短節(jié)式多相流量計(jì)在海洋工程中的應(yīng)用研究

鄭永峻， 劉 健， 季 磊， 饒?jiān)扑桑?王道明

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

0 引言

短節(jié)型多相流量計(jì)可安裝在單井井口或計(jì)量站，對(duì)油氣水各相流量和關(guān)鍵過程參數(shù)，如含水率、含氣率、溫度、壓力等進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)測(cè)量[1]。該產(chǎn)品基于成熟的伽馬射線及文丘里技術(shù)，覆蓋0~100%含氣率范圍下的單井計(jì)量和測(cè)試，同時(shí)可以滿足小體積、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命的要求。短節(jié)型多相流量計(jì)，具有無輻射危害、小型化、智能化、準(zhǔn)確度高、可靠性高、通用性和安全性高等特點(diǎn)。

目前使用的多相流量計(jì)為成撬形式[2]，在流量計(jì)前端需要多路閥、測(cè)試管匯等設(shè)備進(jìn)行井口切換，從而實(shí)現(xiàn)單井的流量計(jì)量。短節(jié)式多相流量計(jì)在海洋平臺(tái)中的創(chuàng)新研究可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化工藝流程、降低投資成本、提高生產(chǎn)效率、減少后期維護(hù)，可以節(jié)省平臺(tái)占地空間，可以解決邊際油田無人平臺(tái)單井測(cè)量倒井困難的問題，具有明顯的降本增效意義。

1 短節(jié)式多相流量計(jì)主要應(yīng)用特點(diǎn)

海洋油氣平臺(tái)考慮開發(fā)難度和經(jīng)濟(jì)性原因，比起陸地油氣開發(fā)設(shè)施總體尺寸較小，設(shè)備設(shè)施布置更加緊湊，當(dāng)開采出來的油氣資源出現(xiàn)多相流時(shí)，則需要較為復(fù)雜的工藝流程對(duì)井口物流進(jìn)行測(cè)試分離、切換和計(jì)量等處理[3]，對(duì)設(shè)備布置和工藝處理要求尤其高，并且占用平臺(tái)空間多，投資費(fèi)用高，后期生產(chǎn)運(yùn)維操作繁瑣。短節(jié)式多相流量計(jì)在海洋油氣開發(fā)工程中成功應(yīng)用，有效解決了上述問題，尤其為邊際油田的開發(fā)方式提供了良好借鑒。具體對(duì)比見圖1、圖2。短節(jié)式多相流量計(jì)（見圖3）具有以下特點(diǎn)：

圖1 常規(guī)海洋平臺(tái)形式

圖2 短節(jié)式多相流量計(jì)

圖3 短節(jié)式多相流量計(jì)結(jié)構(gòu)

1）采用低能伽瑪射線吸收技術(shù)測(cè)量相分率，不受油水相轉(zhuǎn)化的影響，且可以用于全范圍相分率測(cè)量；

2）利用在線液體取樣器與雙能伽馬傳感器相組合，這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得含水率測(cè)量準(zhǔn)確度不受入口處多相流的流型和含氣率變化的影響，從而能保證全量程范圍內(nèi)的含水率和純油的較高測(cè)量精度；

3）利用流體取樣頭與流型調(diào)整器相結(jié)合，可以獲取有代表性的液體樣品，確保了相分率測(cè)量精度；

4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且無可動(dòng)部件、壓損?。?/p>

5）可以滿足大流量的油氣水混輸測(cè)量；

6）結(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡(jiǎn)潔；可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)測(cè)量、無人值守。

2 短節(jié)式多相流量計(jì)測(cè)量原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)

2.1.1 文丘里管

文丘里管是流量計(jì)量領(lǐng)域的常見設(shè)備，其能使得流體發(fā)生“節(jié)流”作用。文丘里管的最基本的組件包括截面積漸小的圓臺(tái)形入口管道，圓筒形喉部管道和截面積漸大的圓臺(tái)形出口管道，文丘里管以水平方式布置，中軸線呈水平方向[4]。

2.1.2 伽馬射線探測(cè)器

伽馬射線探測(cè)器（見圖4）是多相流量計(jì)領(lǐng)域中常用的一種探測(cè)器，其一般包括伽馬射線發(fā)射器和伽馬射線檢測(cè)器，要求二者的布置方式要使得伽馬射線發(fā)射器所發(fā)出的伽馬射線能夠以徑向方向沿所述喉部管道的橫截面穿過，到達(dá)伽馬射線接收器。

圖4 伽馬射線探測(cè)器

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

具體技術(shù)參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 短節(jié)型多相流量計(jì)技術(shù)參數(shù)

表2 短節(jié)型多相流量計(jì)測(cè)量典型不確定度

2.3 測(cè)量原理

短節(jié)型多相流量計(jì)沿用了成熟的文丘里和伽馬射線技術(shù)，在0~100%含氣率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單井油、氣、水單相流量的實(shí)時(shí)計(jì)量。

1）油氣水三相含水儀由在線液體取樣器和雙能伽瑪傳感器組成，主要完成代表性液樣取樣及其在油氣水三相狀態(tài)下含水率的測(cè)量。

2）通過伽馬射線探測(cè)器測(cè)定沿所述喉部管道的橫截面上的徑向方向的氣相線性相分率αgθ，其中伽馬射線探測(cè)器包括伽馬射線發(fā)射器和伽馬射線檢測(cè)器，其中伽馬射線發(fā)射器所發(fā)出的伽馬射線以徑向方向穿過氣液兩相，到達(dá)伽馬射線接收器[5]。

3）根據(jù)等徑偏心圓模型，由總體積流量Ql以及上述徑向氣相線性相分率αgθ，計(jì)算氣相流量Qg和液相流量Ql，具體公式如下：

計(jì)算偏心距d：

式中：R為所述喉部管道的半徑，其中θ 為測(cè)量時(shí)采用的徑向方向與水平徑向方向的夾角；

計(jì)算氣相面積相分率αsg：

計(jì)算氣相體積相分率fgv：

式中：S為氣液兩相之間的滑差因子。當(dāng)考慮滑差時(shí)，S由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到；當(dāng)不考慮滑差時(shí)，S＝1，則GVF＝αsg；

計(jì)算水平管中濕氣的氣相流量和液相流量：

4）當(dāng)使用測(cè)量所述文丘里管的上游與其喉部之間的壓差測(cè)量元件、測(cè)量文丘里管上游的流體壓力的壓力測(cè)量元件以及測(cè)量濕氣溫度的溫度測(cè)量元件時(shí)，總體積流量Qt由以下公式計(jì)算得到：

式中：C為流體的流出系數(shù)，無量綱；d為文丘里管喉部處的內(nèi)管徑；β 為文丘里管喉部處內(nèi)管徑與其入口處內(nèi)管徑的比值；Δp為所述壓差測(cè)量元件測(cè)得的壓力差；ρmix濕氣的混合密度。各物理量的單位，均采用國(guó)際單位制。

5）數(shù)據(jù)采集和處理單元（DAU），主要完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各傳感器和儀表的信號(hào)采集、處理，基于多相流動(dòng)模型的計(jì)算，以及最終測(cè)量結(jié)果的輸出和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等。

6）多相流量計(jì)系統(tǒng)還包括了溫度變送器、壓力變送器、差壓變送器和控制閥等輔助性的測(cè)量?jī)x表和控制裝置。

多相流量計(jì)最終輸出的測(cè)量結(jié)果包括：油、氣、水三相的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，含水率，含氣率，氣油比，混合液密度和流體的溫度，壓力等過程參數(shù)，其計(jì)算流程如圖5 所示。

圖5 計(jì)算流程

短節(jié)型多相流量計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，可永久安裝在井口或計(jì)量站。

3 實(shí)際海洋工程技術(shù)方案的選取

海洋平臺(tái)井口多相流的計(jì)量方式通常有兩種方式，分別為：“生產(chǎn)管匯+多路閥+多相流量計(jì)總管計(jì)量、生產(chǎn)管匯”+“測(cè)試管匯+多相流量計(jì)總管計(jì)量”。根據(jù)不同海域海洋油氣開發(fā)方案，選用最優(yōu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施[6]。

本次海洋油氣開發(fā)項(xiàng)目具有無人化、井口數(shù)少、工程規(guī)模小的特點(diǎn)，為6 口井（3 口氣井、3 口油井）、雙相鋼材質(zhì)、2 500 磅壓力等級(jí)的無人平臺(tái)。常規(guī)兩種計(jì)量方式無論是技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)性上都已不再適用，因此增加了“生產(chǎn)管匯+短節(jié)式多相流量計(jì)計(jì)量”方案，結(jié)合整體方案進(jìn)行了多項(xiàng)評(píng)估。

三種方案的對(duì)比如表3 所示。

表3 海洋平臺(tái)多相流計(jì)量方案對(duì)比

通過對(duì)三種方案進(jìn)行對(duì)比，短節(jié)式多相流量計(jì)方案具有操作界面簡(jiǎn)單、資源獲取容易、工期及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，綜合風(fēng)險(xiǎn)、工期、費(fèi)用等多個(gè)因素的綜合考慮，最終選擇短節(jié)式多相流量計(jì)方案。

4 技術(shù)成果推廣經(jīng)濟(jì)效益分析論證

邊際油田、無人化平臺(tái)等海上油田往往在井口數(shù)量、井口種類上都有很大不同，為了將研究成果更好的進(jìn)行推廣應(yīng)用，本節(jié)將對(duì)不同井口數(shù)量和井口種類進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，并得出經(jīng)濟(jì)適用性結(jié)論。

4.1 不同井口種類

由于短節(jié)式多相流量計(jì)是用于測(cè)量三相介質(zhì)流量，只要是多相介質(zhì)的井口計(jì)量都適用，所以不同井口種類對(duì)經(jīng)濟(jì)適用性不存在影響。

4.2 不同井口數(shù)量

通過上一章節(jié)得出的結(jié)論，6 口氣井經(jīng)濟(jì)效益，短節(jié)式多相流量計(jì)價(jià)格比次低方案還少475.63 萬元。針對(duì)不同井口數(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，總體分析結(jié)果如表4 所示。

表4 不同井口數(shù)量對(duì)比分析

由表1 可知，采用短節(jié)式多相流量計(jì)方案，井口數(shù)量越少，經(jīng)濟(jì)效益越明顯。在16 口井?dāng)?shù)量時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益為5.63 萬元，17 口井?dāng)?shù)量時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益為-32.37 萬元。綜合其他因素考慮，建議大于16 口井口數(shù)量時(shí)，不再考慮短節(jié)式多相流量計(jì)方案。

5 工程實(shí)踐經(jīng)濟(jì)效益

隨著我國(guó)海洋石油的不斷開發(fā)及降本增效的迫切要求[8]，短節(jié)式多相流量計(jì)在海洋平臺(tái)的應(yīng)用研究是極其必要的。本次海洋油氣發(fā)發(fā)工程中，短節(jié)式多相流量計(jì)的成功應(yīng)用，為邊際油田開采模式及類似海洋油氣開發(fā)項(xiàng)目提供了新的思路：

1）簡(jiǎn)化工藝流程、降低投資成本、提高生產(chǎn)效率、減少后期維護(hù)。在井口多相流計(jì)量中，不再需要工藝流程中的井口多路閥、測(cè)試管匯等設(shè)備，適用于不同磅級(jí)壓力、不同介質(zhì)成分的工況，降低投資費(fèi)用；簡(jiǎn)化人工手動(dòng)操作閥門來切換單井計(jì)量的工序，大大提升日常生產(chǎn)操作的功效。本項(xiàng)目直接經(jīng)濟(jì)效益減少工程投入超過500 萬元，間接經(jīng)濟(jì)效益超過1 000 萬元。

2）節(jié)省平臺(tái)占地空間。短節(jié)式多相流量計(jì)采用管段式安裝方式，無須成撬，且不需要多路閥和測(cè)試管匯等設(shè)備，減小井口計(jì)量所需要的平臺(tái)占地面積超過20 m2。

3）解決邊際油田無人平臺(tái)單井測(cè)量倒井困難的問題。由于簡(jiǎn)化掉工藝流程中的多路閥、測(cè)試管匯等設(shè)備，可以使用電動(dòng)閥門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程倒井的操作，解決邊際油田無人平臺(tái)單井測(cè)量倒井困難的問題。

6 社會(huì)效益

短節(jié)式多相流量計(jì)計(jì)量，旨在控制成本和提高效率及產(chǎn)能，并使較小的油田可以更好地運(yùn)營(yíng)下去，更大限度地利用有限的資源滿足社會(huì)上人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文化需求，具有良好的政治效益、思想文化效益、生態(tài)環(huán)境效益。