由得到的差壓與差壓噪聲信號結(jié)合半經(jīng)驗的擬合公式測量稠油開采過程中的高溫高壓蒸汽注入量。1994年勝利油田設(shè)計院開展了智能型在線無分離三相流量計研制,設(shè)計了室內(nèi)樣機,確立了計量模型,完成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及氣相計測量模型的構(gòu)造,取得了液相計量誤差小于5%、氣相計量誤差小于10%室內(nèi)試驗的階段性成果。

6 新的多相流量計技術(shù)

石油工業(yè)的工程人員認(rèn)為目前應(yīng)用的三相流量計并不十分理想,理想的三相流量計應(yīng)能精確地測量整個相分率范圍內(nèi)的各相流速。主要的石油集團(tuán)對理想多相流流量的要求為:

◇相分率范圍:體積含氣率0～99%,含水率0～90%

◇液體流速和氣體流速:誤差在±5%以內(nèi)

由于許多油田的開采處于中晚期,其含水率可能高達(dá)90%以上,故要求含水率測量絕對誤差小于±2%,從機械設(shè)備的角度要求多相流量計是無介入式,以避免對傳感器腐蝕及對流動產(chǎn)生附加壓降。

過去十年中對三相流量計的研制做了大量工作,研制出一些型號的商用多相流量計,但均不能達(dá)到誤差在±5%以內(nèi)的要求。目前廣泛采用的綜合測量法很難使誤差達(dá)到±5%以內(nèi)。

NMR(核磁共振)及PNA(脈沖中子法)等能直接測量被測相流速及相分率,該項技術(shù)有一定的發(fā)展前景,但由于其造價高昂和技術(shù)復(fù)雜性造成這種技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用的障礙。

過程成像技術(shù)是過去五年中迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù),但過去一直進(jìn)行的是兩相流成像,直到最近才出現(xiàn)三相流微波成像技術(shù),所以此技術(shù)的性能指標(biāo)還不清楚。

迄今為止,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流型識別技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于電導(dǎo)探針、差壓和γ射線密度計中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點就是不以預(yù)先定義的規(guī)則為基礎(chǔ)(如傳統(tǒng)的信號處理技術(shù)),而是從培訓(xùn)用數(shù)據(jù)集獲取經(jīng)驗[3]。這個特點使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以處理多相流動的非線性,并且精度高。但是,一旦這些智能系統(tǒng)用于超出所標(biāo)定的范圍工作,就不能復(fù)制實體。此問題的一個可能的解決辦法是實現(xiàn)模糊邏輯。簡要地說,不同類型測量 (或物理模型)的獨立的每個結(jié)果都通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解釋出來,那么,以特殊流動構(gòu)造的每個物理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的可靠性為基礎(chǔ),通過一種決策樹選擇最精確的解決方法。已經(jīng)表明這種集成方法比從單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型衍生出的方法更精確。

7 結(jié)束語

多相流量技術(shù)是計量方面的前沿技術(shù),有著廣闊的市場前景。近幾年在海洋石油平臺上安裝了十幾臺不同原理的多相流量計。從應(yīng)用的效果看,流體的物性、溫度、壓力、組成對計量精度影響很大,沒有一種多相計量技術(shù)產(chǎn)品適用于各種場合。

[1]楊向東等.多相流量計的原理與開發(fā)應(yīng)用簡介.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督 [J],2004,(4)

[2]洪毅,畢曉星.多相流量計的研究及應(yīng)用.中國海上油氣 (工程)[J],2003,(8)

[3]TorKragasF X Bostick Ⅲ,ChristopherMayeu,Daniel L,Gysling,AL EX van derspek.Down hole fiber-optic multiphase flow meter.2002 SPE Annual Technical conference and Exhibition.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.014

2009-10-01)