多相流量计在海洋石油工程中的应用_赵丹

多相流量计在海洋石油工程中的应用

赵丹，贾明鑫，张小钢，魏丽

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

摘要：在原油开采过程中，为了优化生产参数，提高采收率，需对油井产出液中各组分的体积流量进行连续计量。随着海洋油气的开发，传统的分离式计量方法已越来越不能适应生产需要，多相流量计逐渐开始得到应用，并有取代传统计量方式的趋势。针对此种趋势，结合目前国内海洋工程中多相流量计的应用情况，通过多相流量计14-J-2000在曹妃甸项目某组块上的实际应用，深入分析了多相流量计的测量原理、组成结构、工艺流程及系统连接，并对其系统安全、使用环境等提出要求。与传统的分离式计量方法相比，展示了多相流量计的应用在成本及创造的经济效益等方面的优势，总结了多相流量计的自身优点，分析了其在海洋环境中尚需完善的功能，考虑在海洋环境中的实用价值，对其进一步的应用作出展望。

关键词：海洋石油平台；多相流量计；测量原理；应用

1 背景

为了油井计量和油藏动态管理，确定最佳产量和油田开采时间，油藏工程师要求经常监视单井动态，掌握单口油井的产量，包括每口油井的产油量、产水量和产气量。传统做法是将油井产出液经计量分离器分离成油相、水相和气相, 再采用各单相测量仪表或装置测量获得三组分的各自含量, 然后再混合输送到泵站进行生产处理，系统的质量和体积都较大，给设计和施工增加了很大难度。特别是随着近年油气开发向海洋、沙漠和极地等地区发展，以及所开发的油田油层更深、油质更重的特点，造成油田开发成本不断上升，石油工业界对新的开采技术的需求日益迫切，多相计量技术正是在这种背景下应运而生的。

2 海洋石油工程多相流量计的使用情况

从80年初至今，国内外多相计量技术的开发和应用取得重要的进展。截至目前，国际公认的达到商品化程度并且在工业现场进行了较为广泛的试验和应用的多相流量计包括：美国Agar公司的Agar-301和Agar-401，中国海默仪器制造有限责任公司的MFM2000，挪威Fluenta公司的Fluenta 1900VI，MFI公司的Multi-fluid以及Framo公司的Framo多相流量计等［1］。

中国海洋石油总公司在许多项目中使用了国内外多家公司的不同类型的产品。例如，涠洲项目、绥中项目的总流量计量采用了兰州海默的多相流量计；曹妃甸、蓬莱、西江项目也都安装有海默多相流量计；秦皇岛某油田平台总量计量采用了海默多相流量计，而井口计量采用挪威FLUENTA的多相流量计；文昌油田某井口平台采用了挪威Roxar公司MFI多相流量计。

3 海默多相流量计在曹妃甸项目某平台上的应用

兰州海默公司的MFM2000系列多相流量计是最新一代的多相计量仪表，它在油气水三相不分离状离下实现油井产物的液量、气量、油量、水量、含水率以及温度、压力的在线测量。结构紧凑、体积小、重量轻、测量精度高、测量范围宽、流型适用性好、运行可靠性高、性价比高。曹妃甸项目某些组块都安装有该公司的多相流量计，其中14-J-2000负责平台井口测试计量。

3.1 测量原理

14-J-2000采用的型号是MFM-2100/M-2，它利用文丘里流量计测量多相流的总流量，利用伽马传感器测量多相流的相分率。根据总流量和相分率(多相流中气体的体积份额—含气率GVF、液相中水的体积份额—含水率WC)即可得到油流量、水流量、气流量。再根据温度和压力的测量值，将实际状态下的体积流

作者简介：赵丹（1981-），女，辽宁沈阳人，学士，主要从事海洋石油平台仪表设计工作。

联系方式：zhaodan@

量换算为标准状态下的体积流量。

3.2 组成结构

如图1所示，14-J-2000主要部件包括：文丘里管及其配套的差压变送器（5、6），单能伽马传感器（3、

10），温度变送器（7），3"气动关断阀（8），含水仪流型调整器（9），双能伽马传感器（11），电源分配箱(4孔)（13），防爆接线箱(14孔)（14），流量计算机(DAU)（位于防爆接线箱内），压力变送器（PT ）。

图1 多相流量计结构示意图［2］

3.3 测量工艺流程

如图2所示，14-J-2000采用了双液路结构，扩展了液量和气量的量程范围，根据流量不同选择不同的文丘里管进行测量，其流程如下：

3"液路：入口→3"单能传感器→3"经典文丘里管→3"气动关断阀→流型调整器;

"121液路：入口→3"单能传感器→3"经典文丘里管→"121单能传感器→"121经典文丘里管→流型调整

器被测多相流进入多相流量计后，可根据流量的大小自动选择3"液路和"121液路两条测量线路中的一条进行计量。其初始状态为：气动关断阀常开，默认为3"液路测量。

图2 14-J-2000工艺流程示意图［2］

被测流体从入口管段经盲三通整流进入3"液路测量管段，由3"单能伽马传感器和3"文丘里流量计测量多相流的体积含气率GVF 及总体积流量t Q

，然后进入流型调整器，部分气体从容器顶部的气路排出，其余部分的流体从容器的底部进入双能伽马传感器进行液相含水率WC 的测量，其中流型调整器为含水率的测量提供混合均匀的有代表性的样液，最后流体在多相流量计的出口段汇合，进入下游的工艺管线。则：

气流量GVF Q Q t g *=，总液量)1(*GVF Q Q t l −=,

而油量)1(*)1(*WC GVF Q Q t o −−=，水量WC GVF Q Q t w *)1(*−=

流量计算机根据温度变送器和压力变送器测量的温度和压力，将测得的工况条件下的油、水、气的流量转换为标准条件下的值。

当3"液路上的差压变送器所测差压值低于此变送器的下限时(即流量减小到一定范围后)，由DAU 发指令给气动关断阀的执行器，关断阀关闭，测量管段切换到"121液路，由"121单能传感器和"121经典文丘

里管测量GVF 及t Q 。当"121液路上的差压变送器所测差压高于此变送器的测量上限时(即流量增大到一定

范围后)，DAU 控制关断阀切换到开启状态，多相流量计自动切换到3"液路进行测量。

两台压力变送器分别测量两条液路流体的压力，温度变送器安装在3"液路和"121液路结合处，测量多相流体的温度，置于防爆接线箱内的DAU 采集以上总流量、含气率、气量、含水率、压力、温度的信号进行处理，计算得到总液量、总气量、含水率、纯油量值。并通过RS-485总线与位于平台中控室的MFM-PC 通讯，向MFM-PC 机传送测得的各个数据。

3.4 系统连接

如图3所示，现场压力变送器、温度变送器、伽马传感器连接到防爆接线箱内的流量计算机的信号转换卡上，将测量数据传输给流量计算机，而流量计算机控制关断阀的输出信号驱动继电器控制电磁阀的开关，进而通过气源驱动关断阀。所以，系统还需500～800 kPa 的仪表气源。

流量计算机通过RS485与MFM-PC 通讯。系统

所需电源来自电源分配箱，它将220V 交流电变压整

流成24 V 直流电，然后送入到防爆接线箱。

由于平台现场会存在较强的干扰，因此仪表电缆均采

用了铠装屏蔽电缆，以屏蔽干扰信号。其中仪表的屏

蔽接地分别连接到防爆接线箱内部的接地汇流槽，防

爆接线箱外部的接地螺钉与撬架的接地螺钉相连，撬

架的接地螺钉再与平台的接地系统连接，其中撬架的

接地电缆截面不应小于6 mm 2，接地电阻应小于4 Ω。 图3 系统连接示意图[2]

3.5 伽马传感器的标定

多相流量计在使用前必须先对伽马传感器进行标定。为了避免在多相流量计标定或维修时使生产中断，在流量计的进口和出口安装了关断阀，并安装了一条带有旁通阀的旁通管线，正常工作时要避免旁通的泄漏。

标定的程序是测量传感器内是空的时候（常压下空气对伽马射线的吸收可以忽略）和传感器分别充满净化油和产出水时的伽马传感器输出。油和水是从被测多相流中分离出来的，目的是为了知道油和水对伽马射线的吸收能力。多相流量计在运行中，如被测多相流的油和水的性质（如油的成分、密度，水的矿化度等）发生较大变化，则需重新标定。

3.6 系统安全

由于平台所处的环境恶劣，面临着强腐蚀、海浪、淋水等，并且多相流量计位于井口区，该区域危险等级较高，因而对防护防爆有较高的要求：要求系统的防护级别为IP66，可以完全防止尘埃，并可以承受猛烈的海浪或强烈喷水；要求防爆等级为EEXdIIBT3，适用于正常运行时可能出现爆炸性气体环境。

14-J-2000的防爆等级为EEXdIIBT4/T6，满足平台环境要求。它采用了气动关断阀，与电动关断阀相比，安全性更好。另外，该系统使用的放射源的外泄剂量均远低于国家标准，且设备外部设置了相应标志，以确保放射源不能私自拆卸。

3.7 应用情况

曹妃甸油田处于渤海湾，冬天气温较低，最低温度为-14℃，原油可能出现凝结，虽然多相流量计对原油没有温度要求，但必须保证原油能够流动，因此，系统采用了电伴热，在相应的管线容器上缠绕了电伴热带，保持多相流量计内原油不会凝结。若介质含沙量大，需在上游安装除沙器；如气体含量太高，增加旋转气液分离器进行部分分离，即可提高测量精度。

14-J-2000的外形尺寸为2 030 mm×1 100 mm×2 400 mm ，总重1250kg ，其测量不确定度为：液量±10%，