水下多相流量計在深水油氣田開發(fā)工程中的應用研究

劉太元，郭 宏，鄭利軍，閆嘉鈺，許文虎

(中海油研究總院，北京 100010)

1 前言

油氣田在正常的生產過程中，井流的檢測與計量對于了解整個油氣田的生產和優(yōu)化油藏管理具有非常重要的意義。井流多混合油、氣、水三相，從而使得管道內的流體表現(xiàn)出多相流的性質。許多學者對管道內的多相流的機理和特性進行了大量的研究。20世紀40年代，Tangren等針對不可壓縮液體和理想氣體的均質混合物，采用基本的流體動力學原理，建立了通過孔板的兩相流體的物理模型[1]，Poettmann與Beck通過建立油嘴尺寸、氣液比、流體特性與液體產量間的關系提出了多相臨界流方程[2]。Ajlenke與Ikoku提出了適用于連續(xù)液體和連續(xù)氣體的廣義多相流計量模型[3]，這些模型的建立為多相流的研究奠定了基礎。進入20世紀80年代，人們對管道中的多相流在不同傾斜角度和直徑中的各種情況進行了廣泛的研究[4]。借助于計算技術的快速發(fā)展，目前已經可以進行復雜的建模和技術，從而使以前必須簡化成1維模型才可以進行的研究，現(xiàn)在可以擴展到2維和3維模型，能夠更加清楚地理解多相流復雜的機理。

在多相流研究成果的基礎上，為了檢測挪威北海油田的產量，以及未來邊際油田回接到現(xiàn)有基礎設施的需要，20世紀80年代，第一臺商業(yè)多相流量計(MPFM)投入使用。在隨后的10年中，多相流量計被廣泛接受作為油田生產計量的主要方法之一，1992—2000年就有近1 500臺多相流量計投入使用，而生產多相流量計的廠商就有十多家[5]。隨著對于深水油氣資源的勘探開發(fā)，用于水下生產系統(tǒng)的水下多相流量計也得到越來越多的應用。與傳統(tǒng)的測試方法相比，水下多相流量計具有以下的優(yōu)點。

1)節(jié)省投資。由于沒有單獨的測井系統(tǒng)，不再需要回接到上部處理設施的測試管線和測試分離器，同時節(jié)省了上部浮體的空間。對于一個回接距離約10 km，采用水下生產系統(tǒng)開發(fā)的油田，由于采用水下多相流量計而去除了測試管線，帶來的成本節(jié)省約為62%[6]。與測試管線和測試分離器得到的離線測試結果相比較，它不需要等待流體達到穩(wěn)定狀態(tài)，便可以得到有效的測試結果。這一點在深水和長距離回接的開發(fā)中顯得更加突出。集成在水下生產系統(tǒng)的在線MPFM能夠更加快速地收集到更多有效的數(shù)據。

2)能夠提供更加實時的連續(xù)數(shù)據。一口井配置一個流量計，而不是多個公用一個時，能夠實時監(jiān)控每口井的生產數(shù)據，從而能夠及時地監(jiān)測到可能出現(xiàn)的問題，如段塞和氣舉效率低下等，并做出快速反應。大量的實時數(shù)據可以提高油藏的理解和管理，達到優(yōu)化生產和延長油田壽命的目的[7～9]。

3)當來自不同的作業(yè)者的油井和油田的生產油氣匯集到同一管線并輸送到上部工藝處理設施進行處理時，需要對來自不同的油井和油田的生產量進行計量，以便進行產品分攤。當不采用水下多相流量計時，來自不同作業(yè)者油田的油氣產量必須通過測試分離器進行計量[10]，但采用測試分離器時，由于上部空間限制，投資成本等問題，往往使得這些邊際油田的開發(fā)因無法滿足作業(yè)者商業(yè)要求而無法開發(fā)。采用水下多相流量計能夠在一定程度上解決這些問題，成為開發(fā)一些邊際油田必須采用的技術手段。

目前市場上有十多家公司和生產商能夠提供多相流量計，但是能夠提供水下多相流量計并且產品經過項目驗證的卻只有3家。同工作在陸地或上部平臺的多相流量計相比，水下多相流量計不僅要處理各種復雜流形，同時還要面對水下苛刻的工作環(huán)境，這要求水下多相流量計在設計壽命、材料選擇、安裝和回收、日常維護、涂敷與保溫等多個方面都要滿足水下工作的要求，從而增加了水下多相流量計的復雜程度。

2 基本測量原理

對于單一流體，通過某一管道截面的流量可以采用下面的公式計算

式(1)中，Q為體積流量;A為管道橫截面積;V為流體流速。

當管道中流體混合有油、水、氣三相時，由于無法準確地得到各相流體在任意時刻任意橫截面的分布，各相流速的測量要復雜得多。為了簡化對多相流體流量的測量，假設每一相在管道橫截面中占有一定的比例，多相流體的體積流量可以表示為

式(2)中，Qt為管道中多相流體的體積流量;Qi=AfiVi為油、氣、水各相的體積流量;fi和Vi分別為各相的截面積和速度分量。

從式(2)可以看出，若想測量多相流的流量，必須得到各相的速度分量和截面積分量。對于速度的測量目前采用較多的為基于孔板的Venturi流量計，基于信號處理技術的信號互相關方法，容積流量計等方法。根據ISO相關標準，孔板只能夠測量單相流，當用于多相流測量時，必須對測量結果進行修正，以實現(xiàn)在多相流情況下的流速測量。

相對于速度分量的測量，體積分量的測量要相對困難。在目前的水下多相流量計中用的最多的體積分量的測量方法是基于伽馬射線能量吸收原理的方法。對于上面提到的多相流，當伽馬射線通過時，其能量的衰減可以用式(3)表示

式(3)中，Iv(e)為放射源能量;Im(e)為經過多相流后的衰減能量;αi為各相的體積分量;μi(e)為各相的線性衰減系數(shù);d為管道的直徑。對于進含有水和油兩相流體，可以得到下面的方程

聯(lián)合方程(4)～方程(6)，可以得到

另一種測量各相分量的方法是通過檢測通過流體的電導率和電容的方法來實現(xiàn)，電導率和電容的變化與通過被檢測的多相流一一對應，一旦確定多相流的電導率和電容，便可以通過查表的方式得到與之對應的多相流的各相分量數(shù)據。電導率的測量與電容的測量分別用于管道內流體為連續(xù)油和連續(xù)水的流形，以彌補兩者在測量上的不足。除了上面提到的各種方法外，多相流量計測量的其他方法可以參見文獻[11]。

2.1 水下多相流量選擇

正確地選擇流量計對于精確測量多相流相關參數(shù)十分重要。當測量數(shù)據用于不同的場合時，要求的精度會有所區(qū)別。如用于油藏管理時精度達到5%～10%，而用于商業(yè)計量時，則會達到0.25%～1%。目前還沒有哪一個儀表能準確地計量所有狀態(tài)下的多相流參數(shù)，正確地選擇適當?shù)亩嘞嗔髁坑媽τ谔岣哂嬃烤仁欠浅Ｖ匾摹?/p>

文獻[12]提供了選擇多相流量計的一種方法。這種方法主要基于兩相流圖和流體組分圖兩張圖。如圖1所示，通過在這兩種圖上繪制油氣田配產數(shù)據，可以很方便地比較生產數(shù)據與流量計測量范圍， 從而快速地確定多相流量計的主要基本參數(shù)。

圖1 兩相流圖和流體組分圖Fig.1 Two-phase flow map and composition map

上面提到的兩種圖，需要將油氣田生產井的配產數(shù)據全部繪制出來，從而得到每個生產井的整個油氣田壽命期間的產量軌跡及組分變化的軌跡。一個簡化的方法是對于油藏工程師提供的配產數(shù)據，首先篩選出每個生產井的極限數(shù)據，然后繪制在上面的圖中，可以更簡潔快速地確定兩種圖的相互關系。如圖2所示，可以很直觀地得到需要測量的最大流速及多相流量計的工作模式，清楚地了解多相流量計何時工作在多相流量計模式，何時工作在濕氣流量計模式。當GVF(gas volume fraction，氣體體積分量)大于90%時，測量結果誤差明顯增大，當GVF大于95%時，則需要選擇濕氣流量計來進行測量，獲得更好的精確數(shù)據。同時也可以快速地判斷多相流的工作模式是連續(xù)的多相油流或是連續(xù)的多相水流。

圖2 簡化的多相流量計圖表Fig.2 Simplified multiphase GVF distribution and MPFM operating requirements VS.reservoir

表1給出了目前市場上已經得到廣泛應用的水下多相流量計的關鍵參數(shù)，一旦通過上面的流程確定了生產井在整個油氣田壽命期間的基本參數(shù)，便可以與表中的數(shù)據進行對比，確定備選的水下多相流量計。從表1中可以看出，3個水下多相流量計生產廠家水下多相流量計的性能基本相同，雖然MPM在測量精度上有所突出，但其重量和功耗也相對高出許多。在具體的工程項目中，要根據項目的實際需求進行選擇。

表1 水下多相流量計參數(shù)對比表Table 1 Comparison between widely used subsea MPFMs

為了優(yōu)化MPFM的選擇，以達到性能、費用和可靠性等方面的平衡，還需要考慮下面的因素:a.由于采用放射源而帶來的安全和可能產生的環(huán)境問題;b.水相鹽度的測量的要求;c.安裝方式，是否侵入式，是否有可能造成蠟、結垢或瀝青沉淀等問題;d.在整個油田壽命期內由于流體屬性和流型的變化所導致的需要標定的水平;e.售后服務的情況及人員培訓、標定和儀器儀表的服務等;f.采用的相關儀表是否具有現(xiàn)場已用的事例，以及可回收的難易程度;g.設備投資及在整個油田生產壽命期內的操作費用。

2.2 安裝位置選擇

水下多相流量計的安裝一般有3種安裝位置可供選擇。如圖3所示，第一種位置為安裝在采油樹，第二種位置為安裝在管匯以及第三種位置安裝在跨接管。當水下多相流量計安裝在采油樹時，會同采油樹油嘴組合在一起多為采油樹的流量控制模塊，這樣可以回收到水面做維護。

圖3 水下多相流量計安裝位置示意圖Fig.3 Installation location of subsea MPFM

當采油樹沒有可以回收的油嘴模塊時，水下多相流量計的安裝位置可以選擇安裝在連接采油樹和水下管匯的跨接管上。在這種情況下很難做到多相流量計的完全回收，一般情況下只能實現(xiàn)電子模塊的回收。如果要完全回收多相流量計，必須通過回收跨接管的方法來完成。但是由于回收跨接管要求吊裝能力較大的支持船，并可能由此導致很多其他的問題，所以許多安裝在跨接管的多相流量計，一旦出現(xiàn)問題時，基本上就被棄置，不再對其進行任何的維護?？梢曰厥盏碾娮幽K為這種方案提供了一種折中的解決方案，因為大部分的多相流量計的問題都出現(xiàn)在數(shù)據采集和電源部分。

水下多相流量計的另一種安裝位置的選擇是安裝在生產管匯中，當安裝在生產管匯上時，可以通過多路閥門實現(xiàn)與管匯連接的采油樹共用一個多相流量計來進行油井的測量，從而節(jié)省大量的設備投資。當生產管匯連接多口生產井，并且每口井都要求配置一臺多相流量計時，就必須要考慮多個多相流量計帶來的重量增加問題，過多的多相流量計同時安裝在同一臺管匯時，可能使得管匯的重量過大，從而限制將來管匯安裝的資源[16]。

2.3 通訊選擇

水下多相流量計必須與位于上部的工作站一同協(xié)作才能完成對多相流體的測量，水下多相流量計檢測預先設定的參數(shù)，而上部工作站則對檢測到的參數(shù)進行分析和處理，并按照設定的程序進行計算和結果輸出。水下多相流量計與上部控制系統(tǒng)的通訊方式與整個水下生產系統(tǒng)的控制架構相關，針對不同的控制系統(tǒng)架構，通訊方式會有所區(qū)別。

對于傳統(tǒng)的采用電液復合控制方式水下生產控制系統(tǒng)，水下多相流量計無法實現(xiàn)與上部工作站的直接通訊，如圖4a所示，水下多相流量計將測量得到的原始數(shù)據首先傳輸?shù)脚c其相鄰的水下控制模塊(SCM)，然后經臍帶纜直接傳到主控站(MCS)通過主控站的中轉實現(xiàn)兩者間的通訊，而上部工作站也同時需要將處理后的結果傳輸?shù)街骺卣具M行顯示和歸檔。

借助于光纖所特有的優(yōu)勢，開放式架構的水下控制系統(tǒng)極大地提升了整個控制系統(tǒng)的性能，在這種控制架構中，水下多相流量計測量數(shù)據的傳輸變得異常簡潔，原始測量數(shù)據只要經過水下路由模塊(SRM)的路由，即可直接傳輸?shù)缴喜康墓ぷ髡荆瑹o需主控站的中轉，在提高了傳輸效率的同時，也節(jié)省了MCS的工作負荷，使其可以更多監(jiān)控水下生產系統(tǒng)運行狀況，而不是僅用于數(shù)據的轉發(fā)。

目前3家主要的水下多相流量計供應商在通訊協(xié)議上都支持常用的MODBUS協(xié)議，除此之外，也同時支持標準的SIIS Level 2的CAN open接口，這使得最終用戶對于水下設備的選擇更加靈活。

圖4 水下多相流量計通訊方式示意圖Fig.4 Different communication typebetween subsea MPFM and MCS

3 結語

MPFM聯(lián)合其他的相關技術如井底溫度壓力檢測，流量控制與分離，及水下分離和多相增壓等，能夠提供一個經濟合理的油田開發(fā)方案。它所具有的優(yōu)勢正被越來越多的石油公司所接受。巴西國家石油公司希望在其每一棵水下采油樹上都能夠安裝多相流量計。而最早使用水下多相流量計的石油公司挪威國家石油公司目前已經有超過150臺的多相流量計在服役中。估計到2015年約有1 000臺水下多相流量計投入使用[17]。

隨著多相流體機理研究的不斷深入和測量原理的改進，加上新型高精度檢測原器件的制造必將使得多相流量計在測量精度、測量范圍、可靠性等方面得到改善，滿足復雜油氣田開發(fā)的需求[18]。

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