曹妃甸油田多相流量计应用的改造与升级

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(中海油能源发展采油服务公司，天津 300452)

原油从几千米深的地层中喷涌而出时很少是单一的液态或气态的碳氢化合物，一般为多相混合流，其复杂性决定了对其进行准确计量的难度[1]。近年来，多相流量计凭借其体积小、成本低、维护少、计量准确等优势在陆地、海上油田中的应用越来越广泛，作用也越来越明显。

曹妃甸油田的开发向来以油藏部门的各项策略为主导，而作为为地质工程师们提供各种关键数据支持的井口多相流计量系统的作用则更显突出。自油田2004年投产至今，各设施使用的均为

兰州海默MFM-2000型多相流量计。几年的应用过程中发现了一些问题，为此，针对相关问题进行硬件、软件的改造与升级。

1 基本原理

海默MFM-2000多相流量计基本原理是通过确定三相流体中每一种组分的瞬时速度和截面占有率，从而确定每一组分的量。主要由文丘里流量计、流型调整器、单能伽玛传感器、双能伽玛传感器以及压力变送器、温度变送器等辅助仪表和数据采集及处理系统组成，如图1。

图1 设备PID图

伽玛射线通过流过管道的油、水、气混合物时，由混合物中分子的电子和原子引起衰减，介质组分不同衰减也不同，根据这一原理可以制造出非接触的组分相分率测量仪表。将伽玛射线源放置在管子的一侧，在管子的另一侧放置一检测探头，这样探头便可检测到射线的强度(计数)。当两相介质流过管道时，根据混合物相分率的不同，探头测量的强度(计数)也不同，当两种纯净介质分别经过计数标定后，则可以根据测得的混合物的计数按方程确定相分率。由一个单能伽玛传感器可以测量两种流体介质混合物的相分率。

如果设置两个不同的伽玛射线源，就可以建立两个方程来求得油、气、水混合液中的相分率。由此，海默MFM-2000型多相流量计配备了单能伽玛传感器来测量气液相分率；配备了双能伽玛传感器来测量含水率。

文丘里流量计是一种传统的差压式流量计，近年来被广泛地应用于湿气计量和多相流量计量。文丘里流量计可以适用于含气流体和粘性流体的流量测量，当与之配套的相分率仪表测量出气体相分率后，可以容易地确定出液体流量。

2 存在的问题

2009年初油田作业者总结并提出了各设施多相流量计应用中的问题，诸如液量计量数据不够准确，部分生产井产量偏差较大，含水值误差偏大，以及关于数据系统优化处理的合理化建议。作业者相关人员和海默工程师共同在设备现场进行了检查、调研、测试，结合过往使用维护的经验，发现并总结出目前的多相流量计存在以下缺陷。

1) 差压系统零点漂移。现有的使用引压管、隔离室的压差测量系统可能会带来0.1～0.2 kPa左右的差压，将会影响测量精度，如对于4 in文丘里而言将可能会达到约100 m3/d。

2)部分单井低差压、低雷诺数带来的测量误差。用文丘里流量计计量总流量时，是将流出系数视为定值，而在实际计量过程中，流出系数是随雷诺数变化的。当雷诺数较小时，流出系数变化比较大；当雷诺数大于107时，流出系数基本为一常数。因此，计量过程“大管小流量”时产生的误差就比较大[2]。

3)三代DAU在数据采样率、分辨率、板卡的自动调节方面处理能力相对较低。

4)上位机系统软件在零点切除、参数实时调整以及优化算法等方面功能不足。

5)原始ODP数据与实际油井产量存在偏差，部分设施现有多相流量计的尺寸或文丘里的Beta设计偏大。

3 解决方案与实施

3.1 压差测量系统改造

针对流量检测系统的引压管、隔离室式压差变送器部分的零点漂移问题[3]，决定其改造为远传膜盒式压差变送器，见图2。

1-文丘里节流件;2-截止阀;3-引压管;4-隔离室;5-五阀组;6-差压变送器图2 隔离室文丘里结构

如图2所示，原有差压变送器使用的是引压管、隔离室系统，从文丘里取压口到差压变送器的膜盒之间的距离较远，且此部分属于支路连接，引压管内部的流体不容易被主管线流体置换，即流体的温度容易降低而导致析腊，时间较长时引压管容易被堵塞，从而影响文丘里的正常测量。

隔离室内部液位差或者沉淀泥沙等杂质都极易影响测量精度，需要定期清洗并充装隔离液，维护工作量大。针对此问题，决定将原有的传统型压差变送器改造为远传膜盒式差压变送器，具体结构如图3。

1-文丘里节流件;2-隔离阀;3-转接头;4-远传膜盒;5-导压毛细管;6-差压变送器图3 改造后的文丘里系统构成

远传膜盒式差压变送器优点：这种连接类型的文丘里流量计与现有的相比，省却了引压管、隔离室和五阀组，也就杜绝了此部分析腊、堵塞的情况，减少了现场维护工作量；对于多相流量计测量流量较为稳定。

3.2 数据采集系统DAU更换

将目前的现场下位机数据采集系统DAU3更换为第四代DAU4。相对应DAU3，DAU4新增了如下功能。

可以连接一块128×64分辨率的液晶显示器，现场显示测量数据或曲线。

具有2个有源隔离RS232/485转换器，取代原有的2只无源不隔离RS232/485模块，抗干扰能力提高，实际通讯距离增加。

增加了一个V2.0版USB接口，可以方便现场更新软件和下载数据。

双能卡新增CPU处理功能，实时性得以提高，减轻了下位机软件的负担。

ADC卡增加量程切换功能，实现了±1.25 V、±2.5 V、±5 V、±10 V输入范围选择功能；

新增了1 GB的DOM作为测量数据存储媒介，可取代原来的RAM卡，保存更长时间的测量数据。

电源组件增加了“共源”和“共地”选择功能。

相对于DAU3，DAU4的技术优势在于ADC卡分辨率大幅度提高:由DAU3的12 bit提高到16 bit。此外，单能板卡实现了自动调节，使得现场调试更加简单、快速；具有自动稳峰功能；还有就是双能板卡能够及时获取伽玛传感器的信号，并且将寻峰、稳峰、数据统计和分析都集成到双能卡上。因为将实时性和速度要求较快、原始数据处理量很大的工作由双能卡自身完成，所以大幅度减轻了下位机软件的负担。

3.3 上位机软件升级

为相应地解决上位机数据处理软件系统在零点切除、算法优化等功能上的不足，以及原始ODP数据与实际油井产量存在偏差的问题，将原有的920版系统升级为4002版，新系统优势如下。

1)增加了PVT计算模型(包括黑油模型等)，可实现在线计算各单相介质的在线密度，PVT参数原油收缩因子，溶解油气比及天然气压缩因子Z，可自动实时地计算PVT值，在工况条件多变的井况下比旧软件手输固定PVT值有更高的测量精度。

2)采用质量吸收系数的概念，通过软件和在线密度实时计算在线线性吸收系数，是对gamma系数的本质运用；旧版软件920只标定线性吸收系数，4002版软件弥补了工况条件下由于线性吸收系数改变带来的误差。

3)算法考虑了气体吸收，大大提高了高压高含气油井流量测量精度。

4)实现了差压表静差压的软件自动切除功能，使得低产井的测量精度更高。

5)新增加了存贮及下载Log file的功能，记录每分钟的一次仪表上传值，探头计数及测量过程数据，为离线分析和数据质量控制提供了非常重要的工具。

6)上位机软件增加了不同单位换算显示功能。

4 改造前后的对比与分析

完成改造升级及必要的标定与测试之后，随机挑选几口生产井的改造前后数据进行对比，见图4、5。

图4 液量对比

图5 油量对比

从改造前后差压测量值来看，改造前差压使用油井产液来导压，导压介质经过约1 m长的引压管和隔离罐系统后温度骤降，而且受产液杂质的影响，导压性能降低给差压测量带来误差。另外，差压表本身零点漂移或受到管道振动影响，会给差压测量带来误差。改造后使用远传膜盒式差压变送器，它采用密封在仪表内部的导压性能良好的硅油来导压，导压性能不受温度影响，仪表零点漂移或管道振动对差压测量的影响很小，所以改造后的差压测量值比较准确[4]。

从整体产量上来看，产液量比前期下降，尤其是油量，下降幅度较大。对比下游流程的进舱、注水量等数据，平台最新测量数据质量明显提高，每口井的生产量和它的生产状态基本吻合。

5 结论

多相流量计作为一种较新的计量设备，它的出现已引起世界石油工业界的高度重视。与传统的全分离器(计量分离器)或部分分离器(气液旋流分离器)相比，它的优势是显而易见的，在海上和陆上油田开发中具有广阔的应用前景。

但多相流量计作为一种新技术、新产品，投入使用时间比较短，世界各大石油公司对其采用的是一种边研究、边验证、边推广使用的方法；同时各生产厂家的产品因其测量机制不同，且适用范围各异，国际上至今没有统一的标准和规范，在使用中难免会出现一些问题，存在一定的风险。当然这是任何新产品在应用推广时都会遇到的。

对多相流量计在实际生产中的应用的研究是一项长期的工作，本次曹妃甸油田多相流量计的技术改进同样也还有不完善的地方，比如针对部分产量过大(小)井的超量程计量，受制于成本的限制没法对工艺流程进行大范围的改造，只能建议通过与其他产量适合的井合测的方式得到更精确的数据。但是针对几年来应用、维护经验的总结分析，通过合理具体的实施方案对油田多相流量计进一步改造和升级，实践证明整体效果是良好的，希望可以为其今后在油气生产中的应用与改进带来一点启示。

[1] 姚海元,宫 敬.多相流量计及其标定装置[J].油气田地面工程,2004,23(9):33-34.

[2] 赵 伟.CFD-11 WGPA多相流量计现场改造方案[R].兰州：海默科技股份有限公司.2010.

[3] 孙贺东，赵海鸿，周芳德.油气水三相流测量技术的最新进展[J].油气储运.2002，21(3):31-36.

[4] 中国船级社.海上固定平台入级与建造规范[S].北京：人民交通出版社，1992.