水下多相流量计在深水油气田开发工程中的应用研究

水下多相流量计在深水油气田开发工程中的应用研究

刘太元，郭 宏，郑利军，闫嘉钰，许文虎

【摘 要】[摘要]科学技术的不断发展，加速了人们对海洋油气勘探向更深的领域迈进。为了实时监测油井井流的变化，以便更好地优化对油藏的开发，水下多相流量计得到了越来越多的应用。概述了目前常见的水下多相流量计的基本测量原理，研究了多相流量计在深水油气田开发应用的影响因素，包括量程、安装位置、通讯结构等，给出了各种不同方案的可能性，对多相流量计在深水油气田开发工程中的应用具有一定的指导意义。 【期刊名称】中国工程科学 【年(卷),期】2012(000)011 【总页数】6

【关键词】[关键词]深水;水下多相流量计;流动安全;油藏优化;油气田开发

1 前言

油气田在正常的生产过程中，井流的检测与计量对于了解整个油气田的生产和优化油藏管理具有非常重要的意义。井流多混合油、气、水三相，从而使得管道内的流体表现出多相流的性质。许多学者对管道内的多相流的机理和特性进行了大量的研究。20世纪40年代，Tangren等针对不可压缩液体和理想气体的均质混合物，采用基本的流体动力学原理，建立了通过孔板的两相流体的物理模型[1]，Poettmann与Beck通过建立油嘴尺寸、气液比、流体特性与液体产量间的关系提出了多相临界流方程[2]。Ajlenke与Ikoku提出了适用于连续液体和连续气体的广义多相流计量模型[3]，这些模型的建立为多相流的研究奠定了基础。进入20世纪80年代，人们对管道中的多相流在不同倾斜角度和直

径中的各种情况进行了广泛的研究[4]。借助于计算技术的快速发展，目前已经可以进行复杂的建模和技术，从而使以前必须简化成1维模型才可以进行的研究，现在可以扩展到2维和3维模型，能够更加清楚地理解多相流复杂的机理。 在多相流研究成果的基础上，为了检测挪威北海油田的产量，以及未来边际油田回接到现有基础设施的需要，20世纪80年代，第一台商业多相流量计(MPFM)投入使用。在随后的10年中，多相流量计被广泛接受作为油田生产计量的主要方法之一，1992—2000年就有近1 500台多相流量计投入使用，而生产多相流量计的厂商就有十多家[5]。随着对于深水油气资源的勘探开发，用于水下生产系统的水下多相流量计也得到越来越多的应用。与传统的测试方法相比，水下多相流量计具有以下的优点。

1)节省投资。由于没有单独的测井系统，不再需要回接到上部处理设施的测试管线和测试分离器，同时节省了上部浮体的空间。对于一个回接距离约10 km，采用水下生产系统开发的油田，由于采用水下多相流量计而去除了测试管线，带来的成本节省约为62%[6]。与测试管线和测试分离器得到的离线测试结果相比较，它不需要等待流体达到稳定状态，便可以得到有效的测试结果。这一点在深水和长距离回接的开发中显得更加突出。集成在水下生产系统的在线MPFM能够更加快速地收集到更多有效的数据。

2)能够提供更加实时的连续数据。一口井配置一个流量计，而不是多个公用一个时，能够实时监控每口井的生产数据，从而能够及时地监测到可能出现的问题，如段塞和气举效率低下等，并做出快速反应。大量的实时数据可以提高油藏的理解和管理，达到优化生产和延长油田寿命的目的[7～9]。

3)当来自不同的作业者的油井和油田的生产油气汇集到同一管线并输送到上部

工艺处理设施进行处理时，需要对来自不同的油井和油田的生产量进行计量，以便进行产品分摊。当不采用水下多相流量计时，来自不同作业者油田的油气产量必须通过测试分离器进行计量[10]，但采用测试分离器时，由于上部空间限制，投资成本等问题，往往使得这些边际油田的开发因无法满足作业者商业要求而无法开发。采用水下多相流量计能够在一定程度上解决这些问题，成为开发一些边际油田必须采用的技术手段。

目前市场上有十多家公司和生产商能够提供多相流量计，但是能够提供水下多相流量计并且产品经过项目验证的却只有3家。同工作在陆地或上部平台的多相流量计相比，水下多相流量计不仅要处理各种复杂流形，同时还要面对水下苛刻的工作环境，这要求水下多相流量计在设计寿命、材料选择、安装和回收、日常维护、涂敷与保温等多个方面都要满足水下工作的要求，从而增加了水下多相流量计的复杂程度。

2 基本测量原理

对于单一流体，通过某一管道截面的流量可以采用下面的公式计算 式(1)中，Q为体积流量;A为管道横截面积;V为流体流速。

当管道中流体混合有油、水、气三相时，由于无法准确地得到各相流体在任意时刻任意横截面的分布，各相流速的测量要复杂得多。为了简化对多相流体流量的测量，假设每一相在管道横截面中占有一定的比例，多相流体的体积流量可以表示为

式(2)中，Qt为管道中多相流体的体积流量;Qi=AfiVi为油、气、水各相的体积流量;fi和Vi分别为各相的截面积和速度分量。

从式(2)可以看出，若想测量多相流的流量，必须得到各相的速度分量和截面积