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。

一、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时,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。微波衰减也可以用来计量液相中的含水量,它的好处是对气体体积分数( GVF)不是很敏感,并且既可以在油连续流也可以在水连续流中工作。经多年在NEL和油田的试验表明,虽然流量计性能随GVF和含水率会发生很大变化,在线流量计在某些情况下各相的精度可以达到215 %～10 % ,而其他参数(例如压力、液体速度)和含盐量在很大程度上也会影响流量计性能。

二、分离流量计

分离流量计或分离系统可以采用各种分离等级,但大部分还是采用小型分离器实施部分分离。在按体积计算时,这样做会导致液流含气量达30 % ,气流含液量不超过1 %～2 % ,但是在极端的情况下,特别是段塞流严重的情况下,含液量可以达到10 %。一般采用小型旋流分离器进行分离,利用位于进出口处的控制阀来调节液位。大部分分离流量计都采用在主液流上安装一个标准在线多相流量计,在气流上安装一个标准气体流量计,例如涡流流量计或科里奥利流量计。如果气流的含液量高,可以安装一个能够计量液体和气体流量的湿气流量计。最近几年在NEL和油田的试验表明,分离流量计系统可以确保各相计量精度好于5 % ,与在线流量计相比,受GVF的影响要小。它的主要缺点是其尺寸、重量和依赖分离器中的快速液位控制阀使得这种分离器不适合在海底应用。

三、性能检验

关于哪种方法最适合检验多相流量计性能的话题已经讨论了许多年。最简单的方法就是什么也不做,希望流量计继续工作。

另外一种方法是由流量计厂商进行一个基本性能测试。这种方法比较简单,只要确认流量计可以识别油、气、水的静态取样,或者是使用厂商的流量设施进行流量试验。由于缺乏独立自主性,许多用户不愿意把这种试验当作是流量计性能的证明。基于上述原因,通常在一个独立实验室来进行流量试验。在最近几年里, NEL公司已经为一些用户在它的多相流实验室进行了许多类似的验收试验。这种实验室在10年前是专门为多相流量计评价和测试而建立的。一个有信用的独立实验室的优点是参比流量计将会十分精确和完全可追踪的,并且独立组织和厂商或终端用户没有任何关系。对采用什么样类型的试验流体也有争议。

在气体没有溶解在石油中,各相没有随着压力或温度发生变化的情况下,采用“死”流体。NEL公司就采用了这种做法,它的优点是参比流量的不确定性小,某些人指出了其缺点,即现场流体实验不可重复。使用含气原油和天然气更现实些,但这意味着气体很易于溶解在石油中,使得参比计量比较困难。如果测试流量计的压力和/或温度与参比流量计不同的话,就表明气体溶解到石油中或从石油中溶解出来。如果流体性能已知,在实验室发生的相分率变化必须用油气复杂的物理PVT (压力—体积—温度)分析或模拟PVT行为来说明。采用任何一种方法,都会不可避免地导致参比流量的不确定性更高。还有一种常用的方法是根据一个现有的三相测试分离器来校验海上流量计。这种做法的好处是在预定安装的位置测试流量计,并且使用实际上将要被计量的流体。然而,最大的缺点就是这种方法会潜在地造成参比流量不确定性高。分离器性能对计量精度有很大的影响。除了使用含气流体会造成不确定性外,由于比较差的分离还会造成携带液体或夹带气体的产生,这些都会导致液体和气体流量出现较大误差。

四、多相流量计面临的挑战

现在多相流量计面临的挑战是多方面的。由于市场上一些流量计还很昂贵,费用降低成了一个主要目标。Shell公司在北海流量计量研讨会上发表的一篇论文上着重提到了这个实际问题,并讨论了为了提高油井管理,希望每口油井都使用一个多相流量计的问题。一个关键的方面是这种流量计缺少一个可以进行密度测量的核源。在世界很多地方,这种源不允许使用,或者是害怕遭到破坏而担心使用。英国DTI公司投资的即将进行的NEL研究项目将开始调查超声波多相流量计的适应性。很显然提高精度是另外一个主要目标。因为随着应用的不断增长,要求多相流量计能够用于不同石油公司间的配产用途。在这种情况下,油相和水相的不确定性是至关重要的。

长远一点的挑战就是井下流量计的开发。这种流量计将能在实际的油井中操作,可以提供有关油井某块区域生产何种流体等有价值的信息,这样可以提高油井管理,并做出更快、更精确的油井生产决定。许多制造商正在积极地开发井下流量计,这种井下流量计的关键问题是其在极端环境下的可靠性。