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文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-080-03中圖分類號：TP216

★ 高亮，劉淼，宋子平，孫國寶（昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京102206）

★ 李強（長慶油田第二采氣廠，陜西榆林719000）

摘要：油田開發(fā)中，油氣水三相流量的準(zhǔn)確測量是計算含水率、氣油比等關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)，也是制定油井增產(chǎn)措施及編制開發(fā)調(diào)整方案的重要依據(jù)。通過調(diào)研國內(nèi)外三相流量計發(fā)展情況可以看出，目前市場上流量計以國外產(chǎn)品主導(dǎo)，由于多相流量檢測技術(shù)瓶頸限制，尚沒有較為知名的產(chǎn)品。在此背景下，新型在線三相流量計被研制出來，該產(chǎn)品能夠在線實時檢測氣液流量，并通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，通過數(shù)據(jù)采集和通訊傳遞，將數(shù)據(jù)以可視化的方式展示給用戶。該產(chǎn)品下線后在國內(nèi)某油田開展了現(xiàn)場試驗，應(yīng)用效果顯示該產(chǎn)品具備較高的穩(wěn)定性和復(fù)雜工況下的工作能力，能夠滿足油田各工況下流量測量需要，已具備在國內(nèi)外油田擴大應(yīng)用的條件。

關(guān)鍵詞：三相流量計；在線檢測；物聯(lián)網(wǎng)；含水率；誤差率

在油田的開發(fā)過程中，對油井進行持續(xù)監(jiān)測，獲取壓力、溫度及產(chǎn)量，是掌握油井開發(fā)狀況、分析油藏開發(fā)動態(tài)的關(guān)鍵。其中，三相流量的準(zhǔn)確測量又是重中之重，準(zhǔn)確獲取油井的油、氣、水量，可以計算出油井含水率、氣油比，這些參數(shù)是制定油井增產(chǎn)措施、編制開發(fā)調(diào)整方案的重要依據(jù)。

無論是油井井筒內(nèi)還是油氣儲運管道內(nèi)，油氣水都為混相流動，流動形態(tài)復(fù)雜，流量測量難度較大。油田生產(chǎn)過程中，常規(guī)做法是在井口處利用車載三相分離器，將油氣水進行分離并分別計量，也就是業(yè)內(nèi)常用的試油方式。另外，利用油氣處理站內(nèi)的固定三相分離器對混相進行分離，獲取含水等信息。然而，這些工藝工作量較大，費用較高，且無法實現(xiàn)連續(xù)計量。因此，可靠的在線三相計量裝置的研制和應(yīng)用對油田開發(fā)和生產(chǎn)非常必要[1-2]。

1 三相流量計的發(fā)展現(xiàn)狀

國外的在線三相流量計研究起步較早，美國、英國、挪威和加拿大在多相流流動參數(shù)測量方面做了大量的研究[3-4]，并擁有一系列較為經(jīng)典的三相流量計產(chǎn)品，比如，挪威FRAMO公司設(shè)計制造，由在線靜態(tài)混合器、多源伽馬組分計、文丘里管三部分組成的MPFM型三相流量計；美國海默公司設(shè)計研制的MFM2000-NG三相流量計，利用文丘里管測量流量，并利用低能源放射吸收技術(shù)確定油、氣、水組份；英國JISKOOT公司設(shè)計的Mixmeter三相流量計，設(shè)計精巧，用差壓變送器測定流量,并用雙能級伽馬源相分率計標(biāo)定含水率、氣油比等參數(shù)。

國內(nèi)三相流量計研發(fā)起步較晚，且受制于國外流量檢測技術(shù)壟斷，以及受國內(nèi)混相流動檢測技術(shù)的瓶頸限制，尚沒有較為知名的民族品牌，國內(nèi)外市場份額仍然被國外品牌所占據(jù)。此外，目前市場上主流三相流量計產(chǎn)品多采用文丘里管和伽馬密度計的組合形式。其中，伽馬密度計利用伽馬射線在不同密度介質(zhì)中的衰減速率不同估算混合流體的密度，該技術(shù)存在放射源對環(huán)境和人體健康不友好、成本較高等缺陷。

2 新型在線三相流量計的研發(fā)

2.1 研發(fā)背景

自2016年以來，由于低油價的情況，降本增效成了油田可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵。利用在線三相流量計替代傳統(tǒng)三相分離器測量油井產(chǎn)量，是降本增效的有力手段，并可實時測量并獲取數(shù)據(jù)，對地質(zhì)開發(fā)部門及時做出方案調(diào)整和決策也起到了較好的支持作用。此外，為了打破國外技術(shù)壟斷，把能源飯碗牢牢端在自己手中，我國自主研發(fā)出可靠的在線三相流量計就凸顯出更深層的戰(zhàn)略意義。

在此背景下，一種新型三相流量計被設(shè)計和研制出來，如圖1所示，該流量計集智能化、小型化、非輻射、低成本等優(yōu)點于一身。我們通過自主研發(fā)，突破了軟、硬件技術(shù)瓶頸，填補了國內(nèi)低成本、不分離三相流在線計量檢測的技術(shù)空白。

圖1 在線三相流量計實物圖

2.2 技術(shù)原理

新型在線三相流量計，主要由四個模塊組成：文丘里測量模塊、微波檢測模塊、電學(xué)層析成像模塊、數(shù)據(jù)處理及通訊模塊[5-6]。

（1）文丘里測量模塊

該模塊利用雙差壓文丘里流量計測量氣、液兩相總流量。差壓式流量計模塊包括文丘里管，文丘里管上設(shè)置有差壓傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器，它們可與數(shù)據(jù)采集處理模塊連接。

（2）微波含水率檢測模塊

微波傳感器包括傳輸線、密封圈和絕緣介質(zhì)，其中傳輸線設(shè)置于密封圈內(nèi)，密封圈設(shè)置于絕緣介質(zhì)內(nèi)，絕緣介質(zhì)設(shè)置于管體內(nèi)。微波含水率模塊包括若干微波傳感器，每個微波傳感器空間位置方向和角度不同?？偮肺⒉ê誓K利用微波相位的平均值來測定水在三相中的相含率。

該模塊通過檢測微波在流體中的功率衰減和相位角的偏移，結(jié)合含水率計算模型求解出液體中的含水率。不同于傳統(tǒng)的射頻導(dǎo)納技術(shù)的傳感器，此方法測量更為精準(zhǔn)，且受含礦化度影響更小。

（3）電磁測量成像及顯示模塊

該模塊以電學(xué)層析成像技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對混相流體施加電激勵，檢測邊界值變化，利用數(shù)學(xué)手段逆推混相流體內(nèi)部的電特性參數(shù)分布，從而得到分布情況。顯示模塊與數(shù)據(jù)采集處理模塊連接，用于顯示輸出數(shù)據(jù)采集處理模塊的流量計算結(jié)果。

（4）數(shù)據(jù)處理分析和通訊模塊

數(shù)據(jù)處理模塊用來接收差壓式流量計輸出的均相流的壓差信號，并將均相流的壓差信號與體積流量代入多相流經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愕玫骄嗔鞯钠骄芏龋瑫r能夠根據(jù)差壓式流量計采集到的壓力、溫度信號和油氣水三相流中氣相的組分，計算出工況氣相密度。

此外，數(shù)據(jù)處理模塊通過聯(lián)立均相流的平均密度、平均介電常數(shù)和相含率之間的相互關(guān)系的線性方程組，求解得到油、氣、水三相流量，并通過通訊系統(tǒng)上傳至系統(tǒng)，供油田各相關(guān)部門查詢和使用。

2.3 設(shè)備功能

該實時在線三相流量計通過軟硬件配合可準(zhǔn)確獲取井口及管道內(nèi)油氣水三相流量，替代了傳統(tǒng)三相分離器的測試方法，減少了工程投入和人工成本。

此外，該設(shè)備將油氣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與三相流量計產(chǎn)品深度融合，并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件提供多種測量參數(shù)的可視化界面，具有流型流態(tài)展示、流體成分、流量、壓力等參數(shù)動態(tài)展示以及系統(tǒng)累計計量展示等多種功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

新型在線三相流量計產(chǎn)品下線后，在國內(nèi)某油田開展了現(xiàn)場試驗，試驗主要有以下四個目的：

（1）驗證實時在線三相流量計在油田環(huán)境下的工作性能；

（2）獲取實時在線三相流量計的工況適用范圍與計量精度數(shù)據(jù)；

（3）驗證實時在線三相流量計在極端環(huán)境條件下的穩(wěn)定性；

（4）針對產(chǎn)品使用效果，對設(shè)備進行更新迭代，以滿足在各油田進行技術(shù)推廣的需求。

在所屬X油田先后部署15臺設(shè)備，覆蓋區(qū)塊計量、單井計量，涉及抽油機井、電潛泵井等多種井型，液量范圍15-200噸/天、氣量范圍2000-10000標(biāo)方/天、含水率范圍0-100%，基本覆蓋了油田所有計量場景和井型井況。

該新型三相流量計通過靈活搭配的方式，與油田現(xiàn)有的計量標(biāo)定車、翻斗計量、質(zhì)量流量計、旋進漩渦流量計等設(shè)備，開展井/站內(nèi)氣液兩相精度對比驗證工作。

其中進行液相驗證的12臺設(shè)備，5臺相對誤差低于3%，7臺相對誤差低于5%。期間在X-121做了為期一個月的連續(xù)監(jiān)測比對，對比數(shù)據(jù)見圖2，三相流量計與質(zhì)量流量計測量日產(chǎn)液趨勢總體一致，其設(shè)備性能和穩(wěn)定性得到驗證。

圖2 X-121站油井日產(chǎn)液跟蹤比對

利用10臺設(shè)備進行氣相驗證，結(jié)果顯示設(shè)備相對誤差均低于5%。隨后，利用其中8臺設(shè)備進行含水率驗證，結(jié)果顯示6臺設(shè)備絕對誤差小于3%，2臺設(shè)備絕對誤差小于5%，設(shè)備表現(xiàn)出了良好的性能。

以上測試結(jié)果顯示，該新型三相流量計在液量、氣量和含水率三個計量指標(biāo)的精度上均能夠滿足油田生產(chǎn)需求，同時穩(wěn)定性較高，能夠滿足油田的實際生產(chǎn)需要。

4 結(jié)論

（1）新型在線三相流量計，通過差壓式流量計模塊和總路微波含水率模塊采集得到文丘里差壓信號和微波幅值、相位信號，并通過數(shù)據(jù)采集處理模塊計算得到氣、液兩相流量。該新型流量計通過加裝集液器模塊和液路微波含水率模塊計算得到含水率，并通過結(jié)合總路微波含水率模塊測量得到的體積含水率，進而聯(lián)立求解得到油氣水三相流量，是一種非分離、非放射的三相流檢測系統(tǒng)。相比現(xiàn)有的三相分離式檢測技術(shù)，該新型流量計實現(xiàn)了實時在線檢測，具有結(jié)果準(zhǔn)確、效率高的優(yōu)點；相比現(xiàn)有的文丘里+伽馬密度計的三相流量計組合形式，該新型流量計具有無放射性、對環(huán)境和人體健康友好的特點。

（2）新型在線三相流量計設(shè)計新穎、性能可靠，能夠秒級實時在線獲取油、氣、水流量數(shù)據(jù)，可幫助油田用戶更有效地判斷油氣井產(chǎn)量趨勢和變化，為油田生產(chǎn)管理提供了可靠依據(jù)。

（3）新型在線三相流量計產(chǎn)品，支持多種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議（Modbus TCP、ModbusRTU、A11 GRM等），并具備多種接口（以太網(wǎng)、RS485、無線Zigbee），可以和油田物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化建設(shè)深度融合。

（4）現(xiàn)場精度驗證結(jié)果顯示，新型在線三相流量計在液量、氣量和含水率等參數(shù)計量的精度上完全能夠滿足油田生產(chǎn)需求，具備較高的穩(wěn)定性和復(fù)雜工況下的工作能力，可滿足油田各工況流量測量需要，并具備在國內(nèi)外油田擴大應(yīng)用的條件。

作者簡介：

高  亮（1991-），男，中級工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)方面的研究。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2023年3月刊