短節式多相流量計在海洋工程中的應用研究

鄭永峻， 劉 健， 季 磊， 饒云松， 王道明

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

0 引言

短節型多相流量計可安裝在單井井口或計量站，對油氣水各相流量和關鍵過程參數，如含水率、含氣率、溫度、壓力等進行在線、實時測量[1]。該產品基于成熟的伽馬射線及文丘里技術，覆蓋0~100%含氣率范圍下的單井計量和測試，同時可以滿足小體積、高強度、長壽命的要求。短節型多相流量計，具有無輻射危害、小型化、智能化、準確度高、可靠性高、通用性和安全性高等特點。

目前使用的多相流量計為成撬形式[2]，在流量計前端需要多路閥、測試管匯等設備進行井口切換，從而實現單井的流量計量。短節式多相流量計在海洋平臺中的創新研究可以進一步簡化工藝流程、降低投資成本、提高生產效率、減少后期維護，可以節省平臺占地空間，可以解決邊際油田無人平臺單井測量倒井困難的問題，具有明顯的降本增效意義。

1 短節式多相流量計主要應用特點

海洋油氣平臺考慮開發難度和經濟性原因，比起陸地油氣開發設施總體尺寸較小，設備設施布置更加緊湊，當開采出來的油氣資源出現多相流時，則需要較為復雜的工藝流程對井口物流進行測試分離、切換和計量等處理[3]，對設備布置和工藝處理要求尤其高，并且占用平臺空間多，投資費用高，后期生產運維操作繁瑣。短節式多相流量計在海洋油氣開發工程中成功應用，有效解決了上述問題，尤其為邊際油田的開發方式提供了良好借鑒。具體對比見圖1、圖2。短節式多相流量計（見圖3）具有以下特點：

圖1 常規海洋平臺形式

圖2 短節式多相流量計

圖3 短節式多相流量計結構

1）采用低能伽瑪射線吸收技術測量相分率，不受油水相轉化的影響，且可以用于全范圍相分率測量；

2）利用在線液體取樣器與雙能伽馬傳感器相組合，這一獨特的結構使得含水率測量準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的含水率和純油的較高測量精度；

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

4）結構簡單且無可動部件、壓損??；

5）可以滿足大流量的油氣水混輸測量；

6）結構緊湊，工藝簡潔；可實現實時、連續、自動測量、無人值守。

2 短節式多相流量計測量原理

2.1 主要結構

2.1.1 文丘里管

文丘里管是流量計量領域的常見設備，其能使得流體發生“節流”作用。文丘里管的最基本的組件包括截面積漸小的圓臺形入口管道，圓筒形喉部管道和截面積漸大的圓臺形出口管道，文丘里管以水平方式布置，中軸線呈水平方向[4]。

2.1.2 伽馬射線探測器

伽馬射線探測器（見圖4）是多相流量計領域中常用的一種探測器，其一般包括伽馬射線發射器和伽馬射線檢測器，要求二者的布置方式要使得伽馬射線發射器所發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，到達伽馬射線接收器。

圖4 伽馬射線探測器

2.2 主要技術參數

具體技術參數如表1 和表2 所示。

表1 短節型多相流量計技術參數

表2 短節型多相流量計測量典型不確定度

2.3 測量原理

短節型多相流量計沿用了成熟的文丘里和伽馬射線技術，在0~100%含氣率范圍內實現單井油、氣、水單相流量的實時計量。

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下含水率的測量。

2）通過伽馬射線探測器測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，其中伽馬射線探測器包括伽馬射線發射器和伽馬射線檢測器，其中伽馬射線發射器所發出的伽馬射線以徑向方向穿過氣液兩相，到達伽馬射線接收器[5]。

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

計算偏心距d：

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

計算氣相面積相分率αsg：

計算氣相體積相分率fgv：

式中：S為氣液兩相之間的滑差因子。當考慮滑差時，S由經驗公式計算得到；當不考慮滑差時，S＝1，則GVF＝αsg；

計算水平管中濕氣的氣相流量和液相流量：

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

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

5）數據采集和處理單元（DAU），主要完成對系統內各傳感器和儀表的信號采集、處理，基于多相流動模型的計算，以及最終測量結果的輸出和數據遠傳等。

6）多相流量計系統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量儀表和控制裝置。

多相流量計最終輸出的測量結果包括：油、氣、水三相的瞬時流量和累計流量，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，其計算流程如圖5 所示。

圖5 計算流程

短節型多相流量計結構緊湊、占地面積小，可永久安裝在井口或計量站。

3 實際海洋工程技術方案的選取

海洋平臺井口多相流的計量方式通常有兩種方式，分別為：“生產管匯+多路閥+多相流量計總管計量、生產管匯”+“測試管匯+多相流量計總管計量”。根據不同海域海洋油氣開發方案，選用最優方案進行設計和實施[6]。

本次海洋油氣開發項目具有無人化、井口數少、工程規模小的特點，為6 口井（3 口氣井、3 口油井）、雙相鋼材質、2 500 磅壓力等級的無人平臺。常規兩種計量方式無論是技術上還是經濟性上都已不再適用，因此增加了“生產管匯+短節式多相流量計計量”方案，結合整體方案進行了多項評估。

三種方案的對比如表3 所示。

表3 海洋平臺多相流計量方案對比

通過對三種方案進行對比，短節式多相流量計方案具有操作界面簡單、資源獲取容易、工期及經濟性優越的優點，綜合風險、工期、費用等多個因素的綜合考慮，最終選擇短節式多相流量計方案。

4 技術成果推廣經濟效益分析論證

邊際油田、無人化平臺等海上油田往往在井口數量、井口種類上都有很大不同，為了將研究成果更好的進行推廣應用，本節將對不同井口數量和井口種類進行經濟性分析，并得出經濟適用性結論。

4.1 不同井口種類

由于短節式多相流量計是用于測量三相介質流量，只要是多相介質的井口計量都適用，所以不同井口種類對經濟適用性不存在影響。

4.2 不同井口數量

通過上一章節得出的結論，6 口氣井經濟效益，短節式多相流量計價格比次低方案還少475.63 萬元。針對不同井口數進行經濟性分析，總體分析結果如表4 所示。

表4 不同井口數量對比分析

由表1 可知，采用短節式多相流量計方案，井口數量越少，經濟效益越明顯。在16 口井數量時，經濟效益為5.63 萬元，17 口井數量時，經濟效益為-32.37 萬元。綜合其他因素考慮，建議大于16 口井口數量時，不再考慮短節式多相流量計方案。

5 工程實踐經濟效益

隨著我國海洋石油的不斷開發及降本增效的迫切要求[8]，短節式多相流量計在海洋平臺的應用研究是極其必要的。本次海洋油氣發發工程中，短節式多相流量計的成功應用，為邊際油田開采模式及類似海洋油氣開發項目提供了新的思路：

1）簡化工藝流程、降低投資成本、提高生產效率、減少后期維護。在井口多相流計量中，不再需要工藝流程中的井口多路閥、測試管匯等設備，適用于不同磅級壓力、不同介質成分的工況，降低投資費用；簡化人工手動操作閥門來切換單井計量的工序，大大提升日常生產操作的功效。本項目直接經濟效益減少工程投入超過500 萬元，間接經濟效益超過1 000 萬元。

2）節省平臺占地空間。短節式多相流量計采用管段式安裝方式，無須成撬，且不需要多路閥和測試管匯等設備，減小井口計量所需要的平臺占地面積超過20 m2。

3）解決邊際油田無人平臺單井測量倒井困難的問題。由于簡化掉工藝流程中的多路閥、測試管匯等設備，可以使用電動閥門實現遠程倒井的操作，解決邊際油田無人平臺單井測量倒井困難的問題。

6 社會效益

短節式多相流量計計量，旨在控制成本和提高效率及產能，并使較小的油田可以更好地運營下去，更大限度地利用有限的資源滿足社會上人們日益增長的物質文化需求，具有良好的政治效益、思想文化效益、生態環境效益。