短节式多相流量计在海洋工程中的应用研究

郑永峻， 刘 健， 季 磊， 饶云松， 王道明

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

0 引言

短节型多相流量计可安装在单井井口或计量站，对油气水各相流量和关键过程参数，如含水率、含气率、温度、压力等进行在线、实时测量[1]。该产品基于成熟的伽马射线及文丘里技术，覆盖0~100%含气率范围下的单井计量和测试，同时可以满足小体积、高强度、长寿命的要求。短节型多相流量计，具有无辐射危害、小型化、智能化、准确度高、可靠性高、通用性和安全性高等特点。

目前使用的多相流量计为成撬形式[2]，在流量计前端需要多路阀、测试管汇等设备进行井口切换，从而实现单井的流量计量。短节式多相流量计在海洋平台中的创新研究可以进一步简化工艺流程、降低投资成本、提高生产效率、减少后期维护，可以节省平台占地空间，可以解决边际油田无人平台单井测量倒井困难的问题，具有明显的降本增效意义。

1 短节式多相流量计主要应用特点

海洋油气平台考虑开发难度和经济性原因，比起陆地油气开发设施总体尺寸较小，设备设施布置更加紧凑，当开采出来的油气资源出现多相流时，则需要较为复杂的工艺流程对井口物流进行测试分离、切换和计量等处理[3]，对设备布置和工艺处理要求尤其高，并且占用平台空间多，投资费用高，后期生产运维操作繁琐。短节式多相流量计在海洋油气开发工程中成功应用，有效解决了上述问题，尤其为边际油田的开发方式提供了良好借鉴。具体对比见图1、图2。短节式多相流量计（见图3）具有以下特点：

图1 常规海洋平台形式

图2 短节式多相流量计

图3 短节式多相流量计结构

1）采用低能伽玛射线吸收技术测量相分率，不受油水相转化的影响，且可以用于全范围相分率测量；

2）利用在线液体取样器与双能伽马传感器相组合，这一独特的结构使得含水率测量准确度不受入口处多相流的流型和含气率变化的影响，从而能保证全量程范围内的含水率和纯油的较高测量精度；

3）利用流体取样头与流型调整器相结合，可以获取有代表性的液体样品，确保了相分率测量精度；

4）结构简单且无可动部件、压损小；

5）可以满足大流量的油气水混输测量；

6）结构紧凑，工艺简洁；可实现实时、连续、自动测量、无人值守。

2 短节式多相流量计测量原理

2.1 主要结构

2.1.1 文丘里管

文丘里管是流量计量领域的常见设备，其能使得流体发生“节流”作用。文丘里管的最基本的组件包括截面积渐小的圆台形入口管道，圆筒形喉部管道和截面积渐大的圆台形出口管道，文丘里管以水平方式布置，中轴线呈水平方向[4]。

2.1.2 伽马射线探测器

伽马射线探测器（见图4）是多相流量计领域中常用的一种探测器，其一般包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，要求二者的布置方式要使得伽马射线发射器所发出的伽马射线能够以径向方向沿所述喉部管道的横截面穿过，到达伽马射线接收器。

图4 伽马射线探测器

2.2 主要技术参数

具体技术参数如表1 和表2 所示。

表1 短节型多相流量计技术参数

表2 短节型多相流量计测量典型不确定度

2.3 测量原理

短节型多相流量计沿用了成熟的文丘里和伽马射线技术，在0~100%含气率范围内实现单井油、气、水单相流量的实时计量。

1）油气水三相含水仪由在线液体取样器和双能伽玛传感器组成，主要完成代表性液样取样及其在油气水三相状态下含水率的测量。

2）通过伽马射线探测器测定沿所述喉部管道的横截面上的径向方向的气相线性相分率αgθ，其中伽马射线探测器包括伽马射线发射器和伽马射线检测器，其中伽马射线发射器所发出的伽马射线以径向方向穿过气液两相，到达伽马射线接收器[5]。

3）根据等径偏心圆模型，由总体积流量Ql以及上述径向气相线性相分率αgθ，计算气相流量Qg和液相流量Ql，具体公式如下：

计算偏心距d：

式中：R为所述喉部管道的半径，其中θ 为测量时采用的径向方向与水平径向方向的夹角；

计算气相面积相分率αsg：

计算气相体积相分率fgv：

式中：S为气液两相之间的滑差因子。当考虑滑差时，S由经验公式计算得到；当不考虑滑差时，S＝1，则GVF＝αsg；

计算水平管中湿气的气相流量和液相流量：

4）当使用测量所述文丘里管的上游与其喉部之间的压差测量元件、测量文丘里管上游的流体压力的压力测量元件以及测量湿气温度的温度测量元件时，总体积流量Qt由以下公式计算得到：

式中：C为流体的流出系数，无量纲；d为文丘里管喉部处的内管径；β 为文丘里管喉部处内管径与其入口处内管径的比值；Δp为所述压差测量元件测得的压力差；ρmix湿气的混合密度。各物理量的单位，均采用国际单位制。

5）数据采集和处理单元（DAU），主要完成对系统内各传感器和仪表的信号采集、处理，基于多相流动模型的计算，以及最终测量结果的输出和数据远传等。

6）多相流量计系统还包括了温度变送器、压力变送器、差压变送器和控制阀等辅助性的测量仪表和控制装置。

多相流量计最终输出的测量结果包括：油、气、水三相的瞬时流量和累计流量，含水率，含气率，气油比，混合液密度和流体的温度，压力等过程参数，其计算流程如图5 所示。

图5 计算流程

短节型多相流量计结构紧凑、占地面积小，可永久安装在井口或计量站。

3 实际海洋工程技术方案的选取

海洋平台井口多相流的计量方式通常有两种方式，分别为：“生产管汇+多路阀+多相流量计总管计量、生产管汇”+“测试管汇+多相流量计总管计量”。根据不同海域海洋油气开发方案，选用最优方案进行设计和实施[6]。

本次海洋油气开发项目具有无人化、井口数少、工程规模小的特点，为6 口井（3 口气井、3 口油井）、双相钢材质、2 500 磅压力等级的无人平台。常规两种计量方式无论是技术上还是经济性上都已不再适用，因此增加了“生产管汇+短节式多相流量计计量”方案，结合整体方案进行了多项评估。

三种方案的对比如表3 所示。

表3 海洋平台多相流计量方案对比

通过对三种方案进行对比，短节式多相流量计方案具有操作界面简单、资源获取容易、工期及经济性优越的优点，综合风险、工期、费用等多个因素的综合考虑，最终选择短节式多相流量计方案。

4 技术成果推广经济效益分析论证

边际油田、无人化平台等海上油田往往在井口数量、井口种类上都有很大不同，为了将研究成果更好的进行推广应用，本节将对不同井口数量和井口种类进行经济性分析，并得出经济适用性结论。

4.1 不同井口种类

由于短节式多相流量计是用于测量三相介质流量，只要是多相介质的井口计量都适用，所以不同井口种类对经济适用性不存在影响。

4.2 不同井口数量

通过上一章节得出的结论，6 口气井经济效益，短节式多相流量计价格比次低方案还少475.63 万元。针对不同井口数进行经济性分析，总体分析结果如表4 所示。

表4 不同井口数量对比分析

由表1 可知，采用短节式多相流量计方案，井口数量越少，经济效益越明显。在16 口井数量时，经济效益为5.63 万元，17 口井数量时，经济效益为-32.37 万元。综合其他因素考虑，建议大于16 口井口数量时，不再考虑短节式多相流量计方案。

5 工程实践经济效益

随着我国海洋石油的不断开发及降本增效的迫切要求[8]，短节式多相流量计在海洋平台的应用研究是极其必要的。本次海洋油气发发工程中，短节式多相流量计的成功应用，为边际油田开采模式及类似海洋油气开发项目提供了新的思路：

1）简化工艺流程、降低投资成本、提高生产效率、减少后期维护。在井口多相流计量中，不再需要工艺流程中的井口多路阀、测试管汇等设备，适用于不同磅级压力、不同介质成分的工况，降低投资费用；简化人工手动操作阀门来切换单井计量的工序，大大提升日常生产操作的功效。本项目直接经济效益减少工程投入超过500 万元，间接经济效益超过1 000 万元。

2）节省平台占地空间。短节式多相流量计采用管段式安装方式，无须成撬，且不需要多路阀和测试管汇等设备，减小井口计量所需要的平台占地面积超过20 m2。

3）解决边际油田无人平台单井测量倒井困难的问题。由于简化掉工艺流程中的多路阀、测试管汇等设备，可以使用电动阀门实现远程倒井的操作，解决边际油田无人平台单井测量倒井困难的问题。

6 社会效益

短节式多相流量计计量，旨在控制成本和提高效率及产能，并使较小的油田可以更好地运营下去，更大限度地利用有限的资源满足社会上人们日益增长的物质文化需求，具有良好的政治效益、思想文化效益、生态环境效益。