多相計量技術

許多新開發的油田屬於經濟型邊際油田,這種油田不能承擔傳統分離技術所引發的高昂的費用。而多相流量計可以節省很多費用,因為使用它就不需要安裝分離器,或者幾個油田共用處理裝置。 在油井管理方面,多相流量計可以提供持續的數據輸出,給出油井動態的有價值信息,這樣可以及時地發現油井產生的問題或變化,以便儘早地做出決定,而採用傳統的處理技術卻要慢一些。
一、線上多相流量計
線上多相流量計依據對流體特性的一些測量,得到油、氣、水三相的各自流量。現在有許多這樣的計量技術,可大致分為兩大類:速度或總流量測量和相分率測量。速度或流量測量通常是通過壓差計量或一個特殊信號的互相關,即壓力或導電率來獲得。許多流量計也採用滑動模組,這說明了氣體通常比液體流速快的事實。在垂直管道上安裝的一些線上多相流量計,一般通過在其上游裝一個盲三通來減少水的紊動,以此最大限度地減少滑動。相分率可以通過測量三相混合物的物性來獲得,據此推算出三相各自的流量。伽馬射線能量衰減法是一種常用的方法,它的原理是油、氣、水不等同地削弱伽馬射線的能量。伽馬射線能量在兩個能量級放射,高能量級對氣/液比更敏感,而低能量級對液相中的水/油比較敏感。可以用這兩個能量衰減量來確定三相混合液的相分率。第三個能量級也可以用來確定水相的含鹽量。
電容和電導技術可以用來確定液相中的含水量。電容感測器用於測量連續油流的介電常數並確定含水量,電導感測器用於連續水流的測量。這種方法適於氣體體積分數大時,但缺點是,如果流體在水連續流和油連續流之間不停轉換,那么流量計就很難跟蹤到這個變化。微波衰減也可以用來計量液相中的含水量,它的好處是對氣體體積分數( GVF)不是很敏感,並且既可以在油連續流也可以在水連續流中工作。經多年在NEL和油田的試驗表明,雖然流量計性能隨GVF和含水率會發生很大變化,線上流量計在某些情況下各相的精度可以達到215 %～10 % ,而其他參數(例如壓力、液體速度)和含鹽量在很大程度上也會影響流量計性能。
二、分離流量計
分離流量計或分離系統可以採用各種分離等級,但大部分還是採用小型分離器實施部分分離。在按體積計算時,這樣做會導致液流含氣量達30 % ,氣流含液量不超過1 %～2 % ,但是在極端的情況下,特別是段塞流嚴重的情況下,含液量可以達到10 %。一般採用小型旋流分離器進行分離,利用位於進出口處的控制閥來調節液位。大部分分離流量計都採用在主液流上安裝一個標準線上多相流量計,在氣流上安裝一個標準氣體流量計,例如渦流流量計或科里奧利流量計。如果氣流的含液量高,可以安裝一個能夠計量液體和氣體流量的濕氣流量計。最近幾年在NEL和油田的試驗表明,分離流量計系統可以確保各相計量精度好於5 % ,與線上流量計相比,受GVF的影響要小。它的主要缺點是其尺寸、重量和依賴分離器中的快速液位控制閥使得這種分離器不適合在海底套用。
三、性能檢驗
關於哪種方法最適合檢驗多相流量計性能的話題已經討論了許多年。最簡單的方法就是什麼也不做,希望流量計繼續工作。
另外一種方法是由流量計廠商進行一個基本性能測試。這種方法比較簡單,只要確認流量計可以識別油、氣、水的靜態取樣,或者是使用廠商的流量設施進行流量試驗。由於缺乏獨立自主性,許多用戶不願意把這種試驗當作是流量計性能的證明。基於上述原因,通常在一個獨立實驗室來進行流量試驗。在最近幾年裡, NEL公司已經為一些用戶在它的多相流實驗室進行了許多類似的驗收試驗。這種實驗室在10年前是專門為多相流量計評價和測試而建立的。一個有信用的獨立實驗室的優點是參比流量計將會十分精確和完全可追蹤的,並且獨立組織和廠商或終端用戶沒有任何關係。對採用什麼樣類型的試驗流體也有爭議。
在氣體沒有溶解在石油中,各相沒有隨著壓力或溫度發生變化的情況下,採用“死”流體。NEL公司就採用了這種做法,它的優點是參比流量的不確定性小,某些人指出了其缺點,即現場流體實驗不可重複。使用含氣原油和天然氣更現實些,但這意味著氣體很易於溶解在石油中,使得參比計量比較困難。如果測試流量計的壓力和/或溫度與參比流量計不同的話,就表明氣體溶解到石油中或從石油中溶解出來。如果流體性能已知,在實驗室發生的相分率變化必須用油氣複雜的物理PVT (壓力—體積—溫度)分析或模擬PVT行為來說明。採用任何一種方法,都會不可避免地導致參比流量的不確定性更高。還有一種常用的方法是根據一個現有的三相測試分離器來校驗海上流量計。這種做法的好處是在預定安裝的位置測試流量計,並且使用實際上將要被計量的流體。然而,最大的缺點就是這種方法會潛在地造成參比流量不確定性高。分離器性能對計量精度有很大的影響。除了使用含氣流體會造成不確定性外,由於比較差的分離還會造成攜帶液體或夾帶氣體的產生,這些都會導致液體和氣體流量出現較大誤差。
四、多相流量計面臨的挑戰
現在多相流量計面臨的挑戰是多方面的。由於市場上一些流量計還很昂貴,費用降低成了一個主要目標。Shell公司在北海流量計量研討會上發表的一篇論文上著重提到了這個實際問題,並討論了為了提高油井管理,希望每口油井都使用一個多相流量計的問題。一個關鍵的方面是這種流量計缺少一個可以進行密度測量的核源。在世界很多地方,這種源不允許使用,或者是害怕遭到破壞而擔心使用。英國DTI公司投資的即將進行的NEL研究項目將開始調查超音波多相流量計的適應性。很顯然提高精度是另外一個主要目標。因為隨著套用的不斷增長,要求多相流量計能夠用於不同石油公司間的配產用途。在這種情況下,油相和水相的不確定性是至關重要的。
長遠一點的挑戰就是井下流量計的開發。這種流量計將能在實際的油井中操作,可以提供有關油井某塊區域生產何種流體等有價值的信息,這樣可以提高油井管理,並做出更快、更精確的油井生產決定。許多製造商正在積極地開發井下流量計,這種井下流量計的關鍵問題是其在極端環境下的可靠性。