（检测技术与自动化装置专业论文）高含水率油、气、水多相流量计的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 油、气、水多相流广泛存在于现代石油工业中，对多相流测量技术的研究具 有重要的意义。然而，由于多相流在流动过程中流型复杂、成分多变等原因，对 多相流的测量具有很大的难度，到目前为止，世界上商业用的多相流量计很少。 在我国，由于长期注水开发，多数油田产液含水率不断上升，大部分进入高含水、 特高含水开采阶段，综合含水率超过8 0 0 , 6 。由我国油井的现状可知，研究高含水 率油、气、水多相流量计具有现实商业需求。目前世界范围内，大部分油井未到 高含水率开采阶段，但随着时间的推移，必然会到高含水率的开采阶段，由于能 源的紧缺，高含水率油井仍然有一定的开采价值。高含水率多相流量计将是一个 长期的发展趋势，其需求会随着时间的推移越来越多。 本文以高含水率油、气、水多相流的流量测量为研究内容，在概述国内外石 油领域中多相流计量研究进展及总结前人研究经验和成果的基础上，针对被测对 象具有多输入多输出的特点，提出了一种基于超声波、电导等多传感器的测量方 案。完成了测量系统整体方案的的设计和论证，详细论述了测量原理，传感器及 测量管段的设计和选型，硬件和软件的设计。该方案具有非侵入式、无放射性、 无可动部件和低成本等优点。 多相流量计采用模块化方法设计，主要由超声波检测模块、多电极电导检测 模块、温度和压力检测模块和主控模块等组成。每个模块都具有嵌入式微处理器， 能独立完成传感器信号的放大、采集以及测量值计算。 以a r m 芯片l p c 2 1 1 9 为核心设计了主控模块、超声波检测模块和电导检测 模块的硬件；以8 0 c 5 1 f 0 4 0 为核心设计、制作了温度和压力检测模块的样机， 并完成了调试。 多相流量计内部采用在汽车和工业控制系统中得到广泛应用的 c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 现场总线，来连接各个功能模块，使得连接简单、通 信可靠，有利于多相流量计的扩展和升级。主控模块通过c a n 总线汇集各个功 能模块的参数测量值，并进行信号处理运算得到油、气、水分相含率、分相流量 以及它们的累积量。 建立了一种结合数据融合技术进行信号处理以提高流量测量稳定性的油、 气、水多相流量测量模型。由于超声、电导传感器只能在部分流型下正常工作， 因此把数据融合技术引入到流量计的信号处理中，通过算法判断当前情况下哪些 传感器工作在有效范围内，选取有效数据进行数据的计算和分析，从而保证流量 计连续而稳定地运行。 关键词：多相流量计；高含水率；相含率测量；超声波测量；电导测量；相关检 测；数据融合 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t so fg r e a ti m p o r t a n c et om e a s u r et 1 1 eo i l - g a s - w a t e rm u l t i p h a s ef l o ws i n c ei th a s aw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o ni nm o d e mp e t r o l e u mi n d u s t r y b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt o d e v e l o pm p f m s ( m u l t i p h a s ef l o w m e t e r s ) b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ff l o wr e g i m e s a n dt h ei n c o n s t a n c yo ff l o wc o m p o s i t i o n , b yn o wo n l yf e wp r a c t i c a b l ec o m m e r c i a l m p f m sa r ea v a i l a b l e 1 1 圮c n k i eo i lf r o mm o s to i lf i e l d si nc h i n aa l w a y sh a sh i g h w a t e rc u t sw h i c hm a yb eo v e r8 0 s ot h e r ea l ec o m m e r c i a ld e m a n d sf o r h i g h - w a t e - e u to i l - g a s w a t e rm p f m s a f t e rs u m m a r i z e dt h er e s e a r c ho nm p f m sa n dt h er e s e a r c h e r s e x p e r i e n c e sa n d r e s u l t s 。t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t e dan o v e lm e t h o dt om e a s u r et h eh i g hw a t e r - c u t m u l t i p h a s ef l o wm a i n l yb a s e do nt h eu l t r a s o n i cs e n s o r , c o n d u c t a n c es e n s o r , a n d d i s c u s s e dt h em e a s u r e n m e n tp r i n c i p l e sa n ds o l u t i o n si nd e t a i li n c l u d i n gt h es e l e c t i o n s o fs e n s o r sa n dt h em e a s u r e n m e n tp i p e l i n e s t h eh a r d w a r e & s o t t w a r ed e s i g n 1 1 舱 m e a s u r e m e n ts o l u t i o nh a st h ea d v a n t a g e so f n o n - r a d i o a c t i v i t yp o l l u t i o n , n o n - i n v a s i v e ， a n dw i t h o u tm o v i n gc o m p o n e n t s 1 1 峙m p f mi sc o n s i s to fm a i na n dh i i ( h u m a nm a e h i n ei n t e r f a e e ) m o d u l e ， u l t r a s o n i cm e a s u r e m e n tm o d u l e ，c o n d u c t a n c em e a s u r e m e n tm o d u l e ，t e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r em e a s u r e m e n tm o d u l e e v c r ym o d u l eo ft l l em p f mc a nd e a lw i t ht h es i g n a l f r o ms e n s o ra n dc a l e u l a t e st h em e a s u r a n di n d e p e n d e n t l yw i t ha l le m b e d d e d n u e r o p r o c e s s o r a na r m p r o c e s s o rl p c 2 1 1 9w a su s e di nt h em a i nm o d u l e u l t r a s o n i cm o d u l e a n dc o n d u c t a n c em o d u l e as o c ( s y s t e r mo nc h i p ) 8 0 c 5 1 f 0 4 0w a se m p l 0 3 ，e dt o d e t e c tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h em o d u l e s o m es t a t i ct e s t so ft h em o d u l e sh a d b e e nc a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a ld a t ad e m o n s t r a t e dt h ee f f e e t i v e n e s so ft h e m o d u l e s a l lm o d u l e sa l ec o n n e c t e db yi sc a n f c o n t r o la r e an e t w o r k ) b u s ，w h i c hc a l l i m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b l i t y , m a k et h en e t w o r ks i m p l ea n de a s yt ob e e x p a n d e da n du p g r a d e d t h em a i nm o d u l eg a t h e r st h ep a r a m e t e r sf r o md i f f e r e n t m o d u l e sv i ac a nb u s ，a n dc a c u l a t e st h ev e l o c i t i e sa n dt h em u l t i p h a s ef l o w r a t e s as o f tm o d e lm e a s u r i n gt h eo i l g a s - w a t e rm u l t i p h a s ef l o wh a db e e ne s t a b l i s h e d b yd a t af u s i o nm e t h o d d a t af u s i o nc a ns o l v et h ep r o b l e mt h a tt h e 蚴s o r s 辩n o t a l w a y sa v a i l a b l eu n d e ra l lf l o wr e g i m e sa n dm a k et h em e a s u r e m e n ts y s t e mw o r k c o n t i n u o u s l y , s t e a d i l yb ye s t i m a t i n gw h i c hs e n s o ri sv a l i d ，c a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n g w i t ht h ev a l i dd a t a k c y w o r d s ：m p f m ；h i g hw a t e rc u t s ；p h a s ef r a c t i o nm e a s u r e m e n t ；u l t r a s o n i c m e a s u r e m e n t ；c o n d u c t a n c em e a s u r e m e n t ；e r o s s - c o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n t ；d a t af u s i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 多相流简介 1 1 1 概述 多相流通常指同时存在两种或两种以上的物质或相的流动，包括气液两相 流、气固两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流。由于多 相流动中各相之间存在界面效应和相对速度，相界面在时间上和空间上都是随机 可变的，使其流动特性远比单相流系统复杂，其特征参数也比单相流系统多( 1 】。 在石油领域，油、气、水多相流中的油相是指油井产出液中的液烃相，气相 是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相主要是指矿化水，同时还有极少量的固相 ( 砂、蜡和水合物等) 。多相流计量就是在没有预分离的情况下，对油井产出液中 的油、气、水所进行的计量。在不同的应用场合，对多相流量计的精度有不同的 要求：储存管理要求的精度范围为5 1 0 ，分配计量要求精度范围2 5 ，监视输送和商业计量的精度要求达到0 2 5 1 | 2 j 。 1 1 2 多相流计量的意义 油、气、水多相流计量是监测、控制油井和油藏动态特性的主要依据，主要 用于统计油井的产量和分配、监测油井的产油和输送状态。 为了合理开采原油，需要监控油田中每口油井的产量。传统的计量方式是使 用测试分离器。但使用测试分离器的缺点是流程复杂、价格昂贵、体积庞大。除 此之外，还要为每口油井铺设专门的测试管道。 近年来，国外石油工业的发展重点逐渐集中到海上。在海洋石油开发中，由 于受平台面积及重量的限制，传统的多相分离计量失去了它自身的优势 3 1 。 b a r s o n 等人对海上的一口卫星井分别使用测试分离器和多相流量计对测量情况 进行了比较，后者花费只有前者的4 7 1 4 j 。 至于多相流量计的机械结构，更倾向于非插入式的，这样可以避免传感器腐 蚀和额外压降的产生。w o l 弹5 l 认为通过三相流量计产生的最大压降是1 0 0k p a ， 这是可以承受的。随着高温高压井的开发越来越普遍，降低管汇中接口的数量就 越来越重要。流量计的复杂性已经不是一个重要的问题，关键是它的可靠性和最 小的维护费用，尤其是用于海上油田开发使用的流量计。 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 多相流计量的难点 多相流计量的难点主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 各相并非均匀混合，各成分趋向于保持分离。( 2 ) 各相以不同的速度 流动，相界面在时问和空间上变化比较大。( 3 ) 混合不规则，结果难以预料。 ( 4 ) 各相之间存在相互作用。气体从液体中逸出，或者被液体吸收；蜡和水合 物可以从流体中沉淀出来等等。( 5 ) 流动型态很复杂，特征参数较多。为解决 以上难点，关键所在是建立合理的测量模型，重视特征参数的选取，选用可靠的 仪器，应用先进的数据处理方法1 2 , 9 1 。 1 1 4 多相流的计量模式 分离式计量模式对被测流体进行三相分离后使用单相仪表计量，分离的效率 直接影响测量的精度，有时分离器本身就是一个系统；同时由于分离器的存在， 体积和重量都比较大，在海上油井上使用受到一定的限制；难以实现在线测量， 维护的费用也较高”“。 部分分离式计量模式把被测流体中的气体分离出来，然后对气体、油水混和 流进行计量。目前处于试用阶段，虽然没有做到完全分离，但体积和重量较分离 式计量较小，可是维护的费用也较高。 不分离式计量：不对多相流进行分离，直接检测多相流的流量等信息。实现 在线测量，体积小，节约空问，适合在海上平台推广，人工维护的费用较分离式 计量和部分分离式计量少。可以直接在油气混输管线上测量油、气、水多相流各 相的瞬时流量；减少设备和操作人员；可取代计量分离器以及配套的计量仪表和 控制装置，节省计量管线、管汇和建站费用，从而大幅度降低油田投资、简化油 田的生产工艺流程、缩短油田建设周期和操作费用等1 6 ，7 9 1 。但是目前适用于各 种流型，满足一般应用的成熟产品还未出现。造价高昂，有的具有辐射性，适用 性差。仪器价格高，同时没有达到一定的精度要求。 1 1 5 多相流计量的发展 自2 0 世纪6 0 年代以来，国外就建造了各种具有水平、垂直和倾斜测试段的多 相流综合试验环道，并展开了对多相流的研究。7 0 、8 0 年代，国外的t u l s a 大 学在其流体流动工程环道和挪威的s i n t e f 环道上就开始了对多相流计量的研 究。最早的有关多相流计量的文章是由b p 和t e x a c o 在8 0 年代中期发表的。美、 英、德等国投入了大量财力、人力进行多相流流量计的研究和开发。 2 浙江大学硕士学位论文 e u r o m a t i c 、t e x a c o 、b p 等研制了第一代多相流量计f j0 ，1 1 ，1 4 1 。目前大多数 的测试技术仅局限于实验室研究，为数极少的商品化的多相计量仪表在工业应用 中存在一定的局限性，并且造价昂贵。 在国内，西安交通大学、浙江大学、清华大学、大庆油田、石油大学等先后 开展了这方面的研究。我国在1 9 8 6 年召开了第一届全国多相流测试技术讨论会， 随后在1 9 8 8 年、1 9 9 0 年、1 9 9 2 年、1 9 9 6 年分别召开了第二、第三、第四、第五届 多相流测试技术讨论会，1 9 9 5 年在南京召开了首届国际多相流测试技术会议， 1 9 9 8 年和2 0 0 4 年分别在北京和杭州召开了第二、四届国际多相流测试技术会议。 1 2 多相流计量中采用的技术和方法 1 2 1 压差的检测 压降是输送管线设计的一个关键性参数，它决定了流体在系统中进行循环所 需的泵功率f 1 2 1 。在测量流量以及预测流型时，也具有重要意义【1 3 j 。很多情况下 我们所关心的是差压的时问平均值，而作为科学研究，特别是多相流的流型识别 和脉动研究时，主要关心的是差压的波动信号的频率、幅值等。多相流中压差的 测量主要有液柱式差压计、固态压力传感器、差压传感器。 ( 1 ) 液柱式差压计。被测压降是由管道抽头两处压力丑与昱相减得到。液柱差 压计是一种直读式差压计，其结构简单，使用方便。为准确测量差压，需要知道 引压管中液体的密度，并保持不变，所以传压管中应为单相流体，实际使用时较 为不便。 ( 2 ) 利用两台固态压力传感器的信号相减。固态压力传感器能直接感受被测介 质的压力，可以避免引压管的使用。可以解决引压管介质密度变化以及引压管气 体传递滞后。在需要测定压降的两点处安装两台固态压力传感器，两者的信号之 差即为压降。由于固态压力传感器反应灵敏，因此可以用这种方法进行差压的动 态测量。这种方法的最大缺点是测量误差较大。要求两个压力传感器性能完全一 致。这种方法静态精度略低，动态精度较高。 ( 3 ) 使用差压传感器。差压传感器的传压管分别被连接到差压传感器膜片的两 侧，膜片的变形与压差成比例。经常使用的差压传感器有磁阻式传感器和应变式 传感器。在使用中应注意引压管的密封和零点漂移问题。实际使用时，应选择有 较高响应频率的差压传感器，同时尽量缩短引压管，以减小压力传递过程中的时 间滞后。这种方法静态精度较高，动态精度略低。 3 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 相含率的测量 相含率的测量在石油多相流中具有十分重要的工程意义，其中最重要的是空 隙率的测量，在计算压力梯度、系统中总的液体滞留量以及流体流量时都会用到 空隙率。目前使用较多的方法有以下几种。 ( i ) 快关阀法【1 0 l 。把快关阀安装在要测量空隙率的管道的两端，当多相流流动 稳定时迅速关闭阀门，排出管道内的液体并计算其体积。由于通道体积已知，于 是可求得流体的平均空隙率。此法再现性好，在气水两相流系统中应用较多。缺 点是每次测量要切断系统，不能在线、实时测量，不易在实际工业生产中应用。 ( 2 ) 射线吸收法i 阍。用，、口或x 射线测量空隙率的原理是：当初始强度为厶的 ，、和x 射线穿过物质时，射线强度将会衰减为【l 】 i = 厶p ”( 1 1 ) 式中，为线性吸收系数；z 为射线在均匀吸收介质中穿过的距离。 扎口或x 射线束相继穿过通道壁、两相混合物及对面的通道壁后，再进入 探测器。首先测量当通道分别充满气体和液体时所接收到的强度如和l 。设通 道内为两相流体时测得的强度为，于是空隙率为【i 】 l n ，一l n ， 炉蔬 。力 其中，矿为空隙率。 这种方法只能测量射线穿过截面某一弦长上的空隙率，若要测量平均空隙 率，可以采用多束射线的方法【l1 6 1 。这种方法具有非插入式、无干扰的特点，缺 点是：精度不高，存在射线辐射，造价高，使用和维修困斛r 丌。 p c t r i c k 、s w a n s o n 和t h o m a s 等人都各自运用射线技术成功地测量过气液两相 流的空隙率【嘲。 ( 3 ) 射线散射法。射线散射法主要是指，射线散射法和中子散射法。，射线通 过多相流时衰减的部分能量是由于c o m p t o n 散射。由c o m p t o n 散射理论可知，当 ，射线与原子核中的电子作用时，将部分能量传递给电子，同时在与入射射线成 口角的方向上产生一定能量的光子，这部分散射光子的能量e 是散射初始能量 e 和散射角护的函数【l j ： f e 7 2 1 + 1 9 6 e ( = 。1 - c o s 0 ) ( 1 3 )、 ， 4 浙江大学硕士学位论文 散射的光子能量可以用一个安装在入射 ，射线成口角的光子检测器进行检 测。通过对散射光子的计数，就可以确定通道内部的空隙率。 y 射线散射法的优点是可以测量局部的空隙率，而且无干扰。是射线吸收法 和下面要介绍的电学法所无法比拟的。由放射源的统计特性可知，要获得高精度 需要很长的计数时间，在此过程中流动状态难以保持稳定。此外，还要考虑到自 吸收对测量的影响。k o n d i c 、h a h n 和l a s s a h n 等人在这方面做了大量工作。 中子散射法的原理是：将待测定空隙率的通道截面布置于快超热中子束中， 然后计数测定被散射和透射的中子流密度。如果入射强度比较均匀，则被散射的 热中子流密度取决于横截面上含氢物质的数量，而与其分布无关。通过对散射的 中子通量进行计数，就可以测出管道截面上的平均空隙率。使用本技术的最大问 题在于获得合适的中子源，而它一般不易得到；造价极其昂贵；需要被测介质中 要有含氧物质，适用范围有限。 ( 4 ) 电学法。电学法是测量空隙率的重要方法之一，电学法分为阻抗法和电导 探针法。其中阻抗法又分为电容法和电阻法【嘲，由于电容法没有易损组件，结 构简单，安装方便，可靠性好，维护方便，易于在工况条件下安装和长期使用， 而获得广泛应用。这里重点介绍电容法和电导探针法。 电容法的原理：大多数情况下，多相混合物中液相的介电常数占和电导率r 与气相的不同。在两电极板间的混合物的等效电路如图1 1 所示。 l c o c , 图1 1 两电极板闯混合物等效电路 其中，c o c 是混合物的容纳，它正比于混合物的介电常数；i i r 为混合物的 电导，它正比于混合物的电导率；翻c 为极化容纳，它的影响可以通过提高电源 频率或在电极上镀铂来消除，所以对于空隙率的测量主要关心的是混合物的容纳 和电导。当( 国c ) 2 ( 1 ，r ) 2 时，可以进一步忽略电导分量而只考虑电容分量。电 容值的大小与混合物的介电常数s 有关，而占是气相介电常数、液相介电常数和 空隙率的函数，因此测量电极的电容值的大小就可以得到混合物的空隙率。 采用电容法测相含率时，由于介质温度对介电常数的影响较大，必须进行温 度补偿，并且测量管段应是绝缘的，一般要用非导电材料制做测量管。电学法测 5 浙江大学硕士学位论文 量的最大优点是能够进行瞬态测量，此外它还具有结构简单、价格低、易于实现 等优点，因此一直受到普遍关注，提出各种改进方法以解决测量中存在的问题。 m e r i l o t 2 0 1 等发明了旋转场技术，从而获得一个平均的测量场。l u e a s 和s i m o n i a n 等人也研究了旋转场技术，并应用了多电极电容传感器1 2 1 1 。 电导探针法测量空隙率的原理是：在油、气、水多相流中，油和气是不良导 体，水为良导体。因此可以利用水与油和气导电率的显着差别实现对油、气、水 多相流截面空隙率的测量。当电导探针与水接触时，回路电流较大，测量电路输 出高电平；当电导探针与油和气接触时，回路电流较小，测量电路输出低电平。 随着油、气、水多相流交替流过电导探针，测量电路将输出随时间连续变化的电 压信号。由空隙率的定义，在稳定的多相流中，探针所在点的平均空隙率为 2 2 1 口= l i m l rf(t)dtt-adt ( 1 4 )， 热儿，= 羹嚣筹 a s a l i 等人首次应用了环行探针；同时a n d r e u s s i 和t s o c h a t z i d i s 等人研究了关 于探针结构灵敏度的理论基础 2 3 - 2 5 1 。k o s k i e 等人研究了平行线状探针测量液膜厚 度的应用和标定阴。实际中应用较多的是环型探针，这种方法具有很好的重复 性和可用性【1 9 1 。 ( 5 ) 其它方法。其它方法包括：核磁共振法【2 7 ，2 8 1 、光学法 2 9 - 3 n 、热学法和微波 法等。就目前来看，应用较多的是射线吸收散射法和电学法。j o h a nc a r l s o n 和 a n d e r sg r e n n b e r g 用一个超声波发生器，两个超声波接收器实现了水中铁矿石颗 粒的相浓度大于3 时的测量，精度1 ；并用实验验证了该方法的有效性1 6 ”。 1 2 3 相速度的测量 流速测量分为均相流测量法和分相流测量法。均相流测量法是在测量前进行 均相化处理，按单相流处理，测量均匀混合物的流速。目前很多多相流量计采用 文丘利管法测量均相混合物流速。分相流测量法根据测量原理的不同，主要有相 关法、节流法和容积法。这里重点介绍相关法。 ( 1 ) 相关法i j 叫 沿多相流管道相隔一定距离布置两个特性相同的传感器，分别检验多相流相 含率或压力等随机流动噪声信号。根据相关技术确定上下游噪声信号的渡越时 间，即可求得相关速度。常用传感器有测量相含率信号的，射线和电容电导传 感器及测量压力信号的压力变送器等。当前超过半数的多相流量计采用相关法设 计。用于相关测量的参量也用于相含率推算。该方法的优点是只有信号中的交流 6 浙江大学硕士学位论文 成分作为信息用于相关函数中，对热力影响和零点漂移不敏感。 如图1 2 所示，x ( f ) 、j ，( f ) 分别为上、下游传感器测得的信号，工是两个传 感器之间的距离，d 是测量管道的内径。两个信号的相关函到3 3 ，3 4 为： ( f ) = 亭f ) ，( f ) x ( f r ) 西 ( 1 5 ) 在理想流动状态，流体在两个传感器之间的流动时间通常由观测到的渡越时 间得到，此时相关函数达到最大值。流速可以表示为： 1 ，：三 ( 1 6 ) 。 上 。l r；诽船 髂 流动方向 d r 乜掣 岛( f ) = ；r y ( f ) “f f 图1 2 相关测量原理图 实际上，这种“凝固”流体模型只是理想状态的假设，并不是严格成立，实 际测得的两个随机流动特征信号j ( f ) 、y ( f ) ，可以看作是符合各态遍历平稳随机 过程五( f ) 、y t ( t ) 的两个样本函数。若上、下游传感器间距设计合理，且两个传 感器和变送器的静、动态性能完全一致，就可以认为这两个随机流动特征信号 x ( t ) t t 铂y ( t ) 是相似的嗍，具有相关性，可以利用互相关算法计算这两个信号之间 的时间差。 相关技术已经应用于多相流量计，而且传感器的有多种类型：微波传感器、 电容传感器和y 射线传感器等【3 日。它所测的实际上是分散相的速度，如果各相 7 浙江大学硕士学位论文 之间有滑动，就会产生误差。很多相关领域研究人员在减小由于相问滑动而引起 的误差方面做了大量的工作，同时也取得了很好的成果1 3 ”。l u c u s 还用动态电导 相关的方法同时测量两相流中各相的速度口8 j 。 假设流体在流过上、下游传感器截面时，流动状态不变，称之为“凝固”流 体模型，在这种简化的模型中，流体的流动特征信号保持不变。由于x ( f ) 与) ，( f ) 是同一流体在不同截面处的流动特征信号，基于“凝固”流体模型有： 砸+ f ) = m )( 1 7 ) ( 2 ) 其它方法 皮托管是测量单相流流速的常用设备，把探头正对流体就可以测得和局部 流体静压相对应的动压，由此可计算出速度。但这种方法只适用于均相流，而且 动态测量的效果不是很理想。 l d v ( 激光多普勒) 法测量速度的原理是：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，只 要测出多普勒频移即可确定示踪粒子的速度( 即流体的速度) 。l d v 法具有非接 触式、空间分辨率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽等优点。缺点是：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等【1 2 1 。 p i v ( 粒子成像测速) 法测量速度的原理是1 1 】：利用扩散在流场中微小粒 子对光的散射性，用多次曝光方法获得流场中粒子在给定的不同时刻的像的位 置，从而测出各粒子相应时刻在流场中相应位置处的位移，进而得到其相邻曝光 间隔的平均速度。p i v 法能进行流场测试，无干扰；但只能对液相或气相进行测 试、造价高、要求测量管段可视化。 p n a ( 脉冲中子活化) 和n m r ( 核磁共振) 技术可以直接测量相速度和 相含率，有很大的潜在优势，但方法的复杂性和高成本限制了其发展。目前，这 两项技术只能用于实验室条件下的两相流动。 1 2 4 流量的测量 混相输送是油气管输的发展方向，混相在线计量是其关键技术之一。目前发 展起来的混相计量技术大致有两个方向： ( 1 ) 把已经成熟的单相流量仪表应用到多相流量的计量中，再结合多相流 本身的流动特征进行计算得到各组分流量。如将差压式流量计、涡轮流量计、容 积式流量计、涡街流量计、电磁流量计和科氏力流量计等多种单相流量计应用于 多相流量的测试，取得较大进展，如孔扳差压式流量计建立了基于分相流模型、 8 渐江大学硕士学位论文 均相流模型和差压脉动噪声的多种两相流模型：对涡街流量计提出了频率自适应 测量信号处理方法等。通过这些测量模型，传统的单相流量仪表可以用来测量多 相流动的流量。文丘利( v e n t u r i ) 管法是当前使用最多的多相流量测量法。文丘 利管结构简单，体积小，维护方便。尽管如此，这些流量计的测量精度和稳定性 受使用条件的限制变化较大，应针对不同情况进行选择。在混合均匀的情况下， 用单相流量计可以测量混合物的流量。使用时任何偏离均相的流动都可能引起不 确定性误差。 ( 2 ) 运用近现代新技术进行不干扰流动的流量测量，如辐射技术、激光技 术、超声波技术、微波技术、新型示踪技术、相关技术和过程层析成象技术等。 但这些方法不能直接测量多相流各相的质量流量，只能测量多相流部分流动参 数。综合上述两种或两种以上的方法测得多相流各相的流量。 1 3 多相流量计介绍 1 3 1 多相流量计分类 一般来说，目前商业用多相流量计可分为分离式多相流量计和不分离式多相 流量计。目前为止还没有关于多相流量计性能的统一标准，以下介绍的各种多相 流量计所用的不同技术的组合都有其优缺点，因此，不能说哪一种组合技术提供 的结果最好。在此，仅概括性地介绍各种多相流量计的结构和原理。 ( 1 ) 分离式多相流量计 t e x a c o 公司研制的s m s 多相流量计，是较早用于现场测试的一种多相流量 计。它将流体分成气、液两相，然后用流量计测量液体流量，用微波监测仪测量 液相的含水率，气相流量用涡轮式流量计测量。目前其计量精度是：含水率精度 5 、油和水流量精度5 、气体流量精度4 - 1 0 。 e u r o m a t i c 公司开发的多相流量计较有代表性，它是最早用于现场测试的一 种多相流量计。它由涡轮流量计和 ，密度计组成。涡轮流量计用来测量流体的体 积流量，y 密度计测量流体的密度。涡轮流量计附近装有旁通管线用于分离液体 测取密度。 美国a g a r 公司研制的m p f m - 4 0 0 型多相流量计将油、气、水多相流分离成 主液相和主气相两部分【4 2 】。流动转向器将大部分游离气转向气相旁通，湿气相 的体积流量使用精度为1 0 的两相流量计计量；主液相流体通过由容积式流量 计( 文丘利流量计及微波相含率分析仪) 组成的测量部分，综合上述输出数据得到 油、气、水分相含率，再将主气相流体和主液相流体在流出测量系统之前混合成 9 浙江大学硕士学位论文 单一的流体。m p f m - 4 0 0 流量计适用于高含气率流体的测量，不确定性在1 0 之间，含气率最高可达到9 9 4 。 美国a c c u f l o w 公司的a f 系列多相流量计用立管作为气液分离器，用旋转 流量计测量气相流量，用涡轮流量计测量液相流量。使用互补质量流量计以及纯 油自动测量仪分别测量油水在流动液体中的质量流量。当产液量较大时，分离器 中分离出的气体很容易进入液相中，产生测量误差1 4 3 】。 ( 2 ) 不分离式多相流量计 不分离式多相流量计是在不对井液作任何分离的情况下直接在线测量，实现 油、气、水多相流量计量，是多相流量计发展的主要方向。其技术难度主要体现 在油、气、水分相含率及各相流速的测定。目前，多相流流速测量技术主要有混 合+ 压差法、正排量法和互相关技术。其中互相关技术应用最多。挪威f r a m o 公 司的m p f m 和m p f m 1 9 0 0 多相流量计等都采用互相关技术测量流体流速1 4 4 1 。 挪威r o x a r 公司的f l u e n t a1 9 0 0 v i 多相流量计，采用单源 ，射线衰减仪结合 电容传感器( 用于油相为连续相流体) ，电导传感器( 用于水相为连续相流体) 来测 量流体的相含率。使用相关法和文丘利流量计来测量相速度，垂直管道中，通过 流量计的流型只能是：泡状流、段塞流及环状流。当流体中含气率在3 0 6 0 范围内以及8 0 1 0 0 范围内时，测量误差小于1 0 ，当含气率为6 0 8 0 时，测量误差小于1 5 4 5 1 。 挪威r o x a r 公n t 4 5 1 的l p 型多相流量计( m f i 被r o x a r 收购前) 的主体结构由两 个独立的仪表组成，其中一个为组份计，用于测量传感器中油、气、水的瞬时体 积或质量百分数；另一个为速度计，用于测定油、气、水混合物通过传感器的速 度。油、气、水每种组份的瞬时体积或质量流量就可以通过这两个仪表所给出的 输出信号进行计算求得。组份计测量油井未处理流体的介电性质( 介电常数和导 电率) 和密度。水对介电性质比较敏感，气对密度比较敏感。介电性质的测量使 用的是一种新获专利的微波技术，它可对工艺流体进行精确、稳定、快速的电测 量。测量密度用的是常规y 密度计，直接装在传感器法兰上。速度计在两个横截 面做非常快速的微波介电测量，由两路信号的互相关得到流体流速。 k o s 公司和s h e l l 公司联合研制的m c f 3 5 1 型多相流量计适用于段塞流。连续 测量各相所占横截面面积，以各相的流速乘以各相的面积，从而计量出段塞流中 各相流量。流量计量段采用一对插入管内并与流向并行的平传感器板测量不同位 置的介电常数和电导率，其中持液率可以通过测量液体的介电常数测得。传感器 板上镶嵌着数个电极组成的电容。流量计通过位于管线顶部和底部的电极测出液 体在管线内所占横截面积，间接求出气体所占的横截面积。位于管线底部和顶部 的每一对传感器的互相关测量能决定管段底部液体速度和气体流速。气、液各自 浙江大学硕士学位论文 体积流量的计量精度为1 0 。 a g a r 公司的m p f m 3 0 1 型多相流量计主要由流量计和微波含水率分析仪两 部分组成。流量计由体积流量计和两个动量计组成，以测定气相流量和液相流量。 微波含水率分析仪用来确定含水率。计算机求解五个联立方程( 其中两个是非线 性微分方程) 。厂商声称，此流量计不论流体连续相是油还是水，工作得都很好。 并且流体速度、矿化度、p h 值、粘度、温度以及密度等方面的变化都很少造成 影响嗍。 英国i s a 公司的s c r o l lf l o 型多相流量计利用容积式计量原理测量体积流量， 结合y 射线密度计来测量多相流体的密度和含水率，由此得到多相流各相的质量 流量。s c r o l lf l o 型多相流量计装有两个低速旋转的螺旋型转子，每次旋转传送 一定量的多相流体通过流量计。流体被转子限制在一个很窄的空间内，在一定的 转速下，每次通过流量计的流体体积是相同的，可防止滑脱，而且无需用模型或 其它数学技术来确定多相流体性质。用脉冲检测装置测量转子的转速，可以方便 地测量体积流量。在s c r o l lf l o 型多相流量计的中心，用 ，射线密度测量不连续 的流体，在较短的时间内可得到较精确的平均密度。由于所测得的密度与转子内 腔尺寸所限定的单元体积有直接联系，只要简单地将单元体积流量乘以密度即可 求得多相流的质量流量。从已安装好的仪表上测得压力和温度值，用这些数据可 以进行修正m 。 兰州海默公司研制的m f m 2 0 0 0 多相流量计是根据“微扰”多相流理论研制 成功的专利产品。该产品主要由流型调整装置、互相关流量计和双能y 传感器组 成。它采用互相关测量方法检测管道测量截面上通过的油、气、水多相流中的气 速和液速，利用双能，射线测定管道测量截面上油、气、水多相流中的含水率和 含气率，同时，还对油、气、水多相流的温度和压力进行监测。相应的计算机软 件即可根据测量值求得标准状况下的体积流量或质量流量。该流量计在大庆油田 多相流量计实液对比测试装置和英国n e l 多相流实验室进行了标定测试。目前， 该公司产品已进入工业化应用阶段m 。 挪威f r a m o 公司的f r a m o 多相流量计利用一个桶式混合装置使流体在径向和 轴向都能均匀混合。流体中密度最大的组份从桶底经喷射器排出，而密度最小的 浙江大学硕士学位论文 组份从桶顶排出并经一根管引回到喷射器。在喷射器内，两种组份按照喷射比混 合。混合装置使计量系统完全不受上游流态的影响并为计量段提供均相流。均相 化后的流体通过一个文丘利流量计来测量混合物的速度，采用双源 ，射线衰减流 量计来确定油、气、水三相的相含率。这种流量计曾在三相流管道及海上管道线 进行过测试，结果表明油、水的测量误差在5 以内。当流体中含气率低于7 0 0 , 6 时，气相的测量误差小于5 【4 5 1 。 英国j i s k o o t 公司的m i x m e t e r 多相流量计采用差压变送器测量总流量，用双能 ，射线仪测量含水率和含气率。该流量计结构紧凑，无可动部件，差压损失d d 4 a l 。 此外，挪威k v a e m e r 公司的d u e t 多相流量计、英国e s m e r 公司的t 系列多 相流量计、意大利t e a 公司的l y r a 多相流量计和挪威f l o w s y s 公司的t o p f l o w 多 相流量计等也属于直接在线测量式的多相流量计 4 9 巧2 1 。 以上介绍的多相流量计普遍成本较高，应用范围也受到一定的限制，同时很 多都使用射线作为检测手段。 1 3 2 多相流量计的发展趋势 多相流计量主要有以下发展趋势【1 ，1 1 , 1 6 , 5 3 1 ： ( 1 ) 成熟的单相流参数测试技术与测量仪表在多相流检测领域的应用仍然是 重要的研究方向。 ( 2 ) 借助于各种现代高新技术的发展研制灵敏度、准确度和可靠性高的多相 流传感器和参数测试仪表势在必行。 ( 3 ) 利用计算机技术和图像处理技术，获取多相流体系统二维或三维时空分 布信息。应用过程层析成像技术，对多相流局部空间区域进行微观和瞬态测量。 ( 4 ) 完善与推广目前已有相当基础的相关法等测试技术。 ( 5 ) 随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、 过程识别、参数估计和模式识别等理论和技术，进行多相流参数估计的软测量方 法将会成为重要的研究方向。 ( 6 ) 对多相流动过程中参数测量系统的建模、特征参量的选取、时变性的自适 应功能和动态跟踪能力等基础理论的研究，以及对多相流参数的校验标定方法和 误差分析等基础方法的研究将日益受到关注。 浙江大学硕士学位论文 1 4 选题的根据和研究意义 在我国，由于长期注水开发，多数油田产液含水率不断上升，大部分进入高 含水、特高含水开采阶段，综合含水率超过8 0 ，电容法等测量含水率的方法已 经不能满足油田的需要【5 钔。由我国油井的现状可知，在国内存在高含水率油、 气、水多相流量计的现实商业需求。 目前世界范围内，大部分油井未到高含水率开采阶段，但随着时间的推移， 必然会进入高含水率的开采阶段，由于能源的紧缺，高含水率油井仍然有一定的 开采价值。高含水率油、气、水多相流量计也将是一个长期的发展趋势，其需求 会随着时问的推移，越来越多。 最后，本文提出的设计方案可以对多相流量计的设计和研究有一定的借鉴意 义。 1 5 本文的研究内容 1 5 1 研究目标 目标是实现一种高含水率油、气、水多相流量计，具有压降小，无放射性， 体积小，无可动部件，结构紧凑，低成本等特点。 1 5 2 内容和结构 在总结前人研究经验和成果的基础上，设计了一种高含水率油、气、水多相 流量计。多相流量计采用模块化方法设计，主要由超声波检测模块、多电极电导 检测模块、温度和压力检测模块和主控模块等组成。每个模块都具有嵌入式微处 理器，能独立完成传感器信号的放大、采集以及测量值计算。 多相流量计内部采用c a n 总线连接各个功能模块，使得连接简单、通信可 靠，有利于多相流量计的扩展和升级。主控模块通过c a n 总线汇集各个功能模 块的参数测量值，并进行信号处理运算得到油、气、水分相含率、分相流量以及 它们的累积量。 建立了一个油、气、水多相流量的测量模型。由于超声、电导传感器只能在 部分流型下正常工作，因此把数据融合技术引入到流量计的信号处理中，通过算 法判断当前情况下哪些传感器工作在有效范围内，选取有效数据进行数据的计算 和分析，从而保证流量计连续而稳定地运行。 全文分为如