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摘 要：阐述了三相流（油气水）计量技术在油田开发中应用的意义，综述了三相流计量技术研究的发展概况，并将国内外多种三相流计量技术进行了比较，探讨了该技术在我国应用前景 。
关键词：三相流 计量 在线 实时测量 动态分析
中图分类号：TK2
1 背景和意义
石油开采过程中，从油井采出的流体为含水原油和伴生气，通常把油、气、水三种流体的混合流动称为三相流。在原油生产中实时掌握每口井油气水产量变化，对了解储层变化，了解抽油机、抽油泵的工作状况，对制定和调整开采方案、优化生产参数，及时安排维护抽油设备至关重要。由于三相流在管道内流动时存在多种流型，生产过程中原油密度、含蜡量、含水率，水的矿化度、介质温度、压力、含气率、乳化程度等不断发生变化，对三相流体测量带来了较大困难，因而三相流计量一直是国内外的前沿课题。
目前在我国多采用把多口油井采出液通过管线集中在一处，建立计量站，站内设备有阀组管汇或多通阀及计量分离器组成，实行多井轮井计量，这种计量方法存在占地多、过程复杂、不能实现实时单井计量等缺点。计量分离器的计量原理是将液、气分离后，分别采用传统的容积式、电磁式、涡街式流量计计量单井产出液和伴生气，在井口提取液体样品在实验室分析含水率后计算原油单井产量。科学技术地发展使油井的管理动态化、科学化、自动化水平不断提高，对流量的在线实时测量是实现油井自动监测、动态分析、优化生产参数的重要依据，是实现在恶劣环境下采油实现无人值守的重要手段，是实现数字化油田的必然选择。近年来众多研究者为了实现这一目标，以不同方法研发在线连续计量装置，以期达到降低成本，精度适宜，易于推广的目标。
2国外三相流计量研究进展
多相流的流动结构十分复杂，在气液两相流和液相两相流中分别存在气液两相分界面和液液两相分界面，这些分界面的现状和在两相流中的分布情况是随着流动过程随时在变化的。它的流动结构除受到各相工质物性的影响外，还受到压力、各相流量、受热状况和管道布置方式及几何形状等因素的影响。试验表明，在垂直上升管中的气液两相流，其基本流动结构有：细泡状流动结构、弹状流动结构、块状流动结构、带纤维的环状结构和环状流动结构[1]。油气水多相流计量技术研究始于上世纪60年代，国外建立了各种测试管段，模拟不同比例的油气水三种介质模拟测试环境，开展对油气水多相流的研究，受当时技术条件的限制，均未取得突破性的进展，未取得实用性成果。直到70年代-80年代Schilichting利用现场管道研究了油气水三相流，修正了Lockhart-Martinelli计算法。Galymov等人发现混合液体有效粘度是液相体积分数的函数。1972年，Bocharovd 等人发表的油气水三相流动的现场试验结果， 1976年，Sheann 建立了流型图，并使用漂移流动模型来计算垂直管中的三相流动[2]。进入20世纪90年代，研究工作发生了较大的变化，突出表现在利用高水平的试验环道和先进的仪器仪表进行三相流体力学的试验研究，并取得了初步的成果。80年代中期美国Tulsa大学等发表了第一批多相流研究的论文。相关流量测量技术、计算机自动控制和数据处理技术促进了多相流技术的发展，美国、挪威、法国、英国都投入了大量的人力、物力研究多相流计量装置，组建了一批多相流实验研究装置，使多相流计量技术有了突飞猛进的发展，并进入了实质性的应用阶段。美国锐基得公司研制的 MPM系列在线式油气水三相流计量装置基于美国壳牌公司高效旋流式气液分离器的技术，采用“带有内置螺旋整流装置的立式气液旋流分离器”对油气水混合物进行气液两相分离，再用气相流量计和液相流量计分别测量分离后的气相和液相（油水混合物）的流量，并用含水率仪或质量流量计测出液相（油水混合物）的含水率。测量结果由一个专用的流量计算机记录和输出，实现了油、气、水的在线实时测量。工业应用于中海油海洋平台、新疆克拉玛依油田、中石油伊拉克鲁迈拉油田等。为了在中国市场推广于2012年10月在石油工业测试研究所对其装置的油、气、水测量误差进行了测试，测试介质分别为：油相（净化油）：油中含水率≤0.5%；水相-含油污水：水中含油率≤05.%；气相-天然气：气中含液率≤0.5%。测量误差液量：±3%，气量：±5%，含水率：±3%，基本满足了生产的需要，在新疆克拉玛依油田实际应用中与传统的用压力容器分离后单相流体流量计计量相比误差为气相为±4.8%，液相为±2.4%，含水实现在线分析。从现场应用效果来看，设备结构简单，无运动部件，操作维护方便；无放射性元件，操作人员工作量大大减小，得到现场使用人员的欢迎。此设备联合自动多通阀装置可以实现全自动化油田计量，远程監控等功能，大大提高油田和工作人员的工作效率。
3、 我国的研究进展
我国在三相流计量研究方面基本与国外同步，西安交大、上海交大、天津大学、石油大学、大庆石油学院等一批高校开展了油、气、水无分离在线计量研究，并取得了一定进展。一些公司根据高校的研究成果研制的在线计量装置有的已经投入实际应用。天津大学研制了一种油、气、水三相油井连续计量装置，包括高效气液分离器、气路温度传感器、气路压力传感器、气路内锥流量计、液路科氏力质量流量计、液路温度传感器、液路压力传感器、液路内锥流量计、数据采集与处理单元、显示单元，该装置目前已得到了工业应用，但该装置结构复杂，测量元件较多，造价比较高，比较适应高产井，且含气量较高的井，对产液量较低的油井很难得到推广应用。中国科学院力学研究所采用双能γ射线技术，用测量油、气、水吸收系数的方法测量三相流的流量，该方法测量精度比较高，离工业应用还有一定的距离。兰州海默公司生产的文丘里与单能咖玛射线密度计一体化的组合式传感器[3]，用于测量三相流体的总流量和含气率已经形成了工业能力，对测量计量站或转油站的总流量有比较好的应用效果，但单井的计量还难以实现，主要原因是造价高，结构复杂，用γ射线技术，在管理不当时会对人体的健康产生危害。浙江大学与胜利油田联合研制的YJ系列油、气、水计量装置采用旋流技术将液、气分离后计量，卧式旋流分离器有消能室、沉降室、油室三部分组成，设备结构复杂、但分离效果较好，有较高计量精度。国内研制的油气水三相流计量装置主要优点是计量精度较高，但结构复杂或造价较高，很难在单井上推广应用。西安东风机电公司，乌鲁木齐昌辉公司采用管道气液分离器和国产的质量流量计组合制造的CMS三相流计量装置，计量精度达到了国外同等水平，由于价格优势，在长庆油田，新疆油田有了一些应用。
4、结束语
经过国内外专家学者多年努力，目前三相流计量装置，计量精度有了质的提高，价格有了大幅度降低，已初步具备了推广应用条件。
[1] 林宗虎 气液固多相流测量 中国计量出版社 ISBN 7-5026-0070-1/TB.55
[2] 刘晓燕 油气水三相流流型国内外实验研究进展 管道技术与设备 2007 NO4
[3] 刘彤 三相流检测实验系统研究 [学位论文] 20100520 西安石油大学图书馆
关键词：三相流 计量 在线 实时测量 动态分析
中图分类号：TK2
1 背景和意义
石油开采过程中，从油井采出的流体为含水原油和伴生气，通常把油、气、水三种流体的混合流动称为三相流。在原油生产中实时掌握每口井油气水产量变化，对了解储层变化，了解抽油机、抽油泵的工作状况，对制定和调整开采方案、优化生产参数，及时安排维护抽油设备至关重要。由于三相流在管道内流动时存在多种流型，生产过程中原油密度、含蜡量、含水率，水的矿化度、介质温度、压力、含气率、乳化程度等不断发生变化，对三相流体测量带来了较大困难，因而三相流计量一直是国内外的前沿课题。
目前在我国多采用把多口油井采出液通过管线集中在一处，建立计量站，站内设备有阀组管汇或多通阀及计量分离器组成，实行多井轮井计量，这种计量方法存在占地多、过程复杂、不能实现实时单井计量等缺点。计量分离器的计量原理是将液、气分离后，分别采用传统的容积式、电磁式、涡街式流量计计量单井产出液和伴生气，在井口提取液体样品在实验室分析含水率后计算原油单井产量。科学技术地发展使油井的管理动态化、科学化、自动化水平不断提高，对流量的在线实时测量是实现油井自动监测、动态分析、优化生产参数的重要依据，是实现在恶劣环境下采油实现无人值守的重要手段，是实现数字化油田的必然选择。近年来众多研究者为了实现这一目标，以不同方法研发在线连续计量装置，以期达到降低成本，精度适宜，易于推广的目标。
2国外三相流计量研究进展
多相流的流动结构十分复杂，在气液两相流和液相两相流中分别存在气液两相分界面和液液两相分界面，这些分界面的现状和在两相流中的分布情况是随着流动过程随时在变化的。它的流动结构除受到各相工质物性的影响外，还受到压力、各相流量、受热状况和管道布置方式及几何形状等因素的影响。试验表明，在垂直上升管中的气液两相流，其基本流动结构有：细泡状流动结构、弹状流动结构、块状流动结构、带纤维的环状结构和环状流动结构[1]。油气水多相流计量技术研究始于上世纪60年代，国外建立了各种测试管段，模拟不同比例的油气水三种介质模拟测试环境，开展对油气水多相流的研究，受当时技术条件的限制，均未取得突破性的进展，未取得实用性成果。直到70年代-80年代Schilichting利用现场管道研究了油气水三相流，修正了Lockhart-Martinelli计算法。Galymov等人发现混合液体有效粘度是液相体积分数的函数。1972年，Bocharovd 等人发表的油气水三相流动的现场试验结果， 1976年，Sheann 建立了流型图，并使用漂移流动模型来计算垂直管中的三相流动[2]。进入20世纪90年代，研究工作发生了较大的变化，突出表现在利用高水平的试验环道和先进的仪器仪表进行三相流体力学的试验研究，并取得了初步的成果。80年代中期美国Tulsa大学等发表了第一批多相流研究的论文。相关流量测量技术、计算机自动控制和数据处理技术促进了多相流技术的发展，美国、挪威、法国、英国都投入了大量的人力、物力研究多相流计量装置，组建了一批多相流实验研究装置，使多相流计量技术有了突飞猛进的发展，并进入了实质性的应用阶段。美国锐基得公司研制的 MPM系列在线式油气水三相流计量装置基于美国壳牌公司高效旋流式气液分离器的技术，采用“带有内置螺旋整流装置的立式气液旋流分离器”对油气水混合物进行气液两相分离，再用气相流量计和液相流量计分别测量分离后的气相和液相（油水混合物）的流量，并用含水率仪或质量流量计测出液相（油水混合物）的含水率。测量结果由一个专用的流量计算机记录和输出，实现了油、气、水的在线实时测量。工业应用于中海油海洋平台、新疆克拉玛依油田、中石油伊拉克鲁迈拉油田等。为了在中国市场推广于2012年10月在石油工业测试研究所对其装置的油、气、水测量误差进行了测试，测试介质分别为：油相（净化油）：油中含水率≤0.5%；水相-含油污水：水中含油率≤05.%；气相-天然气：气中含液率≤0.5%。测量误差液量：±3%，气量：±5%，含水率：±3%，基本满足了生产的需要，在新疆克拉玛依油田实际应用中与传统的用压力容器分离后单相流体流量计计量相比误差为气相为±4.8%，液相为±2.4%，含水实现在线分析。从现场应用效果来看，设备结构简单，无运动部件，操作维护方便；无放射性元件，操作人员工作量大大减小，得到现场使用人员的欢迎。此设备联合自动多通阀装置可以实现全自动化油田计量，远程監控等功能，大大提高油田和工作人员的工作效率。
3、 我国的研究进展
我国在三相流计量研究方面基本与国外同步，西安交大、上海交大、天津大学、石油大学、大庆石油学院等一批高校开展了油、气、水无分离在线计量研究，并取得了一定进展。一些公司根据高校的研究成果研制的在线计量装置有的已经投入实际应用。天津大学研制了一种油、气、水三相油井连续计量装置，包括高效气液分离器、气路温度传感器、气路压力传感器、气路内锥流量计、液路科氏力质量流量计、液路温度传感器、液路压力传感器、液路内锥流量计、数据采集与处理单元、显示单元，该装置目前已得到了工业应用，但该装置结构复杂，测量元件较多，造价比较高，比较适应高产井，且含气量较高的井，对产液量较低的油井很难得到推广应用。中国科学院力学研究所采用双能γ射线技术，用测量油、气、水吸收系数的方法测量三相流的流量，该方法测量精度比较高，离工业应用还有一定的距离。兰州海默公司生产的文丘里与单能咖玛射线密度计一体化的组合式传感器[3]，用于测量三相流体的总流量和含气率已经形成了工业能力，对测量计量站或转油站的总流量有比较好的应用效果，但单井的计量还难以实现，主要原因是造价高，结构复杂，用γ射线技术，在管理不当时会对人体的健康产生危害。浙江大学与胜利油田联合研制的YJ系列油、气、水计量装置采用旋流技术将液、气分离后计量，卧式旋流分离器有消能室、沉降室、油室三部分组成，设备结构复杂、但分离效果较好，有较高计量精度。国内研制的油气水三相流计量装置主要优点是计量精度较高，但结构复杂或造价较高，很难在单井上推广应用。西安东风机电公司，乌鲁木齐昌辉公司采用管道气液分离器和国产的质量流量计组合制造的CMS三相流计量装置，计量精度达到了国外同等水平，由于价格优势，在长庆油田，新疆油田有了一些应用。
4、结束语
经过国内外专家学者多年努力，目前三相流计量装置，计量精度有了质的提高，价格有了大幅度降低，已初步具备了推广应用条件。
[1] 林宗虎 气液固多相流测量 中国计量出版社 ISBN 7-5026-0070-1/TB.55
[2] 刘晓燕 油气水三相流流型国内外实验研究进展 管道技术与设备 2007 NO4
[3] 刘彤 三相流检测实验系统研究 [学位论文] 20100520 西安石油大学图书馆