第十三章_多相流计量技术

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 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。

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。

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。

* 纪 红，女，1960年生，高级工程师。

1981年毕业于上海化学工业专科学校化工仪表自动化专业，现在中国石油天然气股份有限公司规划总院从事自控专业的规划设计工作。

通信地址：北京市海淀区志新西路3号938信箱，100083纪 红* 宋 磊张彦林中国石油天然气股份有限公司规划总院中国石油西北销售分公司纪 红等. 油井多相流计量技术. 石油规划设计，2008，19（5）：44～46摘要 在原油开采过程中，需要了解各油井的原油及天然气产量，从而确定油田区块地层油气含量及地层结构的变化。

采用多相流计量装置，可对油井产出液中各组分的体积流量进行连续计量，得到实时计量数据。

现场应用表明，多相流计量装置有许多技术优势和特点，其提供的各种数据可用于优化生产参数、提高采收率、优化工艺流程，是油田单井计量的发展方向。

关键词 油井 多相流体 流量计 气液分离 含气、含水率在原油开采过程中，为确定各油井的原油、天然气产量，了解地层油气含量及地层结构的变化，需要对油井产出液中各组分的体积流量或质量流量进行连续的计量。

通过提供的实时计量数据，可为生产管理提供参考，对优化生产参数、提高采收率起到重要作用。

目前，国内油田使用较多的单井计量方法是分离器自动玻璃管计量、人工玻璃管计量、油井计量车、翻斗计量装置、双容积计量装置、油井三相计量装置，而代表先进技术的多相流计量正在兴起。

多相流计量是在没有预分离的情况下，根据应用场合采用不同的精度等级，对油井产出液中的油、气、水进行计量。

多相流计量由于设备自动化程度高、管理简单、实时性好而日益成为油田单井计量的主要方法。

1 多相流计量的研究和应用现状多相流计量技术是20世纪70～80年代计量领域发展起来的一个新的分支，起初是在其流体流动工程测试环道上开始进行研究的。

80年代中期，研制出了第一代多相流量计，而最早进行现场实验的流量计是EUROMATIC。

美国、英国、德国、荷兰、挪威等国家，投入了大量的财力、人力进行多相流量计的研制和开发。

多相流计量技术在油井中的应用探讨摘要：随着社会的发展，石油和天然气变得越来越重要，油-气-水多相流计量技术在油井中也具备越来越重要的地位。

本文根据实践经验对油-气-水多相流计量技术在油井中的应用进行了具体的分析，阐述了多相流计量技术在国家能源开发战略的重要意义，以期对多相流计量技术在油井中的推广应用提供有力的技术支撑。

关键词：多相流计量技术；油井；应用；分析1引言随着石油工业和现代的不断发展，石油产地已经从较容易开发的内陆地区向海洋地区发展，我国目前的自主水深钻井能力大约在五百米到一千五百米之间，但水下的油气工程设备只能达到一百五十米左右，在海洋油气资源开发过程中，需要有海洋工程设备的跟进，而且水深的增加需要更多的水下生产作业。

因此，水下装备中的输油管线、水下设备控制系统，气液分离器、管汇平台等就变得越来越重要，而在钻探和开采过程中最为重要的问题是面对复杂流体的多相流问题。

发展油-气-水多相流计量技术是海洋油气开发过程中不可或缺的一项重要技术。

本文根据自身的实践经验和理论研究，对多相流计量技术进行了详细的论述，并对其在海洋油井中的应用进行了具体的探讨，为多相流技术在海洋油井中的应用提供了有力的技术支撑。

2 多相流计量技术在油井中的应用探讨2.1多相流计量技术简介多相流计量技术是指安装在水下管线汇集平台的各个管线节点上，用于计量每一个子油田油井口产出油流量，并监控流体的流型、液压、水含量、气体比例、气泡位置、流速、液温等参数，从而为水下设备的安全提供有效的数据。

在实际应用中，油-气-水多相流是一个多变量的随机过程，其参数复杂多变，测量困难，主要表现在以下四个方面：（1）特征参数多，如流速、气液比、水含量、压力等；（2）特征参数无规律变化，流动过程中含水率、含气率等瞬间变化且没有规律；（3）特征参数变化复杂，流体黏度、密度、物理参数等变化复杂；（4）液体流型变化复杂。

这些因素都给多相流计量技术带来了极大地挑战。

2831 多相流计量技术现状 相较于单相流，由于多相流中有多种流体，流体间流速、流体自身的性质各不相同，同时流动过程中流型也会发生变化，因此多相流会复杂的多。

流型不同，多相流的流动状态也会不同，而多相流流型的变化是由流体动力效应、瞬时效应、几何方向效应以及流体性质、流体流速、各流体占比综合作用产生的结果，众多的影响因素使得多相流流动状态变化复杂，也给多相流的计量造成了很大的困难。

从20世纪60年代开始，国内外进行了多相流测试技术的研究，现已有大量的多相流流量计应用于油田生产中。

然而从研究和应用情况看，已有的多相流量计往往用于特定的使用环境，当环境有变化时需重新标定流量计，从而使流量计精度在要求范围内。

但即便如此由于许多流量计大多还是针对特定的流型设置的，所以当被测流体流型改变时测量效果无法达到测量精度要求。

同时目前应用的产品还有一些问题：诸如制造费用较高，精度较低，对使用环境的适应性差等。

因此，多相流量计仍然需要进一步发展。

2 多相流计量分类 按照计量方式的不同，现已有的多相流流量计量可分为：完全分离式多相流计量、部分分离式多相流计量、不分离式多相流计量和取样分离式多相流计量四种。

其中，完全分离式多相流计量是油田生产中较为传统，同时也是应用较多的计量方式，这种方式先将待计量的流体进行完全气液分离，计量气相和液相的流量之后，再将两相汇集向下游管道输送，这种方法的缺点是占地面积大，耗时长，且无法及时反映油田生产状况。

部分分离式多相流计量在计量前也将气液两相分离，但与完全分离式不同的是，这种方法在进行气液分离时，只需将两相分离为以气相为主和以液相为主的两部分流体，再将这两部分流体用较为成熟的两相流计量计进行计量。

计量液相部分中的含气量和气相部分中的含液量是此种计量方式的关键。

相较于完全分离式多相流计量，这种方法占用的空间更小，但由于气液混合物并没有完全分离，因此这种计量方法对提高计量精度没有显著作用。

多相流实验技术的使用方法多相流实验技术是研究物质在多相条件下流动特性的重要手段之一。

在石油、化工、环境工程等领域广泛应用。

今天，我们将来探讨一下多相流实验技术的使用方法。

首先，多相流实验之前需要做好准备工作。

准备工作包括仪器设备的选择、实验样品的制备以及实验环境的控制等。

在仪器设备的选择方面，根据实验需求选择合适的设备，如流速计、压力传感器以及相态变化探测仪等。

对于实验样品的制备，需要注意样品的配比、混合方式以及液相、气相的性质等。

此外，为了保证实验结果的准确性，还需要对实验环境进行严格控制，如温度、湿度和压力等。

其次，多相流实验中常用的技术包括流型观测和流动参数测量。

流型观测可以通过高速摄影技术来实现，利用高速相机记录下不同流型下物质的运动轨迹和相互作用情况。

这种观测方法可以直观地展现多相流的流动特性，如气泡运动、液滴形变等。

而流动参数的测量可以通过选择合适的传感器和测量装置来实现，如流速计、压力传感器和浊度计等。

这些传感器可以帮助我们获取多相流的流速、压力、浓度等关键参数，进而分析多相流的流动规律。

另外，多相流实验技术的使用方法还包括模型的选择和实验设计。

在进行多相流实验时，我们可以选择合适的流动模型进行研究。

流动模型的选择应根据实际需求和研究领域来确定，如泡状流、液滴流、雾化流等。

不同的流动模型有不同的特点和研究对象，选择合适的模型可以更好地反映实际情况。

而实验设计是多相流实验中的另一个重要环节。

在设计实验时，我们需要考虑实验参数的选择、实验过程的控制以及数据的采集等。

合理的实验设计可以提高实验的可靠性和可重复性，确保实验结果的准确性。

此外，多相流实验技术的使用方法还需要注意实验过程的安全性和实验结果的分析。

在进行多相流实验时，我们需要遵守实验操作规程，佩戴个人防护用具，并确保实验环境的安全和稳定。

对于实验结果的分析，我们需要采用合适的数据处理方法，如平均值求取、回归分析和相关性分析等。

这些分析方法可以帮助我们从海量的实验数据中提取有用的信息和规律，为进一步的研究提供支持。

【技术】文丘里式流量计多相流动的计量方法文丘里式流量计具有计量准确，流体在流动过程中能量损失小，性能稳定便于后续的维护修理方便等诸多优点，因此在石油化工、冶金、军工等各个行业有着极为广泛的应用。

通常文丘里式流量计因其结构简单，可以直接安装在气液两相或者多相流的输运管线上，并且内部流动介质在不分离情况下借助先进的探测仪器进行测量，从而极大简化了生产流程，减少使用设备，降低生产成本。

在对文丘里管进行数值模拟研究时，国内外众多学者对其结构与空化现象的关联进行了研究分析，发现当文丘里管喉部周长与面积比值较大时，文丘里管内的气体积分数越大。

2009年英国人HASAN等使用“文丘里管+电导”当作重要检测元件，采取实验与理论结合的方法，解析探究了文丘里管内的气水二相流动。

在国内，天津石化有限公司已经对使用于文丘里皮托管流量计实现多相流动的计量方法开展了数据分析研发。

李恩贵等进行分析研发了环境温度变化对文丘里管流速系数的负面影响。

张丛林等研发了应用于重油流量计量的智能流量计。

罗凯凯对文丘里管进行了气液固三相模拟计算，对粒径、液体黏度、固体颗粒浓度等参数对于磨损的影响进行了研究。

CHEN发现局部颗粒浓度和颗粒沉积与流动有直接关系，在某些情况下，尽管总颗粒浓度较低，但由于流型的原因，局部颗粒浓度可能较高，从而影响磨损。

OKA等提出的磨损模型，粒径尺寸影响达到0.19次方。

CHEN等研究表明，空化活性往往随着粒径的增大而降低，气泡倾向于与颗粒相互作用，这意味着大颗粒很可能与多个气泡聚结，形成与该颗粒相互作用的单个气泡。

虽然近年来国内外大量学者对流量计进行了大量的研究，但是对其表面由于固液两相流造成的磨损形成破坏的过程和内部机理研究较少。

本研究运用CFD数值仿真计算方法，以文丘里式流量计过流部件内部固液两相流为研究对象，通过改变流量计内部的流动参数例如流量计进口速度、介质固体体积分数，固体颗粒粒径等，研究分析文丘里式流量计表面的磨损情况和DPM质量浓度分布情况，从而揭示文丘里式流量计流动规律和磨蚀情况，为文丘里式流量计的结构设计和预防磨损等提供理论参考。