多相计量技术新进展

叶兵 (中海石油研究中心)

多相计量技术新进展

叶兵 (中海石油研究中心)

多相计量技术是近年来发展起来的计量方面的前沿技术,它是在不进行油气水三相分离的情况下,实现三相在线、连续、自动计量。在海洋石油、沙漠油田或边远油气田等特殊作业环境有着广阔的市场。

油田计量 多相流量计 多相计量

1 概况

在过去的十年中,多相流计量系统的发展、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的结果。一直致力于研发多相流计量技术的大学研究中心和石油公司有:Tulsa(美国)、SINTEF(挪威)、Imperial大学 (英国)、国家工程实验室 (英国)、CMR(挪威)、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。对这些标准多相流量计进行的测试是由英国石油公司和德士古公司共同完成的。在不到十年之内,多相流计量已经在油田中得到了认可,并开始成为新油田开发考虑的首要计量方法。

2 多相流计量的基本原理

基本上,有两种方法测量多相流的流量。第一种方法,测量流动参数,它是三个流量的函数。因此,可以测定通过文丘里管流量计的压降、γ射线束的衰减和混合物的阻抗,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。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。

第二种方法包括测量相位速度的基本参数和相位横截面分数 (持率)或与它们有明确关系的量。为了测量管道中三种组分 (油、气、水)的体积流量 (进而测质量流量),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,第三个相位分数由整体与两个测量值之和的差得到)。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必要了,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 (例如,当大部分液体在壁面上而气体百分数很高时,均相化就行不通。)因此,两种计量方法都有基本的缺陷,正因为这个原因迄今为止还没有完全令人满意的计量方法。

从检测技术的角度看,现有的多相流量计可以分为两大类:第一类是部分分离型多相流量计,第二类是在线多相流量计,二者各有优缺点。部分分离型多相流量计的特点是:需要一个简单的或者小型的分离器,其体积一般为三相分离器的25%以下;一般比传统测试分离器的测量精度好、造价低;能够对含少量液体的气体或者含少量气体的液体进行计量,需要一台配套的含水分析仪;在线多相流量计不需要分离器,其主要特点是:体积为测试分离器的5%以下,而质量仅为测试分离器的2%左右,测量精度与测试分离器基本相当,在沙漠、沼泽等地区都可以应用。

3 得到广泛应用的测量技术

3.1 双能量γ射线密度测量法

利用不同能量的γ射线源,可以测定三相的持液率,而且这些测量值与速度测量值结合产生所需的各相流量。该技术遇到的问题包括屏蔽、光源衰减、截面平均、基本统计不精确、检测设备的局限、改变水矿化度的影响以及水下应用中操作高精密电子仪器的普遍问题。尽管有这么多问题,但是双能量γ射线技术的发展已经使它成为一种相当可靠和有效的方法。

3.2 阻抗和微波技术

用于很多商用多相流量计中。这些技术的基本困难是方法的反应取决于流动构造。即使在两相流中,气泡、液滴和环状流之间的阻抗也有潜在的差别[1]。对于三相流,由于第三相的存在使问题更加复杂。可以通过使用层析χ射线摄影技术来改进阻抗法,但是此技术昂贵而且不能很好地建立三相流动。介电测量的另一个缺点是受连续相影响,而且在反转区 (含水率通常在40%～60%之间)运转不太好。

3.3 差压装置

一般用在单相和多相测量中。用于多相测量最普遍的装置是文丘里管流量计,有时也用喷嘴或节流阀等其他装置。一般来说,这种装置对多相流动的反应取决于上游的流动情况。实际上,在 Imperical大学,最近已经尝试使用上游效应作为流量计的依据。如果流动十分均匀,那么差压将由均匀流动模型给出。相反,如果通过文丘里管的流动仍然十分分散 (例如环状流),那么就要使用不同的模型 (分离流动模型)。真正分离流动模型的压降比均匀流动的压降低。可以对流动进行调节,因此进入文丘里管时,可以是分离流也可以是均匀流。但是,结果表明入口处分离流的压降比均匀流的压降低。这是因为文丘里管起到了混合器的作用,它再次把液体以液滴形式夹带出去,然后加速产生了更高的压降。流动中的液体有效黏度取决于连续相、分散相的百分数和它们混合的程度。流动黏度的增大使通过流量计的差压增大,可能会影响流动速度的计算。没有多相流通过文丘里管和其他装置的差压的广义关系。最好的方法是尽可能地使流动均匀化;均匀化在低的气体体积流量下最有效,在高的气体百分数 (尤其是高于0.9时)下最无效。最近在Imperial大学的工作集中在为高的气体百分数区域开发更好的均匀化方案。

3.4 互相关

沿管线的两个位置得到的信号之间的互相关在很多多相流量计中使用。因此,两测量值之间的互相关函数的峰值代表两测量位置之间流动特性的“飞行时间法”。此方法可以应用的测量技术包括差压、阻抗、γ射线衰减和声的传播[2]。尽管互相关方法有可以直接测量速度的优点 (因此不依赖于校准),但是还有很多问题,其中最重要的一点是为了测量速度,要求有独特的流动特性。通常,此流动特性是段塞。段塞很容易通过差压装置、γ射线或阻抗装置检测到,因此可以测定段塞的速度。

这里的问题是将段塞速度与流体速度的精度关联起来。段塞速度与流体速度之间的关系是非常复杂的:在高速度下,段塞以比流体速度大25%的速度移动;在低速度下,段塞速度与流体速度的比值很高。而且,段塞速度与流体速度的比值大大取决于物理性质。这个问题在三相体系中相转化点(从连续的油相转变为连续的水相)处尤为严重。还有建立广义关系的困难,而且最终不能避免校准的要求。另一个影响段塞速度和流体速度之间关系的问题就是段塞速度脉动。如果段塞经过节流阀,那么由于液体 (段塞)区中对流动的较高的阻力,流动在段塞通过的时间内逐步慢下来。在上游区域,压力增大,随后过余压力的释放导致了上游段塞的加速以及高于实际速度的速度记录。互相关技术常常可以由流动的预均相化得以改进。理想上,这会导致与流体平均速度接近的特征速度 (在这种情况下,会有均相化段塞的残余物),避免了校准的需要和含糊有效度的“理论”关系的引入。

4 国外研究现状

从上世纪80年代初至今,国外多相流计量技术的开发和应用取得了重要的进展。截至目前,国际公认的达到商品化程度并且在工业现场进行了较为广泛试验和应用的多相流量计产品包括:美国Agar公司的Agar-301/401、挪威 Roxor公司的Fluenta 1900Ⅵ与RFM流量计、挪威 Framo公司的 Framo多相流量计、美国 Daniel公司的MEGRA流量计、McCrometer公司的V-Cone流量计、英国Solartron公司的DualStream流量计和美国PECO公司的PECO流量计、意大利 TEA公司的VEGA流量计等[2];其中能够用于凝析天然气检测的流量计仅有最后四种。

商品化的多相流流量计在限定工况下能够以90%的置信概率达到10%以内的气液相测量精度。但由于使用条件的变化与误差传递等影响,在某些工况下油水相测量不确定度可能远远超出±10%的限度。公开声称能够解决凝析天然气流量检测的仅有 Solartron、McCrometer、PECO与 TEA四家公司,其余产品用于油气水三相流的计量,用于凝析天然气计量时,存在较大误差。其中已经发布成功应用报道的仅仅是英国的Solartron公司的DualStreamⅡ流量计。

英国帝国理工学院 (Imperial College)多相流重点课题组开创性地将先进的神经网络技术运用于流体测量,在实验室研制成功,并ESMER多相流测量技术获得多项专利。英国石油软件公司在实验室科研成果的基础上,开展了大量的应用研究工作,得到了包括 Shell、BP、Elf TotalFina等主要国际石油公司的积极赞助和支持。ESMER技术的核心是基于简单传感器的智能化软件系统,其基本原理为:任意的多相流动存在唯一的流态;唯一的流态可以用一组湍流随机特征进行量化和表征;随机特征可以从对流态敏感的传感器信号中提取;随机特征与多相流存在一一对应的关系[3]。根据上述基本原理,ESMER运用先进的神经网络、信号处理和模式识别技术,在大量模拟实验和油田现场测试的基础上,建立了大型数据库 (大规模的多相流数据包括参考流量、湍流信号、随机特征、管线和流体的物理参数等)和基于神经网络的自动匹配和自适应调节的模糊逻辑算法,实现多相流流量的实时精确测量。

5 国内研究现状

目前西安交通大学、浙江大学、清华大学、大庆油田先后开展了多相流技术的研究。兰州海默公司的MFM2000多相流量计采用伽马射线互相关测量流速,双能与单能伽马传感器测量相分率,经过运算后输出各相流量,MFM2000内部增加了一个静态流型调整器,使得测量精度受流型和相分率变化的影响较小;胜利稠油热采研究所与西安交通大学工程热物理所合作、辽河油田与清华大学自动化系合作都采用标准孔板流量计配差压变送器测量气液两相流,由得到的差压与差压噪声信号结合半经验的拟合公式测量稠油开采过程中的高温高压蒸汽注入量。1994年胜利油田设计院开展了智能型在线无分离三相流量计研制,设计了室内样机,确立了计量模型,完成了神经网络的设计以及气相计测量模型的构造,取得了液相计量误差小于5%、气相计量误差小于10%室内试验的阶段性成果。

6 新的多相流量计技术

石油工业的工程人员认为目前应用的三相流量计并不十分理想,理想的三相流量计应能精确地测量整个相分率范围内的各相流速。主要的石油集团对理想多相流流量的要求为:

◇相分率范围:体积含气率0～99%,含水率0～90%

◇液体流速和气体流速:误差在±5%以内

由于许多油田的开采处于中晚期,其含水率可能高达90%以上,故要求含水率测量绝对误差小于±2%,从机械设备的角度要求多相流量计是无介入式,以避免对传感器腐蚀及对流动产生附加压降。

过去十年中对三相流量计的研制做了大量工作,研制出一些型号的商用多相流量计,但均不能达到误差在±5%以内的要求。目前广泛采用的综合测量法很难使误差达到±5%以内。

NMR(核磁共振)及PNA(脉冲中子法)等能直接测量被测相流速及相分率,该项技术有一定的发展前景,但由于其造价高昂和技术复杂性造成这种技术现场应用的障碍。

过程成像技术是过去五年中迅速发展起来的一项新技术,但过去一直进行的是两相流成像,直到最近才出现三相流微波成像技术,所以此技术的性能指标还不清楚。

迄今为止,基于神经网络的流型识别技术已经应用于电导探针、差压和γ射线密度计中。人工神经网络的主要优点就是不以预先定义的规则为基础(如传统的信号处理技术),而是从培训用数据集获取经验[3]。这个特点使神经网络可以处理多相流动的非线性,并且精度高。但是,一旦这些智能系统用于超出所标定的范围工作,就不能复制实体。此问题的一个可能的解决办法是实现模糊逻辑。简要地说,不同类型测量 (或物理模型)的独立的每个结果都通过神经网络解释出来,那么,以特殊流动构造的每个物理和神经网络模型的可靠性为基础,通过一种决策树选择最精确的解决方法。已经表明这种集成方法比从单一神经网络模型衍生出的方法更精确。

7 结束语

多相流量技术是计量方面的前沿技术,有着广阔的市场前景。近几年在海洋石油平台上安装了十几台不同原理的多相流量计。从应用的效果看,流体的物性、温度、压力、组成对计量精度影响很大,没有一种多相计量技术产品适用于各种场合。

[1]杨向东等.多相流量计的原理与开发应用简介.石油工业技术监督 [J],2004,(4)

[2]洪毅,毕晓星.多相流量计的研究及应用.中国海上油气 (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)