葉兵 (中海石油研究中心)

多相計量技術(shù)新進展

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)的大學研究中心和石油公司有:Tulsa(美國)、SINTEF(挪威)、Imperial大學 (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。對這些標準多相流量計進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測這種關(guān)系,因此,一定要通過校準來確定這些關(guān)系。但不可能在測量技術(shù)應用的所有情況下校準,而且這種方法并不總是有效的。校準方法通?？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,也就是說校準只用于實施校準的情況下。

第二種方法包括測量相位速度的基本參數(shù)和相位橫截面分數(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數(shù),第三個相位分數(shù)由整體與兩個測量值之和的差得到)。當然,這個難以達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,能夠達到均相化的范圍總是有限的 (例如,當大部分液體在壁面上而氣體百分數(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,在沙漠、沼澤等地區(qū)都可以應用。

3 得到廣泛應用的測量技術(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雜。可以通過使用層析χ射線攝影技術(shù)來改進阻抗法,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取決于上游的流動情況。實際上,在 Imperical大學,最近已經(jīng)嘗試使用上游效應作為流量計的依據(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行調(diào)節(jié),因此進入文丘里管時,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、分散相的百分數(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,在高的氣體百分數(shù) (尤其是高于0.9時)下最無效。最近在Imperial大學的工作集中在為高的氣體百分數(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),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)處尤為嚴重。還有建立廣義關(guān)系的困難,而且最終不能避免校準的要求。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致了上游段塞的加速以及高于實際速度的速度記錄。互相關(guān)技術(shù)常?？梢杂闪鲃拥念A均相化得以改進。理想上,這會導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80年代初至今,國外多相流計量技術(shù)的開發(fā)和應用取得了重要的進展。截至目前,國際公認的達到商品化程度并且在工業(yè)現(xiàn)場進行了較為廣泛試驗和應用的多相流量計產(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遠超出±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。

英國帝國理工學院 (Imperial College)多相流重點課題組開創(chuàng)性地將先進的神經(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的關(guān)系[3]。根據(jù)上述基本原理,ESMER運用先進的神經(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、浙江大學、清華大學、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工程熱物理所合作、遼河油田與清華大學自動化系合作都采用標準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)的工程人員認為目前應用的三相流量計并不十分理想,理想的三相流量計應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)復雜性造成這種技術(shù)現(xiàn)場應用的障礙。

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)應用于電導探針、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)用于超出所標定的范圍工作,就不能復制實體。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)