目前油田的集输计量现状是利用传统的测试井分离器[3]实现对每一个油井的日采油产品的初步计量,并提供油质属性的相关参数,从而基于这些参数对井间采油设备做出合理的调整与修正。其无法满足了解单口油井油、气、水分别的流量,尤其是某些重要的新探眀区块的油井、海上油井以及有重要地质意义的油井。此外,传统的三相分离器因为尺寸巨大,再加上一些额外匹配的设备,所以占地面积巨大。这在寸土寸金的海上平台尤为显得不合适。传统的分离计量还要消耗大量的时间来等待流体的沉淀稳定,需要至少3~4 h的自然分离,因而无法实现对流体的实时计量。

多相流在线测量技术旨在实现实时线上的油、气和水多相流参数测控(见图3), 其最终输出结果包括: 油、气、水三相的瞬时流量和累计流量; 含水率、含气率、气油比、流速和流体的温度、压力等过程参数的瞬时值和累计平均值。对于海洋油气开采,尤其是深水,随着输油管线距离的增长,石油开采者希望获得对水下每一口油井产量的实时监控,从而基于测量参数,对油井生产作出合理的调整与控制。线上实时的多相流测量技术是为满足现代海洋油气开采中油井生产管理需求而研究开发的一种量身定做的技术更新,其应用范围贯穿整个油井测试、储量管理、生产分配过程。与传统海上平台测试井分离计量技术相比,它的优势包括以下4项。

1) 替代了整条测试井管线,安装在水下管线汇集处,省去体积庞大测试分离器,实现对不同油井的分量计量,这是传统分离器计量所不能实现的。这对于高成本的深海长输管线油气开采极为有价值,不仅意味着给出实时准确的多相流数据,更节省了大量的成本投入——无需额外地铺设一条水下管线通到海上测试井平台。

2) 无需占地面积,节省了海上平台的空间。

3) 无需流体分离对油、气和水三相实时测量,让油田生产获得更加准确连续的油井产出物的瞬时参数,更准确地评估油气井生产状况,做出油藏优化安全管理的决策。

4) 缩短工程建设周期,减少操作人员,大幅降低一次性投资费用和维护费用。此外,多相流量计不是一次性使用的设备,而是石油勘探生产公司的长期数据来源与参考。

目前较为成熟的多相流量计多设计成基于“部分气液分离”(partial separated based)的测量装置[3]。油、气、水三相首先通过一个直立的分离器,从而分离成气相和油水混合相两部分。液相聚集在分离腔下部,气相向上运动从气相旁路通过。在气相旁路上安装一个标准的气相流量计,实现对气相流量的计量。液相通过整流装置与剩余的小股气相混合,使不同流态的多相流成为均匀流,液相流量计给出液相流量和含水率。综合上述输出数据得到气、油、水相分率和体积流量,再将气相和油水混合成多相流流出测量系统。这种基于“部分气液分离”的多相流量计量系统的主要缺点——额外的尺寸和质量以及依赖分离器中的快速液位控制阀——使得其不适合在海底应用。一体式无需分离的高速在线多相流流量计(图4)必然是行业内多相流量计未来的发展趋势。它的体积更小,质量更轻,智能的传感器测量组件更多,给出的参数更吻合流体的瞬时物理工况,测量精度不受流体流型变化的影响。一体式多相流测量系统更适用于海底作业环境。

以下给出了安装在一体式多相流量计量系统上的传感器组件的功能原理。

a) 电容、电导成像。

通常浸在气液混合物中的电极可视为一个电容器。电容值的大小与混合物的介电常数有关,而介电常数是气相、液相介电常数和气相分率的函数,因此测量电极间电容值的变化,可以得到混合物的气相分率。在液相中介电常数是含油率和含水率的函数,通过对电极的优化设计,则可以实现对含水率的测量[4,5]。2012年,英国曼彻斯特大学联合斯伦贝谢剑桥研究中心和英国国家工程实验室(TUV-NEL), 实验论证了一种基于环状流整流器处理后的测试方法,可以实现当含水率低于40%的时候,电容技术对液相中WLR的测量达到5%的精度,并能同时准确给出多相流GVF的参比[6]。电导法实现对水连续相的含水率测量。通过测量流过探头两极间的油、水混合流体的平均电导率来测量含水率,电导率是气相、液相和含水分率的函数,含水率越高,电导越强。电容、电导测量的优势是廉价高速、无辐射。

b) 伽马射线。

伽马射线由随时间衰减的化学核子源产生,伽马射线能量衰减法是一种常用的测量方法[4,5]。伽马射线能量在两个能量级放射,当射线通过油、水、气混合物时,三相不等同地削弱伽马射线的能量。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[4,5]。这种方法具有非侵入式、无干扰的特点,而且可以用于相分率的全范围(WLR=0~100%)测量,测量精度高、稳定性好。但伽马射线具有以下缺点: i) 射线辐射对人体和环境有一定的影响; ii) 设备造价高,使用和维修困难; iii) 射线受含盐率的影响较大,因此在测量时应同步有独立的含盐率测量探头做数据矫正; iv) 伽马射线扫描的速度没有电容、电导成像系统快,对于高速流体,不能做到准确地瞬时捕捉。美国斯伦贝谢(Schlumberger)公司是业界多相流量计开发的领军,他们的Vx多相流量计系统[5]设计基于双能伽马射线衰变来实现相含量的测量,辅以文丘里实现流速与流量计量。设备必须垂直安装于管线上。

c) 微波。

微波衰减法[4,5]主要用于测量含水率,因为某一固定频率的微波经过不同含水体积分数的液相,可以产生不同的衰减,衰减幅度与含水体积分数有关。微波测量准确性不受流速度、黏度、温度、密度的影响,但测量受水的矿化度影响。微波衰减法能够适应很宽的含水率测量范围,在低含水率(WLR60%), 微波传感器的设计一般基于多变率原理[4,5], 因为高频电磁波在高导电的水相中衰变非常快,所以利用变频信号产生的衰变相位差测量含水率会更为有效。微波的多普勒效应[5]可以用来实现对气泡流速的测量。当入射波撞击到了液相中的气泡表面,微波被反射回来,并存在着反射波频率位移,这种频率位移与气泡的流动速度成比例。

d) 超声。

超声流量计[4,5]可分为液体流量计和气体流量计。与被测介质的黏度、温度、压力和导电率等因素无关,适于测量纯净液体。声波在油、气、水多相流中有很强的衰变,利用这种吸收衰变,可以实现对多相流密度的测量。超声脉冲(ultrasonic pulse-and-return)被用来实现对多相流流速的测量。一对收发器被安装在管道的上、下游两侧,互相发出超声脉冲信号,并回收信号。因为流速影响着声波回路时间,通过评估信号回收的时间差,可以计算出液体的流速。然而,当液体存在较多气泡时,气泡会阻碍声脉冲正常的传播回路,导致不能正常测量时间差。因此,在流量计上游安装气体分离器或整流器,均匀混合气液两相,以减少气泡对脉冲信号的影响是一种必要手段。高频的超声信号在导电液相中的衰变是非常快的,这也会影响脉冲测量的稳定性。

e) 电磁。

根据法拉第电磁感应定律,导电流体流过传感器工作磁场时,在电极上将会产生与流速成正比的电动势。通过测量导电流体介质在磁场中垂直并切割磁力线方向流动时产生的感应电动势,计算得到流速[5]。电磁流量测量的优势在于测量结果与流速分布、流体压力、温度、黏度、密度以及一定范围内导电率等物理参数的变化无关。传感器感应电压信号只与平均流速呈线性关系,因此电磁流量计对导电液相流速的测量非常准确。然而,这要求被测液体必须是导电的,且电导率不能低于阙值。电导率低于阙值,流体电阻率过高,使得导电流体出现集肤效应,增大信号的内阻、降低测量信号形成误差。当液体混入微小气泡,测得的是含气泡体积的混合计量。当混入气体过大,分布不均匀,可能改变流体流型,此时电极有可能被气泡覆盖,从而使测量电路回路断开,出现输出晃动甚至不能正常工作。解决的办法是在流量计上游加装气液混合器,实现气液均匀混合,离散相的气体变成小气泡状态均匀分布在液相,满足电磁流量计测量的条件。

f) 核磁共振。

一些原子核(如氢、氯、磷等)具有磁矩,能产生核磁共振。实质就是流体中原子核对射频能量的吸收。核磁共振法不接触测量流体,能够测量平均流速、瞬时流速、流速分布等[7]。它与被测流体的导电率、温度、黏度、密度和透明度等物性参数变化无关。在气液两相流测量中,由于核磁共振信号强度与空隙率成线性关系,故在各种流型下均能精确测量空隙率,即平均气体含量。然而,工业级用的核磁共振设备往往尺寸非常大、维护费用昂贵,因而很难实际应用。此外,磁场的辐射会导致金属电子设备的失灵。英国剑桥大学核磁研究中心(MRRC)在利用核磁技术实现气液、气固多相流测量方面做了大量的研究与探索。表明对于油气藏岩石多孔结构[7]的分析,核磁技术有着巨大优势和商业前景。

实现对多相流的准确测控,任何一种单一的传感技术都是有限的,这就必须要求多种传感技术的组合使用。因而对于测量数据的后期融合处理、算法实现、物理建模、误差修正等都提出较高的要求和周期更长的实验探索: 前期的传感器设计,如优化结构; 避免静电场与磁场耦合干扰; 辐射保护; 小信号测量电路设计等问题也是多相流测控研究过程中的挑战命题。对于水下多相流测量系统的开发,更是不可避免地需要考虑在低温、高压环境下的使用可靠性和稳定性。

未来多相流量测控系统的发展趋势要求: 一体式体积更小、无需流体分离、无辐射源的流量计; 系统灵敏度、准确度、测量范围的提高; 通用于不同油田的不同油品; 能够在恶劣的水下环境中稳定运行; 利用汁算机技术和图像处理技术,获取多相流体系统三维分布信息; 完善和改进多相流体计算的数学物理模型; 以及能通过相关建模提供油气藏储量及生产管理控制的计算机预模拟。