第十三章_多相流计量技术课件

,单击此处编辑母版标,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十三章 多相流计量技术,中国石油大学,李玉星,第十三章 多相流计量技术中国石油大学,计量精度等级划分,传统井口计量方法,概况,基本原理,测量方法,多相流量计的性能评价,多相流量计的分类,国外主要多相流量计产品,多相流量计面临的挑战及未来发展趋势,计量精度等级划分,计量精度等级划分,1,数据用于油田管理：精度要求：,5-10%,2,数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量 ：精度要求：,2,5%,3,数据用于销售计量管理或管理权移动：精度要求：,0.25,1.0%,计量精度等级划分 1数据用于油田管理：精度要求：,传统井口计量方法,示功图法软件量油技术,该技术依据油井深井泵工作状态与油井液量变化关系，建立抽油杆、油管、泵功图的力学和数学模型，通过获取示功图数据，计量油井产液量,“,功图法,”,油井计量技术具有以下特点：通过实时测得多个功图计算的产量叠加获得油井全天产量，避免了双容积以数小时量油折算日产量带来的系统误差；能够实时采集处理数据、监控油井工况；自动化程度高，每个数据处理点可管理,40,口油井,传统井口计量方法示功图法软件量油技术,第十三章_多相流计量技术课件,计量分离器,计量过程中首先用两相计量分离器将油井产出物分出液、气两相，然后用玻璃管量液，人工井口取样化验含水率。,计量分离器,液面恢复法,根据试井理论，油井关井后，液面上升率起初与关井时间成正比，然后越来越慢。根据连通器原理，在关井时间内，油套环形空间储存的流体可在相同时间内被抽油泵抽出。因此，用仪器间隔一定时间测出,3,个液面深度，由,3,个液面深度计算出液面恢复速度值，即可算出相应的产液量。,液面恢复法,一、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。,一、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,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出现的结果。曾经致力于和正在研究多相流计量的开发的研究中心和石油公司有：,Tulsa,、,SINTEF,、,Imperial,大学、国家工程实验室、,CMR,、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。,第一个商用多相流量计出现在大约十年前，是80年,二、基本原理,测量流动参数,流动参数是油气水流量的函数，因此可以测定通过流量计的压降、射线束的衰减和混合物的阻抗等参数，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。,二、基本原理 测量流动参数,多相流量计计量的主要数据是流体中油、水、气三相的质量流量。目前的技术还不能直接测试流体中三相的质量流量。当前采用间接测量的方法即计量每种成分的瞬时速率和各自截面含率,M=gg+ww+1-(+)oo,多相流量计计量的主要数据是流体中油、水、气三相的质量流量。目,也常采用两种简化方式来降压上述测量的难度。两种方法是部分分离和均相化。部分分离是将三相流体分离成气液两相，以便更多的利用常规单相计量技术来计量分离相。均相化是将流体在计量前均相处理，则可以认为名相流速相等，整个横截面密度相等，这两种方法均降低了所需测量数据的个数和难度。,多相流的计量主要计量其各组分含率和流速。,也常采用两种简化方式来降压上述测量的难度。两种方法是部分分离,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。,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,测量相位速度和相位横截面分数,为了测量管道中三种组分的体积流量，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）。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。,测量相位速度和相位横截面分数,通过相分离，就没有测量截面持率的需要了，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。,通过相分离，就没有测量截面持率的需要了，而三个,因此，两种计量方法都有本质的缺陷，正是由于这个原因迄今为止还没有获得完全令人满意的计量方法。,因此，两种计量方法都有本质的缺陷，正是由于这个原因迄今为止还,三、测量方法,多相流量的测量方法,1,、紧凑式分离方法,应用最广泛、可靠、体积大,2,、相分率和速度计量,使用条件受到限制,3,、通过测量总流量和相分率实现多相计量,各种商业化流量计的做法，价格昂贵,三、测量方法多相流量的测量方法,4,、利用示踪物,用于校准以及湿气测量,5,、流型识别,硬件结合软件，价格便宜,6,、各相分别测量,复杂而且难以校准,4、利用示踪物用于校准以及湿气测量,主要参数的测量方法,一、相分率的测量方法,1,、用快关阀技术测量空隙率,使用快关阀技术的主要问题：一是关闭阀门需要一定时间，此时通道内的流型会发生变化，本方法从理论上说存在误差；二是每次测量都要切断系统，影响系统运行。,主要参数的测量方法,2,、,-,射线衰减法,-,射线法是以双能级能源,-,射线衰减（,DEGRA,）为基本原型的。其原理在于,-,射线穿过多相流管道时有能量衰减。相分率不同，,-,射线衰减程度也不同，并且对于不同能源,e1,、,e2,通过相同相分率的多相流体时其衰减程度也不相同。图,7,所示,-,射线穿过气、油、水三相混和流动时衰减情况。,2、-射线衰减法-射线法是以双能级能源-射线衰减（DE,对内径是,d,，含油、气、水三相流动的管道，其测量的衰减计数,Im(e),可用下式表示：,对于两个能级能源,e1,、,e2,，由于油、气、水三相线形衰减系数显著不同，得到两个独立等式。由于相分率之和为,1,得到第三个等式：,对内径是d，含油、气、水三相流动的管道，其测量的衰减计数Im,由此可得出一个线形方程组：,Rw,、,Ro,、,Rg,是当管线中分别充满水、油、气三相时的计数值，,Rm,是管线中充满混和流体时的计数值。,e1,、,e2,分别为能源能级为,e1,、,e2,时的测量值。,由此可得出一个线形方程组：Rw、Ro、Rg是当管线中分别充满,-,射线法的优缺点,-,射线法的优点十分显著，它能够处理任何油水比的情况并且是非介入式测量。,缺点主要有两方面：,由于放射源的随机性，测量时间和测量精度有一定的冲突。若想提高精确性就需要用较长的测量时间，克服此缺陷的途径是加大能源能级，但这是以降低安全操作为代价的。,水中的含盐成分对测量也有很大的影响。由于盐水具有较高的衰减系数，水相中盐成分的变化会引起测量水相分率误差较大。为此,Scheer,和,Letton,提出采用三能级,/,多能级来解决这个问题。双能级能源可以确定三相流的相分率，使用三能级能源（,TEGRA,）可以多确定一个参数，如含盐量的变化等。,-射线法的优缺点 -射线法的优点十分显著，它能够处理任何,单束射线的缺点是：测量值与流型关系较大，不能代表截面上平均密度，现在均采用双射线束或多射线束解决上述问题。镅,-241(Am-241),被证明是较好的放射源，一般低能级能源范围是,1030Kev,，高能级能源其能级应高于,4050Kev,。,单束射线的缺点是：测量值与流型关系较大，不能代表截面上平均密,3,、用,侧散射技术测量局部空隙率,应用,侧散射技术的主要问题：一是流体中某一确定点在很小的立体角范围内散射的光子的强度非常小，因而要得到较高的精度需要很长的计数时间，但在如此长的计数时间内，难以保持条件的完全稳定；二是要考虑被散射射线的自吸收，而这取决于对系统中空泡分布的了解，因而需要迭代计算局部空隙率的分布，引起计算误差。,3、用侧散射技术测量局部空隙率,4,、使用中子散射测量空隙率,将需要测定空隙率的通道截面布置于快超热中子射束中，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。所以本方法适合于测量横截面平均空隙率。,使用本技术的最大问题在于获得合适的中子，而且其造价极其昂贵。,4、使用中子散射测量空隙率,图,2,快中子测量相分率技术示意图,图2 快中子测量相分率技术示意图,5,、电容,/,电导,/,电感传感器,电容,/,电导传感器由至少两个安装在管壁上的金属板电极组成，形成几列电容器，使流体从两块金属板或电极之间的空间流过；电感传感器通常是一个环绕在管道上的线圈。基于油气水不同的导电特性和电介质特性，认为混合物的电特性是物理性质已知的各相流体所占比例的函数，因此根据测量得到的电容、电导、电感值就可以计算出油气水各相的相分率。这种方法的缺点是受含盐率的影响。,5、电容/电导/电感传感器,油、水、气的介电常数图,油、水、气的介电常数图,6,、微波相分率传感器,该传感器也是通过测量多相混合物的电介质特性来实现相分率的测定。传感器由电磁波发射器和接收器组成，频段位于,MHz,或者,GHz,，属于微波频率范围。混合物的介电常数是微波频率和混合物电导率的函数，测量得到的介电常数是各相介电常数的体积加权平均值，结合其它条件可以计算得到多相混合物各相分率。,6、微波相分率传感器,7,、用非介入式自耦变压器测量空隙率,Abdullah A.Kendoush,，,Zareh A.Sarkis,提出了利用自耦变压器测量两相流空隙率的新技术。这一技术基于两相流混合物变成一个磁场区，在该磁场区里，任何空隙率的变化都会引起两相流混合物磁导率的变化。该技术适合于非金属管线两相流的测量。,7、用非介入式自耦变压器测量空隙率,自耦变压器测量空隙率原理图,自耦变压器测量空隙率原理图,二、局部流速的测量方法,1,、使用皮托管测量局部速度,皮托管是测量单相流中流体速度的经典设备。将探头正对物流就可以测得与当地流体静压相应的动压，由此可计算出速度。皮托管广泛地应用于两相流研究，但整理记录得到动压数据比较困难。使用皮托管测量速度的主要问题是它只适用于流动均匀且两相流速几乎相等的情况。,二、局部流速的测量方法,2,、使用互相关技术测定局部速度,如果在流动的上下游各布置一个传感器，就可以获得有一定时间延迟的两条类似曲线。这一时间延迟表示了脉动从一处迁移到另一处所需的时间。如果脉动随流体以流体速度迁移，就可以把脉动当作示踪物。其互相关函数为：,2、使用互相关技术测定局部速度,对足够长的时间取平均，因而不随,T,而改变。在处达到最大，为渡越时间，于是流动速度,U,为：,式中：,上下游两个传感器间的距离。,对足够长的时间取平均，因而不随T而改变。,在多相流量计测速率时引入了许多种传感器技术：如微波式传感器、,射线传感器及电容式传感器等。,相关法测量的精确性取决于从相关函数顶峰值得出的速率与流体平均流速之间关系的有效性。,对于油、气、水三相流体流动，测得的是某相的速率，若各相之间存在滑差就会出现测量误差。,在多相流量计测速率时引入了许多种传感器技术：如微波式传感器、,采用两种方法来降低由于滑差而引起的速率测量误差。第一种方法是在传感器上游安装混合器使流体均相化，以确保所有的相以相同的速率流动。,另一种方法来降低由于滑差而带来的误差。此方法采用电容传感器来测量气相速率；采用两套传感器测量大气泡流速和液相流速。,Watt,使用双能源,-,射线传感器来确定气液相流速，使用高能级或低能的,-,射线确定气相流速，使用混和信号的相关式确定液相流速。,采用两种方法来降低由于滑差而引起的速率测量误差。第一种方法是,3,、使用,LDV(,激光多普勒测速,),技术测定局部速度,LDV,技术进入多相流测速领域已有,20,多年的历史，具有非接触方式、空间分辩率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽等特点。应用激光多普勒效应测速的基本原理是：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，因而只要测出多普勒频移即可确定示踪粒子即流体的速度。示踪粒子可以是夹在气相中的液滴、液相中的气泡或液相中的固体粒子。,LDV,仪是,1964,年,Yeh,与,Cummins,用于测量管中层流流场后发展起来的。近年来向集成化、光纤化、智能化、精确化的方向发展。同时,LDV,也有不足之处，如只能测透明流场、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。,3、使用LDV(激光多普勒测速 )技术测定局部速度,4,、使用,PIV(,粒子成像测速,),技术测定局部速度,PIV,技术的基本原理是利用散布在流体中的微小示踪粒子对光的散射作用，用光学方法记录这些粒子不同时刻在流场中的位置，得到众多粒子在各个时间间隔上的位移。同时，基于粒子对流场的跟随性而测出流体在粒子所处位置的瞬时运动参数。从本质上讲，,PIV,技术是采用粒子跟随技术进行流场显示和定时测试的。,PIV,技术是,70,年代末基于计算机及其接口技术的高速发展及摄像技术和图象处理技术卓有成效的进展而提出的、实现全流场流动显示和定量测试的不干扰流场的光学方法，目前正处在快速发展之中。,4、使用PIV(粒子成像测速)技术测定局部速度,四、多相流量计的性能评价,多相流量计的性能参数,准确度（不确定度）,复现性,影响量,四、多相流量计的性能评价多相流量计的性能参数,准确度的描述,实际总的多相流量的相对误差作为不确定度；,总流量中实际液体和气体的相对误差作为不确定度；,液相中含水率的绝对误差作为不确定度。,准确度的描述,误差定义,校准方法,绝对误差,ERRi=Qi,（测量）,-Qi,（参考）,/Qi,（参考）,相对误差,ERRi=Qi,（测量）,-Qi,（参考）,/Qi,（满刻度）,总误差,ERRi=Qi,（测量）,-Qi,（参考）,/Qi,（总）,研究者在进行多相流量计的现场测试时一般使用以下误差定义：,这里,i,是多相流体中某一相，,Q,是体积流量，一般用传统的测试分离器及其仪表的测量结果作为参考值。,误差定义校准方法绝对误差ERRi=Qi（测量）-Qi（参考,多相流计量系统中数据流动和误差传播示意图,多相流计量系统中数据流动和误差传播示意图,第十三章_多相流计量技术课件,油流量不确定度为常数,20%,时的压力 等高线作为压力函数的油流量的不确定度,参数为油的密度,API,和气油比,GOR,油流量不确定度为常数20%时的压,多相流量流计的复现性表述及确定,流量计的复现性是定量地表示在相同的质量和数量条件下多次测试结果之间的一致性，而每次单独的测试都是在不同的规定条件下进行的。工艺条件、流量计的安装、流态等都是影响流量计复现性的重要参数。,一个多相流量计测得的一组流量的不确定度可以根据流量计的测试值和流量计测试装置检定的标准值之间的偏差而确定。特别要强调在确定复现性时应将试验室测试标定条件和现场测试条件与其他影响量等同起来。,多相流量流计的复现性表述及确定,影响量,影响量可理解为由于其数量变化或状态改变而引起所测变量的准确度发生变化的量，包括：,1,、从一种流态区改变为另一种流态区；,2,、添加剂，例如乳化剂、防蜡剂、防腐剂；,3,、安装影响、上游直管段长度、弯头等；,4,、水矿化度、相对密度等；,5,、所测流体压力。,影响量,五、多相流量计的分类,分离式多相流量计,分离总流和取样分离,均相化处理多相流量计,非均相化处理多相流量计,均相化多相流测量系统和非均相化多相流测量系统在计量前都不需对流体进行分离，直接在线测量。,采用神经网络技术,五、多相流量计的分类分离式多相流量计分离总流和取样分离,分离式多相流量计,分离式多相流量计,第十三章_多相流计量技术课件,第十三章_多相流计量技术课件,均相化处理多相流量计,均相化多相流量计由静态混合器、文丘里流量计（测量总流量）、,射线分析仪（测量含水率）组成。,这种多相流量计的主要困难是难于得到均质混合物，特别是含气率大于,30%,以上时，气液的分布将是不均匀的，对于混合器的混合效率以及由此可能引起的阻塞作用,均相化处理多相流量计,第十三章_多相流计量技术课件,非均相化处理多相流量计,非均相化处理多相流量计,第十三章_多相流计量技术课件,第十三章_多相流计量技术课件,使用人工神经系统的非介入式多相流量的测量,监测多相流的传感器得到包含丰富信息的复杂信号，为了提取单相流速的信息，需要采用较高级的数学处理方法。,CALtec,和,EDS,Scicon,在石油财团及英国健康安全部的支持下，采用人工神经网络技术预测多相流量，不需要复杂的传统的数据处理系统。人工神经网络系统通过分析实例来开发自己解决问题的方法，因此人工神经网络系统是对比而不是计算。,多相流量计的困难在于需要测量油气水三相的相分率及流速。,CALTec,在设计其人工神经网络系统时，采用电容测试箱、,-,射线密度计、声学及压力传感器对多相流体测量进行了大规模的实验。这些实验产生包含丰富信息的大量复杂数据，数据内部包含了自然流体的特征。神经网络系统就是从这些数据中提取有用的信息并与待测流体的数据进行比较。,使用人工神经系统的非介入式多相流量的测量监测多相流的传感器得,神经网络系统进行多相流量计的特点,通过实例分析的能力。尽管对于理论研究多相流体是有限的，但存在含有丰富信息的数据可以采用网络技术开发。,能处理非线形问题的能力。多相流特别是处于流型转变的多相流，表现出高度的非线形，神经网络系统能较好地处理。,从主干相信号中提取信息的能力。非介入式传感器的特点是信号干扰。神经网络系统不仅能从信号干扰中提取信息并且能够了解传感器的特征。,从实例中总结的能力。神经网络能够从有限的例子中内插以及进行某种程度的外插。,综合来源于三信信号源的数据的能力。这就突破了单一传感器的缺陷。,迅速建立有效解决方法的能力。数据对比而不是程序计算。,神经网络系统进行多相流量计的特点 通过实例分析的能力。尽管对,图,18,管理学习系统略图,图18 管理学习系统略图,网络系统是由许多对比构成。对比组又由已知输入和期望响应值组成。输入输进入到网络的中子输入层，激活的中子信号在网络中反馈，对于多相流计量输入信号（间短观察）是传感器输入值，而输出值包括已知气、液相流速。根据目前输出和所有例子期望输出值的差异在网络系统内通过修正、对比，最终取得满意的输出。,经实验验证神经网络技术所预测的气、液相流量与实际测量值较吻合，气、液相流量平均误差小于,10%,。,网络系统是由许多对比构成。对比组又由已知输入和期望响应值组成,六、国外主要多相流量计产品,Daniel,公司的,MEGRA,多相流量计,采用由,SHELL,石油公司开发的可以测量均相流中油气水含率的,Dual Gama Ray,技术与内置文丘里头锥体流速测量技术，测量精度为,7%,，在线测量参数包括：混合物总流量、各相流量、累计流量、含水率、含气率、混合物粘度、工艺压力、温度。,六、国外主要多相流量计产品Daniel公司的MEGRA多相流,Agar,在线多相流量计,包括一个涡轮流量计和两个文丘里管，二次仪表根据三个传感器的输出计算得到气体和液体的体积流量；含水率微波监测仪来测量。不能用于高含气井流的测量。,Agar在线多相流量计,Roxor RFM,与,Fluenta 1900 VI,流量计：,利用几种不同传感器的组合测量流速，使用,Cs-137,伽马密度计测量总密度，结合电容和电感传感器确定相分率。还增加了一个文丘利管来测量单相液体或者气体，以此扩大流量计的适用范围。主要在海上油田安装。,Roxor RFM与Fluenta 1900 VI流量计：,Framo,在线多相流量计,该流量计使气液混合均匀。混合器由一个大的增压室和一个笛装管组成。在混合器下游安装了一个文丘里管和一个,Ba-133,双能伽马传感器，分别测量总流量和相分率。该流量计适合于海上油田的三相计量。,Framo在线多相流量计,ESMER,多相流量计,ESMER,技术的核心是基于使用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。,ESMER多相流量计 ESMER技术的核心是基于使用,Solartron,公司的,DualStream,凝析天然气流量计,该流量计采用混合器和双文丘里管的方法测量凝析天然气总流量，并对气液流量进行温度、压力补偿。置信概率为,90%,时，测量精度为,5%,。,Solartron公司的DualStream凝析天然气流量计,McCrometer,的,V-CONE,流量计：,该流量计节流件的结构特殊，目前报道的测量指标中该流量计是最高的，对气液相的测量精度均可达到,4%,以下，单相计量精度更高，可以达到,0.2%,，适用于单相、两相、三相流计量。未查到有关该产品应用的报道。,McCrometer的V-CONE流量计：,PECO,公司的凝析天然气流量计,该流量计采用加长文丘里管测量气液两相流量技术，通过测量文丘里管入口与喉部差压、加长段的压降，进行运算得到气相质量含率，进一步得到两相流量。,PECO公司的凝析天然气流量计,国外多相流量计普遍存在以下问题：,计量范围窄，计量精度受油气比的影响较大；,有些采用了微波、伽马射线等测试手段，其价格昂贵，难以大规模推广使用；,有些要求特殊安装，现场应用不便或流程复杂。,现场应用可靠性能差,国外多相流量计普遍存在以下问题：,七、多相流量计面临的挑战及未来发展趋势,面临的挑战,采用小型取样分离技术的多相计量系统，其遇到的问题是,取样代表性、原油起泡，,如果分离器内的乳化液影响了气液分离效果，则会引起含水测量值的不准确，从而降低多相流量计的性能。,采用电容、电感和微波技术的多相流量计，其局限性是,只能在油（或水）连续乳化液的流型中使用,，如果流动中某些必要的特征不存在时，其测量精度常常出现戏剧性变化。,采用混合器的多相流量计，其主要困难是,如何在一定空间，特别是一定时间内获得均质混合物。,七、多相流量计面临的挑战及未来发展趋势面临的挑战,采用核子技术来测定气体含量，或测定含气率和液中含水率的多相流量计，如何,进一步改善这种技术的工作特性,显然是今后的技术难点之一。,双能系统以非插入方式，可以在全量程范围内测量气体和水的百分含量，但有以下几个问题需要引起特别注意。首先，管壁是最大衰减器，特别是低光子能，因此,需要高能源,。其次，,质量吸收系数,实际上,很难确定,，这会对不确定度产生一系列影响。双能技术依靠水和油质量吸收系数的差别来测算含水，但这种差别仅是光能的百分之几。因此，任何质量吸收系统的不确定性都会对含水测量值产生影响。,采用核子技术来测定气体含量，或测定含气率和液中含水率的多相流,未来趋势,较好的精确度、再现性和可靠性,系统有三个传感器，每个传感器测量一相流量,(,油、气、水,),，每个传感器的测量不受其他两相存在的影响。,海底和井下多相流量计,湿气计量,应用神经网络等软测量技术,开发具有防砂性能或测量结果不受油井出砂影响的多相流量计,未来趋势,