水下湿气流量计量技术发展浅谈

张汝彬

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300051)

0 引言

我国南海蕴藏着丰富的油气资源，其中70%蕴藏于153．7万平方公里的深海区域。而我国的水下开发基本依赖国外，特别是美国和欧洲的技术和设备。水下两相湿气流量计量装置作为深海开采装备之一，具有高技术附加值、高利润、高风险等特点。实现相关产品的国产化，将给国家节省大量的外汇，并带动国内相关产业的发展和创造大量就业机会，市场前景和社会效益巨大［1］。

本文针对水下湿气计量的技术特点，从基本原理、设计技术难点、国外技术发展情况、国内发展现状和市场前景等方面，对其进行探讨。一方面，通过技术分析，总结湿气流量计量通用的解决方案;另一方面，通过国内外技术发展对比及国内市场前景介绍，为国内该领域的发展提供技术借鉴和初步解决方案［1］。

1 湿气计量原理

Wet-GAS湿气作为多相流的一种，气体占据主要成分。湿气油田的气体体积分数(gas volume fraction，GVF)参数通常在95% ～99．99%。水下湿气流量计结构如图1所示。

水下湿气流量计由测量元件、传感器、水下电子模块等组成。布置在流体管路上的测量元件将数据实时发送至水下湿气流量计的电子模块。通过电子模块的处理单元对数据进行简单的判断与处理后，以高速通信方式，由水下控制模块将大量数据上传至上部计量和控制中心。

1．1 测量流程

首先，测量湿气中的相分率GVF;然后，测量气液两相的总流量Q(其中相分率也是总流量计算的参数输入)，进而计算得出气液两相各自的流量;最后，通过压力和温度传感器的实际测量值，经过流量计算单元，得出标准状态下气液两相流的流量。

1．2 测量方式

湿气流量测量主要有两个重要测量环节，即相分率测量和总流量测量。

相分率测量目前主要有三种测量方法:射线法、超声波法和电磁波法。通过其在不同介质中的传输特性，检测湿气的相分率。

总流量测量则通常通过节流装置测差压，然后计算得出湿气总流量。

通过相分率和湿气总流量，可计算出各相(油、气、水)的流量。

根据实时测量的温度压力参数，通过压力-体积-温度(pressure-volume-temperature，PVT)平衡方程原理，可以将计算结果转换成标准状态下的值。该计算过程由上部数据处理单元(data acquisition unit，DAU)完成。水下湿气流量计通过水下控制模块(subsea control module，SCM)与水上处理单元进行通信，并将数据上传至上部监控中心。

目前，国内外水下湿气流量计量装置的技术水平对比如表1所示。

表1 国内外现有技术水平对比Tab．1 Comparison of existing technology levels domestic and abroad

图1 水下湿气流量计结构图Fig．1 Structure of the underwater wet gas flowmeter

2 国外发展现状

油气田水下两相湿气在线不分离计量技术是水下计量的关键技术。突破该关键技术，可以实现气藏或单井的连续测量，以及对气井全生命周期的实时、动态、有效管理。油田开发企业可以根据监测情况及时修正天然气田气井开采方案，诊断气井状态，提高天然气采出率，延长气井寿命。

由于水下两相湿气计量装置的技术门槛较高，开发投入较大。目前，国外公开掌握该技术的仅有Schlumberger/Framo、 Emerson/Roxar、 FMC/MPM、AMETEK/Solartron等少数公司。其中，Framo、Roxar和MPM三家应用较多。水下湿气流量计(wet gas flowmeter，WGFM)的价格非常昂贵，单台的价格在一百万到三百万美元不等，有特殊要求的价格更高［2］。

Framo在1996年推出世界上第一台海底多相流量计，其核心技术包括一个静态混合器、文丘里和双能伽玛相分仪。此后，Schlumberger通过参股的方式获得了Framo的多相计量技术，形成目前国际上多相计量主流产品之一的Vx多相流量计。Schlumberger使用一个盲三通替代了Framo的静态混合器，并将Framo测量由上向下的垂直多相流管流变为多相计量领域更为常用的由下向上的垂直多相管流。

Roxar湿气计量技术的核心也基本相似，使用伽玛和文丘里计量技术。不同的是，在实现油气水三相计量时，其相分率的测量并非采用伽玛测量技术，而是基于传统的电学测量技术。

国外三家主流公司生产的水下流量计性能参数如表2所示。

表2 水下流量计性能参数Tab．2 Performance parameter for underwater flowmeters

3 国内发展现状

水下两相湿气流量装置是海洋工程装备中的高端装备，在我国深海开发中需求量巨大，且目前我国尚未掌握水下两相湿气流量装置的设计、制造、安装、测试技术，也无专门的设计、制造及测试标准。水下两相湿气流量装置的只有从国外进口，但采购价格居高不下。

因此，无论是市场需求，还是打破国外技术壁垒、促进水下两相湿气流量装置的国产化，都需对水下两相湿气流量装置进行深入研究，掌握其设计、制造、安装、测试技术，研究适用于水下两相湿气流量装置的标准或规范，最终实现拥有自主知识产权的水下两相湿气流量装置的国产化。

目前，国内湿气流量计在陆地已有部分国产化应用，而水下湿气流量计仍然空白。目前，陆地湿气流量计主要由海默科技和天津大学开发。其中，海默主要采用伽马射线+文丘里管，而天津大学主要采用超声波+文丘里。国内目前需要解决的技术难题主要有水下密封、水下连接、水下安装与回收等。

4 湿气流量计在水下生产系统中的作用

湿气流量计及多相流量计的基本要求是测量生产流体中的油气的比例和产量，或者油、气、水的比例和产量。但是，针对其测量的应用远比测量本身意义深远。

①生产监测:常规生产流体比率和产量的监测，用来决定每一口油气井的配产。

②油藏监测:可以通过分析计算，密切监测钻井孔状态、PVT参数变化和油藏的特性，从而为提高油气田的总回收率提供依据。

③远程操作生产:通过网络实时数据反馈，决策者们可对整个油气田的生产进行远程决策和操作。

④效益分配:对于生产流体各组分比率及流量的准确测量，可以为生产效益的最终分配提供先决信息。

⑤人工举升优化:通过对生产流体的准确检测，可以为井下采油泵的控制及气举系统效率的提升提供保障。

⑥通过对水下湿气流量进行实时监测，计算并分析井口生产状态(包括压力、温度和组分等参数)，可以为水下井口生产决策提供依据，从而有效抑制生产过程中的管线腐蚀、水合物生成和结蜡等问题。

5 湿气计量技术在水下应用的难点

5．1 控制系统接口及技术要求

WGFM布置于水下采油树，通过水下控制系统将其测量数据上传至上部DAU，由数据处理中心对上传数据进行计算和处理，并将计算结果发送至水下控制系统。

每台WGFM将会由对应SCM实时监控，主控站(master control station，MCS)以周期检测的方式读取所有的水下数据，其中包括WGFM测量数据。

WGFM与水下控制系统的接口，通过电飞线连接的形式与SCM连接，具体信号通信接口形式和电飞头细节应当由SCM与WGFM协商确定。

在生产过程中，更新的PVT数据应当及时写入WGFM，且此过程由WGFM DAU独立完成(不干扰水下控制系统)。WGFM DAU应当提供一个单独的盘柜和人机界面，以便实时监控水下湿气流量计，并对其进行操作。

接口供电电压、功率及通信接口形式需要根据水下控制系统中SCM的接口要求确定［3］。

5．2 工艺系统接口及技术要求

水下湿气流量计应当与采油树工艺管线相匹配，如果考虑可回收式水下两相湿气流量计，则要考虑特殊的连接器形式，方便其通过远程遥控潜水器(remotely operated vehicle，ROV)配合进行水下安装和回收。

WGFM应该根据其测量工艺设计，与井口管线尺寸、压力等级及防腐要求进行匹配，并需特别考虑水下在线维护。为此，应当考虑旁通管线或冗余流量计设计，同时在工艺上游和下游应当采取隔离措施。

为了确保WGFM测量的准确性，工艺管线入口应当垂直进入，从而保证进入流量计流体为湍流的流态。考虑到计量的准确性，WGFM通常布置在生产调节阀(production control value，PCV)的下游，以及甲醇注入点的上游。

5．3 工艺测量影响因素

对于WGFM的设计，工艺因素的影响至关重要。通常需要着重考虑以下工艺测量影响因素。

①工艺测量位置。

工艺测量选取的位置将影响水下湿气流量计的结构及尺寸设计。

②流体组分。

流体组分的不同将影响测量方式。

③含盐、沙及化学药剂。

介质对测量精度的影响如表3所示。含盐、药剂注入及含沙等会影响测量精度，需要作为补偿输入，对测量进行修正。

表3 介质对测量精度的影响Tab．3 Influence of medium on measurement accuracy

5．4 信号采集与处理系统

目前，地面两相湿气计量装置的信号采集与处理由流量计算机完成。该流量计算机安装在设备撬体内部的防爆外壳内，现场操作、维护都比较方便。但是，当用于水下设备时，考虑到设备运行的可靠性以及操作、维护的便利性，需重新设计信号采集与处理系统。水下部分只考虑完成信号高速采集、简单处理和传输，流量计算机安装在水上控制室内，接收信号并完成详细的工艺计算［4］。

水下数据采集与处理系统将设计为低功耗，将在流量计上预留供电与通信接口，直接连接到水下生产模块，给水下两相湿气供电并通信。在水下两相湿气装置上，仅考虑数据采集的方式和传输协议。推荐的通信方式通常为:Modbus、Canbus、Ethernet(TCP/IP)或光纤通信［5］。

5．5 安装与维护

水下两相湿气装置将按照撬装结构设计。撬架上设计有吊装、支撑和定位结构，进出口预留API 6BX法兰，使用螺栓直接与水下生产管线连接。撬装结构设计将考虑ROV拆装的便捷性。

水下设备维护方面有两种解决思路。一是局部维护，即设计回收系统。如个别部件或电子器件等出现故障时，可使用ROV等工具，使其与两相湿气计量装置本体脱开后回收到水面;进行相关的维护后，再进入水下与两相湿气计量装置本体连接。该过程由水下机器人完成。二是整体维护，即将整套装置从海底管线上拆除、吊到水面平台或陆地后，作整体的标定与维护。应重点论证可回收式维护方式的可行性。这是因为可回收式的维护方式对整套设备有极高的设计与制造要求，成本较高，且可能存在回收部件在水下回接的可靠性等问题。

5．6 可靠性与稳定性

为提高水下湿气流量计的可靠性与稳定性，通常对水下相关电子部件采取冗余设计(包括电接头、数据处理单元及通信单元)。冗余设计有硬件和软件两个方面。其中:硬件设计需完成两套硬件的相应布局，以避免互相干扰;重点是软件设计，包括故障判断和控制逻辑。应当引入冗余控制策略指导软件设计，通过配置相应的故障诊断软件，以尽早发现并解决问题。应尽可能降低流量计内水下电子模块的功耗，从而将数据计算工作交由上部数据处理单元。

针对两相湿气流量装置内的各个部件、仪器仪表等的防护部件，按照API 17/ISO13628系列标准的要求作相应的设计，以适应水下环境条件下安装与使用。水下湿气流量计通常存在多个工艺和电气接口，如探测器外壳、温度变送器、压力变送器等。由于存在较多的、可能与海水接触的点，假如任意点的防水密封失效，即意味着整套设备将不能工作。所以，水下湿气流量计需要经过严格的强度测试、振动测试及温度循环测试，以保证其在水下严苛的环境下能够可靠运行。

5．7 材料和腐蚀保护

水下两相湿气装置所选用的材料必须满足API 17/ISO13628系列标准。同时，由于其接触油气井产出流体的部件，所选材料应该满足所设计的生命周期内的抗介质腐蚀要求。所有暴露在海水中的材料，除了选择抗海水腐蚀的材料外，还需按照 API 17/ISO 13628系列标准要求，进行表面涂覆处理。

6 结束语

本文介绍了水下湿气流量计的应用情况、测量原理、控制系统接口、工艺系统接口和开发技术难点。

水下两相湿气流量计在水下生产系统中应用十分广泛。目前，其关键技术被国外几家公司所垄断。研究并开发适合我国水下油气田特点的水下湿气流量测量装置，对于提升我国海洋石油装备国产化率、降低工程建设投资、提高我国海洋工程装备研发能力具有十分重要的意义。