曹妃甸油田多相流量計應用的改造與升級

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(中海油能源發展采油服務公司，天津 300452)

原油從幾千米深的地層中噴涌而出時很少是單一的液態或氣態的碳氫化合物，一般為多相混合流，其復雜性決定了對其進行準確計量的難度[1]。近年來，多相流量計憑借其體積小、成本低、維護少、計量準確等優勢在陸地、海上油田中的應用越來越廣泛，作用也越來越明顯。

曹妃甸油田的開發向來以油藏部門的各項策略為主導，而作為為地質工程師們提供各種關鍵數據支持的井口多相流計量系統的作用則更顯突出。自油田2004年投產至今，各設施使用的均為

蘭州海默MFM-2000型多相流量計。幾年的應用過程中發現了一些問題，為此，針對相關問題進行硬件、軟件的改造與升級。

1 基本原理

海默MFM-2000多相流量計基本原理是通過確定三相流體中每一種組分的瞬時速度和截面占有率，從而確定每一組分的量。主要由文丘里流量計、流型調整器、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據采集及處理系統組成，如圖1。

圖1 設備PID圖

伽瑪射線通過流過管道的油、水、氣混合物時，由混合物中分子的電子和原子引起衰減，介質組分不同衰減也不同，根據這一原理可以制造出非接觸的組分相分率測量儀表。將伽瑪射線源放置在管子的一側，在管子的另一側放置一檢測探頭，這樣探頭便可檢測到射線的強度(計數)。當兩相介質流過管道時，根據混合物相分率的不同，探頭測量的強度(計數)也不同，當兩種純凈介質分別經過計數標定后，則可以根據測得的混合物的計數按方程確定相分率。由一個單能伽瑪傳感器可以測量兩種流體介質混合物的相分率。

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

文丘里流量計是一種傳統的差壓式流量計，近年來被廣泛地應用于濕氣計量和多相流量計量。文丘里流量計可以適用于含氣流體和粘性流體的流量測量，當與之配套的相分率儀表測量出氣體相分率后，可以容易地確定出液體流量。

2 存在的問題

2009年初油田作業者總結并提出了各設施多相流量計應用中的問題，諸如液量計量數據不夠準確，部分生產井產量偏差較大，含水值誤差偏大，以及關于數據系統優化處理的合理化建議。作業者相關人員和海默工程師共同在設備現場進行了檢查、調研、測試，結合過往使用維護的經驗，發現并總結出目前的多相流量計存在以下缺陷。

1) 差壓系統零點漂移。現有的使用引壓管、隔離室的壓差測量系統可能會帶來0.1～0.2 kPa左右的差壓，將會影響測量精度，如對于4 in文丘里而言將可能會達到約100 m3/d。

2)部分單井低差壓、低雷諾數帶來的測量誤差。用文丘里流量計計量總流量時，是將流出系數視為定值，而在實際計量過程中，流出系數是隨雷諾數變化的。當雷諾數較小時，流出系數變化比較大；當雷諾數大于107時，流出系數基本為一常數。因此，計量過程“大管小流量”時產生的誤差就比較大[2]。

3)三代DAU在數據采樣率、分辨率、板卡的自動調節方面處理能力相對較低。

4)上位機系統軟件在零點切除、參數實時調整以及優化算法等方面功能不足。

5)原始ODP數據與實際油井產量存在偏差，部分設施現有多相流量計的尺寸或文丘里的Beta設計偏大。

3 解決方案與實施

3.1 壓差測量系統改造

針對流量檢測系統的引壓管、隔離室式壓差變送器部分的零點漂移問題[3]，決定其改造為遠傳膜盒式壓差變送器，見圖2。

1-文丘里節流件;2-截止閥;3-引壓管;4-隔離室;5-五閥組;6-差壓變送器圖2 隔離室文丘里結構

如圖2所示，原有差壓變送器使用的是引壓管、隔離室系統，從文丘里取壓口到差壓變送器的膜盒之間的距離較遠，且此部分屬于支路連接，引壓管內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致析臘，時間較長時引壓管容易被堵塞，從而影響文丘里的正常測量。

隔離室內部液位差或者沉淀泥沙等雜質都極易影響測量精度，需要定期清洗并充裝隔離液，維護工作量大。針對此問題，決定將原有的傳統型壓差變送器改造為遠傳膜盒式差壓變送器，具體結構如圖3。

1-文丘里節流件;2-隔離閥;3-轉接頭;4-遠傳膜盒;5-導壓毛細管;6-差壓變送器圖3 改造后的文丘里系統構成

遠傳膜盒式差壓變送器優點：這種連接類型的文丘里流量計與現有的相比，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，減少了現場維護工作量；對于多相流量計測量流量較為穩定。

3.2 數據采集系統DAU更換

將目前的現場下位機數據采集系統DAU3更換為第四代DAU4。相對應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，現場顯示測量數據或曲線。

具有2個有源隔離RS232/485轉換器，取代原有的2只無源不隔離RS232/485模塊，抗干擾能力提高，實際通訊距離增加。

增加了一個V2.0版USB接口，可以方便現場更新軟件和下載數據。

雙能卡新增CPU處理功能，實時性得以提高，減輕了下位機軟件的負擔。

ADC卡增加量程切換功能，實現了±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作為測量數據存儲媒介，可取代原來的RAM卡，保存更長時間的測量數據。

電源組件增加了“共源”和“共地”選擇功能。

相對于DAU3，DAU4的技術優勢在于ADC卡分辨率大幅度提高:由DAU3的12 bit提高到16 bit。此外，單能板卡實現了自動調節，使得現場調試更加簡單、快速；具有自動穩峰功能；還有就是雙能板卡能夠及時獲取伽瑪傳感器的信號，并且將尋峰、穩峰、數據統計和分析都集成到雙能卡上。因為將實時性和速度要求較快、原始數據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軟件的負擔。

3.3 上位機軟件升級

為相應地解決上位機數據處理軟件系統在零點切除、算法優化等功能上的不足，以及原始ODP數據與實際油井產量存在偏差的問題，將原有的920版系統升級為4002版，新系統優勢如下。

1)增加了PVT計算模型(包括黑油模型等)，可實現在線計算各單相介質的在線密度，PVT參數原油收縮因子，溶解油氣比及天然氣壓縮因子Z，可自動實時地計算PVT值，在工況條件多變的井況下比舊軟件手輸固定PVT值有更高的測量精度。

2)采用質量吸收系數的概念，通過軟件和在線密度實時計算在線線性吸收系數，是對gamma系數的本質運用；舊版軟件920只標定線性吸收系數，4002版軟件彌補了工況條件下由于線性吸收系數改變帶來的誤差。

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量精度。

4)實現了差壓表靜差壓的軟件自動切除功能，使得低產井的測量精度更高。

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，探頭計數及測量過程數據，為離線分析和數據質量控制提供了非常重要的工具。

6)上位機軟件增加了不同單位換算顯示功能。

4 改造前后的對比與分析

完成改造升級及必要的標定與測試之后，隨機挑選幾口生產井的改造前后數據進行對比，見圖4、5。

圖4 液量對比

圖5 油量對比

從改造前后差壓測量值來看，改造前差壓使用油井產液來導壓，導壓介質經過約1 m長的引壓管和隔離罐系統后溫度驟降，而且受產液雜質的影響，導壓性能降低給差壓測量帶來誤差。另外，差壓表本身零點漂移或受到管道振動影響，會給差壓測量帶來誤差。改造后使用遠傳膜盒式差壓變送器，它采用密封在儀表內部的導壓性能良好的硅油來導壓，導壓性能不受溫度影響，儀表零點漂移或管道振動對差壓測量的影響很小，所以改造后的差壓測量值比較準確[4]。

從整體產量上來看，產液量比前期下降，尤其是油量，下降幅度較大。對比下游流程的進艙、注水量等數據，平臺最新測量數據質量明顯提高，每口井的生產量和它的生產狀態基本吻合。

5 結論

多相流量計作為一種較新的計量設備，它的出現已引起世界石油工業界的高度重視。與傳統的全分離器(計量分離器)或部分分離器(氣液旋流分離器)相比，它的優勢是顯而易見的，在海上和陸上油田開發中具有廣闊的應用前景。

但多相流量計作為一種新技術、新產品，投入使用時間比較短，世界各大石油公司對其采用的是一種邊研究、邊驗證、邊推廣使用的方法；同時各生產廠家的產品因其測量機制不同，且適用范圍各異，國際上至今沒有統一的標準和規范，在使用中難免會出現一些問題，存在一定的風險。當然這是任何新產品在應用推廣時都會遇到的。

對多相流量計在實際生產中的應用的研究是一項長期的工作，本次曹妃甸油田多相流量計的技術改進同樣也還有不完善的地方，比如針對部分產量過大(小)井的超量程計量，受制于成本的限制沒法對工藝流程進行大范圍的改造，只能建議通過與其他產量適合的井合測的方式得到更精確的數據。但是針對幾年來應用、維護經驗的總結分析，通過合理具體的實施方案對油田多相流量計進一步改造和升級，實踐證明整體效果是良好的，希望可以為其今后在油氣生產中的應用與改進帶來一點啟示。

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

[2] 趙 偉.CFD-11 WGPA多相流量計現場改造方案[R].蘭州：海默科技股份有限公司.2010.

[3] 孫賀東，趙海鴻，周芳德.油氣水三相流測量技術的最新進展[J].油氣儲運.2002，21(3):31-36.

[4] 中國船級社.海上固定平臺入級與建造規范[S].北京：人民交通出版社，1992.