水下多相流测量技术综述

海洋石油和天然气的储量惊人，开发潜力巨大[1]。我国是海洋大国，海岸线长度1.8万公里，居世界第四位，大陆架面积位居世界第五，海洋石油和天然气储量丰富。我国海洋石油天然气勘探主要集中在渤海、黄海、东海和南海北部大陆架。根据中海油总公司报告资料，仅南海盆地群的石油地质资源量就达到230亿至300亿吨，天然气总地质资源量约16万亿立方米，约占到中国油气总资源量的三分之一左右，其中70％蕴藏于深海区域。多相流测量是水下油气作业中必然面对的难题。深水油气开采技术难度大、成本高，水下油、水、气多相流测量技术是海洋油气田开发过程中，尤其是深水作业中必不可少的技术需求。

一、水下多相流量计发展概况

多相流是一种复杂的流动现象，普遍存在于能源、水力、化工、气象、航天等诸多领域，如何对多相流进行有效的监测一直以来都是学界的一个技术难题。多相流的发展史可以追述到19世纪70年代，直到20世纪40年代两相流一词始见诸文献。1974年《国际多相流杂志》创刊，1982年多相流手册出版，逐渐形成了一门独立的学科[2]。经过近40年的发展，对多相流的研究已经取得了一系列颇具意义的进展，尤其在多相流测量领域，已经出现了一些较为成熟的计量仪器，并成功应用于工业生产，取得了较为显著的经济效益[3]~[6]。

水下多相流量计的出现是为了解决传统测量方式的不足。在水下多相流量计出现以前，水下多相流测量多依靠将油井产物通过测试管线引至平台测试分离器或多相流量计进行油、气、水流量的测量。这种方法由于需要单独的测试管线，投入巨大，同时也带来了操作困难[7]。水下流量计的出现，使得水下单井产量的连续、实时测量成为可能，极大地改善了测试数据的准确性和时效性，对于生产动态监测、油藏管理优化和流动保障具有重要意义。

由于多相流测量本身难度较大，加之水下特殊的应用环境带来的挑战，目前世界上只有Schlumberger、Emerson、FMC、Pietro Fiorentini等少数几家国外公司具备水下多相流量计的设计、制造和安装技术，国内公司虽然在地面多相流计量领域已经实现商业化多年，但水下多相流量计的研究还处在起步阶段。

Fluenta是最早从事多相流测量研究的公司，也是世界上最早进行水下多相流量计开发并最终实现商业化应用的先驱。1995年，Fluenta第一代水下流量计Fluenta SMFM 1000在英国南斯科特油田实现现场试用，并在1996年进入市场[8]。2001年，Fluenta被Roxar并购，Roxar改进了Fluenta基于双速测量技术的多相流量计，并于2003年推出了第二代基于电容电导技术的多相流量计。2009年，Roxar被Emerson收购并成为Emerson旗下工程管理集团的一部分。2013年，Roxar第三代水下多相流量计完成了设计，该水下流量计与其地面流量计Roxar 2600采用相同原理，作为Roxar最新一代水下多相流计量产品问世[9][10]。

Framo是世界上最主要的多相流量计供应商，1996年，Framo第一代水下多相流量计在澳大利亚East Spar项目实现安装[11]。Schlumberger通过参股的方式获得并改进了Framo的多相计量技术，形成了目前国际上多相计量主流产品之一的Vx 多相流量计。Vx多相流量计采用多能级伽马射线吸收技术测量多相流体的相分率，使用文丘里测量总流量，既可用于多相流测量，也可用于湿气测量。2013年，Schlumberger与Cameron公司联合成立了One Subsea，提供包括水下多相流量计在内的水下设备和服务。

MPM是挪威一家专门从事多相流计量服务的公司，产品覆盖地面和水下。MPM水下多相流量计采用文丘里测量多相流的混合流量，采用3D BroadBandTM 过程层析成像技术测量相分率和管道内气液分布，既可用于多相流的测量也可用于湿气测量。2012年MPM公司被FMC收购，称为FMC旗下子公司。

Pietro Fiorentini是世界重要的多相流量计制造商之一，其水下流量计采用文丘里测量混合流体的总流量，电容电导技术测量液相的含水率，结合伽马密度计测得的混合液密度，即可用比密度法计算出各单相的流量。另外，Pietro Fiorentini还使用了电容电导传感器序列测量互相关信号，以此实现混合流速的测量。

这四家公司的水下多相流量计几乎占据了整个水下多相流计市场，其中Schlumberger、和Roxar两家公司占据了超过80%的市场份额[10]。经过20年的发展，水下多相流测量技术已经取得了长足的进步。目前，水下多相流量计的安装水深可达到3000~3500米，压力等级68.9~103.4MPa，设计寿命25年左右，气相测量精度能达到10%以内，液相

水下多相流测量技术综述

贺公安赵月前潘艳芝海默科技（集团）股份有限公司；孙钦郑利军中海油研究总院

摘要：水下多相流的测量对于监控海洋油气田的生产动态、优化油藏管理、提高流动保障、节省开发成本具有重要意义。多相流是一种复杂的流动形态，其流动机理的研究虽然持续多年，却仍不明朗。水下多相流测量的难点除了多相流本身测量难度很大外，还要克服水下的高温、高压、腐蚀等一系列环境问题。本文介绍了水下多相流计的发展现状，阐述了水下多相流测量的基本方法，并对水下多相流量计的封装、供电、通讯、安装、回收等关键性问题进行了简要分析。

关键词：海洋工程；石油天然气；多相流；多相流量计

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测量精度达到5%左右，含水精度达到2%左右。

二、水下多相流测量的基本方法

水下多相流计量的方法可以分为两大类，一类是通过安装专门的水下多相流量计，用一定的技术手段和流动模型实时监测三相流体中油、气、水各相的单相流量；一类是根据已有的传感器参数如压力、温度等，依据物料守恒、能量守恒等基本定律，通过复杂的数学模型计算得出多相流中各单相的流量。相对实时的水下流量计计量，虚拟计量的成本投入相对较小，但由于多相流流动的复杂性，加上介质性质和井况的变化，数学模型往往不能准确反映真实的流量。因此，水下井口安装多相流量计仍然是当下最主要的计量方式，虚拟计量一般只作为辅助和备用工具。因此，本文主要介绍水下多相流量计的测量方法。

水下多相流量计的测量原理与地面多相流量计相同，采用不分离在线式计量方式。一般地，可以将多相流量计的计量原理分为流量或者流速测量和相分率测量两个部分。

流量或流速测量的方法主要有两种。一种是采用节流式流量计，即通过测量文丘里、V锥、孔板等节流件入口与喉部之间的差压得到流过节流件的流体的流量。文丘里等节流式流量计本来只能用于单相流体的流量计量，在进行多相流测量时，假设多相流体是一种密度为油、气、水等效密度的单相流体，并对计算公式作必要的修正。因此，使用节流式流量计进行多相流总流量测量时，一般需要先进行混合处理。由于多相流测量的精度要求不是非常高，这种测量方式得到的混合流量能够满足测量的需要。另一种是互相关法。当被测流体在管道内稳定流动时，在距离一定间距的上下游安装信号传感器，上游传感器测得的信号，经过一定时间后，必定会重复地出现在下游传感器处，由上、下游传感器之间的距离和互相关信号出现的时间差即可得到混合流体的流速[12][13]。信号传感器可以是电学传感器，也可以是声学或光学传感器等。

多相流相分率的测量方法有多种，如伽马射线吸收法、微波法、超声法、电容电导技术、核磁共振技术，过程层析成像技术等。伽马射线吸收法和电容电导法是相分率测量最常用的方法。伽马射线吸收法的基本原理是利用不同介质对伽马射线的吸收程度不同实现油气水相分率的测量。电容电导法则是利用油、气、水的介电常数和电导率不同测量液相含水率的，当介质为水连续相时，采用电导传感器，当油为连续相时，采用电容传感器[12][13]。目前主要的水下多相流量计都采用这两种方法进行相分率的测量。

三、水下多相流测量的关键问题

1.水下流量计的封装。

流量计安装在水下，同时承受极高的内部流体压力和外部海水的静压力，另外由于介质温度、压力的变化，极易使密封结构失效。水下封装的意义一方面在于防止介质泄漏和窜流，另一方面在于保护流量计的电子系统不受海水或水汽的破坏。水下流量计安装在几百米甚至几千米的水

下，基本没有什么可维护性，其设计生命周期通常是20年或以上，这对水下封装技术提出了更为苛刻的要求。

水下流量计的封装方式有两种，一种是整体封装，一种是分体式封装。整体式分装是将流量计主体、差压传感器、温压传感器及电子系统整个封装在一个筒形壳体中。采用整体封装的方式必须做好散热设计，否则，水下高温介质的热量会使封装体内温度升高，影响电子系统的使用寿命。分体式分装是将电子系统分装在一个单独的壳体内，称为电子舱，水下温度、压力、差压传感器依靠其自身密封暴露在海水中。这种分装方式将电子舱和流量计主体分开，这种结构有利于让电子舱的温度维持在一个相对较低的恒定温度而不受介质温度的影响。

为保证水下流量计的使用寿命，水下密封一般采用全金属密封，要求密封件具有耐压、耐油、耐腐蚀等特性，在高低温循环条件下不至于损坏。

2.水下流量计供电与通讯。

水下流量计需要中央设备供电和通讯。供电和通讯可以有多种不同的实现方法，最常见的是通过水下控制模块（SCM）进行供电和通讯。水下流量计的电力和通讯的供应一般使用单独的电气和光学连接头或者混合连接头，连接头一般是压力均衡的湿式耦合电气和光纤连接头（根据工程设计水深分等级），利用ROV安装。水下流量计的一般输入电压为20V到35V，SCM需要能够满足流量计在启动（涌入电流）、闲置、备份监测模式和主要监测模式等不同模式下的供电需求。水下流量计常用的的通讯接口和协议有Canbus/Can Open （稳定的数据传输速度）、Modbus（Rs-232 或Rs -485）（稳定的数据传输速度）、光纤（高速数据传输）等[13]。

3.水下流量计安装与回收。

水下多相流量计一般有三种，一种是安装在采油树的Choke Bridge上，与采油树油嘴组合在一起作为流量控制模块，与Choke Bridge一起通过ROV进行整体安装和回收。另一种是安装在连接采油树和水下管汇的跨接管上。在这种情况下一般只能实现电子模块的回收，若要整体回收，必须连同跨接管一起回收。但由于回收跨接管对吊装要求较高，而且容易引发其他问题，所以许多安装在跨接管的流量计一旦出现问题，基本上就被弃置。水下多相流量计的另一种安装位置是水下管汇，通过多路阀选井进行测量。这种安装方式的优势是节省投资，但却无法实现每口井的连续测量。若每口井配置一台多相流量计，一方面成本会上升，另一方面也会使得管汇的重量大大增加[14]。电子模块回收SRC（Subsea retrievable canister）是将所有电子元件、信号和能量系统集成到一个可回收的模块内，所有的元件及相应的接头都有充分冗余。在工作时，电子模块可以快速接入整个流量计，而不需要关断流体或是停止整个采油过程，从而避免了因为回收更换模块时造成的额外花费。整体回收式流量计整体模块式流量计CBV（Choke Bridge Version）保留

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