曹妃甸油田多相流量計(jì)應(yīng)用的改造與升級(jí)

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

原油從幾千米深的地層中噴涌而出時(shí)很少是單一的液態(tài)或氣態(tài)的碳?xì)浠衔?，一般為多相混合流，其?fù)雜性決定了對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量的難度[1]。近年來(lái)，多相流量計(jì)憑借其體積小、成本低、維護(hù)少、計(jì)量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)在陸地、海上油田中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作用也越來(lái)越明顯。

曹妃甸油田的開(kāi)發(fā)向來(lái)以油藏部門(mén)的各項(xiàng)策略為主導(dǎo)，而作為為地質(zhì)工程師們提供各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持的井口多相流計(jì)量系統(tǒng)的作用則更顯突出。自油田2004年投產(chǎn)至今，各設(shè)施使用的均為

蘭州海默MFM-2000型多相流量計(jì)。幾年的應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，為此，針對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行硬件、軟件的改造與升級(jí)。

1 基本原理

海默MFM-2000多相流量計(jì)基本原理是通過(guò)確定三相流體中每一種組分的瞬時(shí)速度和截面占有率，從而確定每一組分的量。主要由文丘里流量計(jì)、流型調(diào)整器、單能伽瑪傳感器、雙能伽瑪傳感器以及壓力變送器、溫度變送器等輔助儀表和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成，如圖1。

圖1 設(shè)備PID圖

伽瑪射線通過(guò)流過(guò)管道的油、水、氣混合物時(shí)，由混合物中分子的電子和原子引起衰減，介質(zhì)組分不同衰減也不同，根據(jù)這一原理可以制造出非接觸的組分相分率測(cè)量?jī)x表。將伽瑪射線源放置在管子的一側(cè)，在管子的另一側(cè)放置一檢測(cè)探頭，這樣探頭便可檢測(cè)到射線的強(qiáng)度(計(jì)數(shù))。當(dāng)兩相介質(zhì)流過(guò)管道時(shí)，根據(jù)混合物相分率的不同，探頭測(cè)量的強(qiáng)度(計(jì)數(shù))也不同，當(dāng)兩種純凈介質(zhì)分別經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)標(biāo)定后，則可以根據(jù)測(cè)得的混合物的計(jì)數(shù)按方程確定相分率。由一個(gè)單能伽瑪傳感器可以測(cè)量?jī)煞N流體介質(zhì)混合物的相分率。

如果設(shè)置兩個(gè)不同的伽瑪射線源，就可以建立兩個(gè)方程來(lái)求得油、氣、水混合液中的相分率。由此，海默MFM-2000型多相流量計(jì)配備了單能伽瑪傳感器來(lái)測(cè)量氣液相分率；配備了雙能伽瑪傳感器來(lái)測(cè)量含水率。

文丘里流量計(jì)是一種傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于濕氣計(jì)量和多相流量計(jì)量。文丘里流量計(jì)可以適用于含氣流體和粘性流體的流量測(cè)量，當(dāng)與之配套的相分率儀表測(cè)量出氣體相分率后，可以容易地確定出液體流量。

2 存在的問(wèn)題

2009年初油田作業(yè)者總結(jié)并提出了各設(shè)施多相流量計(jì)應(yīng)用中的問(wèn)題，諸如液量計(jì)量數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，部分生產(chǎn)井產(chǎn)量偏差較大，含水值誤差偏大，以及關(guān)于數(shù)據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化處理的合理化建議。作業(yè)者相關(guān)人員和海默工程師共同在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了檢查、調(diào)研、測(cè)試，結(jié)合過(guò)往使用維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出目前的多相流量計(jì)存在以下缺陷。

1) 差壓系統(tǒng)零點(diǎn)漂移?，F(xiàn)有的使用引壓管、隔離室的壓差測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)帶來(lái)0.1～0.2 kPa左右的差壓，將會(huì)影響測(cè)量精度，如對(duì)于4 in文丘里而言將可能會(huì)達(dá)到約100 m3/d。

2)部分單井低差壓、低雷諾數(shù)帶來(lái)的測(cè)量誤差。用文丘里流量計(jì)計(jì)量總流量時(shí)，是將流出系數(shù)視為定值，而在實(shí)際計(jì)量過(guò)程中，流出系數(shù)是隨雷諾數(shù)變化的。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，流出系數(shù)變化比較大；當(dāng)雷諾數(shù)大于107時(shí)，流出系數(shù)基本為一常數(shù)。因此，計(jì)量過(guò)程“大管小流量”時(shí)產(chǎn)生的誤差就比較大[2]。

3)三代DAU在數(shù)據(jù)采樣率、分辨率、板卡的自動(dòng)調(diào)節(jié)方面處理能力相對(duì)較低。

4)上位機(jī)系統(tǒng)軟件在零點(diǎn)切除、參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整以及優(yōu)化算法等方面功能不足。

5)原始ODP數(shù)據(jù)與實(shí)際油井產(chǎn)量存在偏差，部分設(shè)施現(xiàn)有多相流量計(jì)的尺寸或文丘里的Beta設(shè)計(jì)偏大。

3 解決方案與實(shí)施

3.1 壓差測(cè)量系統(tǒng)改造

針對(duì)流量檢測(cè)系統(tǒng)的引壓管、隔離室式壓差變送器部分的零點(diǎn)漂移問(wèn)題[3]，決定其改造為遠(yuǎn)傳膜盒式壓差變送器，見(jiàn)圖2。

1-文丘里節(jié)流件;2-截止閥;3-引壓管;4-隔離室;5-五閥組;6-差壓變送器圖2 隔離室文丘里結(jié)構(gòu)

如圖2所示，原有差壓變送器使用的是引壓管、隔離室系統(tǒng)，從文丘里取壓口到差壓變送器的膜盒之間的距離較遠(yuǎn)，且此部分屬于支路連接，引壓管內(nèi)部的流體不容易被主管線流體置換，即流體的溫度容易降低而導(dǎo)致析臘，時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)引壓管容易被堵塞，從而影響文丘里的正常測(cè)量。

隔離室內(nèi)部液位差或者沉淀泥沙等雜質(zhì)都極易影響測(cè)量精度，需要定期清洗并充裝隔離液，維護(hù)工作量大。針對(duì)此問(wèn)題，決定將原有的傳統(tǒng)型壓差變送器改造為遠(yuǎn)傳膜盒式差壓變送器，具體結(jié)構(gòu)如圖3。

1-文丘里節(jié)流件;2-隔離閥;3-轉(zhuǎn)接頭;4-遠(yuǎn)傳膜盒;5-導(dǎo)壓毛細(xì)管;6-差壓變送器圖3 改造后的文丘里系統(tǒng)構(gòu)成

遠(yuǎn)傳膜盒式差壓變送器優(yōu)點(diǎn)：這種連接類(lèi)型的文丘里流量計(jì)與現(xiàn)有的相比，省卻了引壓管、隔離室和五閥組，也就杜絕了此部分析臘、堵塞的情況，減少了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量；對(duì)于多相流量計(jì)測(cè)量流量較為穩(wěn)定。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAU更換

將目前的現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAU3更換為第四代DAU4。相對(duì)應(yīng)DAU3，DAU4新增了如下功能。

可以連接一塊128×64分辨率的液晶顯示器，現(xiàn)場(chǎng)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)或曲線。

具有2個(gè)有源隔離RS232/485轉(zhuǎn)換器，取代原有的2只無(wú)源不隔離RS232/485模塊，抗干擾能力提高，實(shí)際通訊距離增加。

增加了一個(gè)V2.0版USB接口，可以方便現(xiàn)場(chǎng)更新軟件和下載數(shù)據(jù)。

雙能卡新增CPU處理功能，實(shí)時(shí)性得以提高，減輕了下位機(jī)軟件的負(fù)擔(dān)。

ADC卡增加量程切換功能，實(shí)現(xiàn)了±1.25 V、±2.5 V、±5 V、±10 V輸入范圍選擇功能；

新增了1 GB的DOM作為測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介，可取代原來(lái)的RAM卡，保存更長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量數(shù)據(jù)。

電源組件增加了“共源”和“共地”選擇功能。

相對(duì)于DAU3，DAU4的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于ADC卡分辨率大幅度提高:由DAU3的12 bit提高到16 bit。此外，單能板卡實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試更加簡(jiǎn)單、快速；具有自動(dòng)穩(wěn)峰功能；還有就是雙能板卡能夠及時(shí)獲取伽瑪傳感器的信號(hào)，并且將尋峰、穩(wěn)峰、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析都集成到雙能卡上。因?yàn)閷?shí)時(shí)性和速度要求較快、原始數(shù)據(jù)處理量很大的工作由雙能卡自身完成，所以大幅度減輕了下位機(jī)軟件的負(fù)擔(dān)。

3.3 上位機(jī)軟件升級(jí)

為相應(yīng)地解決上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)在零點(diǎn)切除、算法優(yōu)化等功能上的不足，以及原始ODP數(shù)據(jù)與實(shí)際油井產(chǎn)量存在偏差的問(wèn)題，將原有的920版系統(tǒng)升級(jí)為4002版，新系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)如下。

1)增加了PVT計(jì)算模型(包括黑油模型等)，可實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算各單相介質(zhì)的在線密度，PVT參數(shù)原油收縮因子，溶解油氣比及天然氣壓縮因子Z，可自動(dòng)實(shí)時(shí)地計(jì)算PVT值，在工況條件多變的井況下比舊軟件手輸固定PVT值有更高的測(cè)量精度。

2)采用質(zhì)量吸收系數(shù)的概念，通過(guò)軟件和在線密度實(shí)時(shí)計(jì)算在線線性吸收系數(shù)，是對(duì)gamma系數(shù)的本質(zhì)運(yùn)用；舊版軟件920只標(biāo)定線性吸收系數(shù)，4002版軟件彌補(bǔ)了工況條件下由于線性吸收系數(shù)改變帶來(lái)的誤差。

3)算法考慮了氣體吸收，大大提高了高壓高含氣油井流量測(cè)量精度。

4)實(shí)現(xiàn)了差壓表靜差壓的軟件自動(dòng)切除功能，使得低產(chǎn)井的測(cè)量精度更高。

5)新增加了存貯及下載Log file的功能，記錄每分鐘的一次儀表上傳值，探頭計(jì)數(shù)及測(cè)量過(guò)程數(shù)據(jù)，為離線分析和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供了非常重要的工具。

6)上位機(jī)軟件增加了不同單位換算顯示功能。

4 改造前后的對(duì)比與分析

完成改造升級(jí)及必要的標(biāo)定與測(cè)試之后，隨機(jī)挑選幾口生產(chǎn)井的改造前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4、5。

圖4 液量對(duì)比

圖5 油量對(duì)比

從改造前后差壓測(cè)量值來(lái)看，改造前差壓使用油井產(chǎn)液來(lái)導(dǎo)壓，導(dǎo)壓介質(zhì)經(jīng)過(guò)約1 m長(zhǎng)的引壓管和隔離罐系統(tǒng)后溫度驟降，而且受產(chǎn)液雜質(zhì)的影響，導(dǎo)壓性能降低給差壓測(cè)量帶來(lái)誤差。另外，差壓表本身零點(diǎn)漂移或受到管道振動(dòng)影響，會(huì)給差壓測(cè)量帶來(lái)誤差。改造后使用遠(yuǎn)傳膜盒式差壓變送器，它采用密封在儀表內(nèi)部的導(dǎo)壓性能良好的硅油來(lái)導(dǎo)壓，導(dǎo)壓性能不受溫度影響，儀表零點(diǎn)漂移或管道振動(dòng)對(duì)差壓測(cè)量的影響很小，所以改造后的差壓測(cè)量值比較準(zhǔn)確[4]。

從整體產(chǎn)量上來(lái)看，產(chǎn)液量比前期下降，尤其是油量，下降幅度較大。對(duì)比下游流程的進(jìn)艙、注水量等數(shù)據(jù)，平臺(tái)最新測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高，每口井的生產(chǎn)量和它的生產(chǎn)狀態(tài)基本吻合。

5 結(jié)論

多相流量計(jì)作為一種較新的計(jì)量設(shè)備，它的出現(xiàn)已引起世界石油工業(yè)界的高度重視。與傳統(tǒng)的全分離器(計(jì)量分離器)或部分分離器(氣液旋流分離器)相比，它的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，在海上和陸上油田開(kāi)發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

但多相流量計(jì)作為一種新技術(shù)、新產(chǎn)品，投入使用時(shí)間比較短，世界各大石油公司對(duì)其采用的是一種邊研究、邊驗(yàn)證、邊推廣使用的方法；同時(shí)各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品因其測(cè)量機(jī)制不同，且適用范圍各異，國(guó)際上至今沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在使用中難免會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然這是任何新產(chǎn)品在應(yīng)用推廣時(shí)都會(huì)遇到的。

對(duì)多相流量計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用的研究是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，本次曹妃甸油田多相流量計(jì)的技術(shù)改進(jìn)同樣也還有不完善的地方，比如針對(duì)部分產(chǎn)量過(guò)大(小)井的超量程計(jì)量，受制于成本的限制沒(méi)法對(duì)工藝流程進(jìn)行大范圍的改造，只能建議通過(guò)與其他產(chǎn)量適合的井合測(cè)的方式得到更精確的數(shù)據(jù)。但是針對(duì)幾年來(lái)應(yīng)用、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)分析，通過(guò)合理具體的實(shí)施方案對(duì)油田多相流量計(jì)進(jìn)一步改造和升級(jí)，實(shí)踐證明整體效果是良好的，希望可以為其今后在油氣生產(chǎn)中的應(yīng)用與改進(jìn)帶來(lái)一點(diǎn)啟示。

[1] 姚海元,宮 敬.多相流量計(jì)及其標(biāo)定裝置[J].油氣田地面工程,2004,23(9):33-34.

[2] 趙 偉.CFD-11 WGPA多相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)改造方案[R].蘭州：海默科技股份有限公司.2010.

[3] 孫賀東，趙海鴻，周芳德.油氣水三相流測(cè)量技術(shù)的最新進(jìn)展[J].油氣儲(chǔ)運(yùn).2002，21(3):31-36.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1992.