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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）03-080-03中圖分類號(hào)：TP216

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

★ 李強(qiáng)（長(zhǎng)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(cè)量是計(jì)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(guó)內(nèi)外三相流量計(jì)發(fā)展情況可以看出，目前市場(chǎng)上流量計(jì)以國(guó)外產(chǎn)品主導(dǎo)，由于多相流量檢測(cè)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(jì)被研制出來，該產(chǎn)品能夠在線實(shí)時(shí)檢測(cè)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(guó)內(nèi)某油田開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(cè)量需要，已具備在國(guó)內(nèi)外油田擴(kuò)大應(yīng)用的條件。

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

在油田的開發(fā)過程中，對(duì)油井進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，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(dòng)態(tài)的關(guān)鍵。其中，三相流量的準(zhǔn)確測(cè)量又是重中之重，準(zhǔn)確獲取油井的油、氣、水量，可以計(jì)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(chǔ)運(yùn)管道內(nèi)，油氣水都為混相流動(dòng)，流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜，流量測(cè)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(jìn)行分離并分別計(jì)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(duì)混相進(jìn)行分離，獲取含水等信息。然而，這些工藝工作量較大，費(fèi)用較高，且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)計(jì)量。因此，可靠的在線三相計(jì)量裝置的研制和應(yīng)用對(duì)油田開發(fā)和生產(chǎn)非常必要[1-2]。

1 三相流量計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外的在線三相流量計(jì)研究起步較早，美國(guó)、英國(guó)、挪威和加拿大在多相流流動(dòng)參數(shù)測(cè)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(jì)產(chǎn)品，比如，挪威FRAMO公司設(shè)計(jì)制造，由在線靜態(tài)混合器、多源伽馬組分計(jì)、文丘里管三部分組成的MPFM型三相流量計(jì)；美國(guó)海默公司設(shè)計(jì)研制的MFM2000-NG三相流量計(jì)，利用文丘里管測(cè)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(guó)JISKOOT公司設(shè)計(jì)的Mixmeter三相流量計(jì)，設(shè)計(jì)精巧，用差壓變送器測(cè)定流量,并用雙能級(jí)伽馬源相分率計(jì)標(biāo)定含水率、氣油比等參數(shù)。

國(guó)內(nèi)三相流量計(jì)研發(fā)起步較晚，且受制于國(guó)外流量檢測(cè)技術(shù)壟斷，以及受國(guó)內(nèi)混相流動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的瓶頸限制，尚沒有較為知名的民族品牌，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)份額仍然被國(guó)外品牌所占據(jù)。此外，目前市場(chǎng)上主流三相流量計(jì)產(chǎn)品多采用文丘里管和伽馬密度計(jì)的組合形式。其中，伽馬密度計(jì)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(duì)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(jì)的研發(fā)

2.1 研發(fā)背景

自2016年以來，由于低油價(jià)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(jì)替代傳統(tǒng)三相分離器測(cè)量油井產(chǎn)量，是降本增效的有力手段，并可實(shí)時(shí)測(cè)量并獲取數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)開發(fā)部門及時(shí)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(guó)外技術(shù)壟斷，把能源飯碗牢牢端在自己手中，我國(guó)自主研發(fā)出可靠的在線三相流量計(jì)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(jì)被設(shè)計(jì)和研制出來，如圖1所示，該流量計(jì)集智能化、小型化、非輻射、低成本等優(yōu)點(diǎn)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(bǔ)了國(guó)內(nèi)低成本、不分離三相流在線計(jì)量檢測(cè)的技術(shù)空白。

圖1 在線三相流量計(jì)實(shí)物圖

2.2 技術(shù)原理

新型在線三相流量計(jì)，主要由四個(gè)模塊組成：文丘里測(cè)量模塊、微波檢測(cè)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(cè)量模塊

該模塊利用雙差壓文丘里流量計(jì)測(cè)量氣、液兩相總流量。差壓式流量計(jì)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(cè)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(gè)微波傳感器空間位置方向和角度不同。總路微波含水率模塊利用微波相位的平均值來測(cè)定水在三相中的相含率。

該模塊通過檢測(cè)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(jì)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(cè)量更為精準(zhǔn)，且受含礦化度影響更小。

（3）電磁測(cè)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(duì)混相流體施加電激勵(lì)，檢測(cè)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(jì)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(jì)輸出的均相流的壓差信號(hào)，并將均相流的壓差信號(hào)與體積流量代入多相流經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算得到均相流的平均密度，同時(shí)能夠根據(jù)差壓式流量計(jì)采集到的壓力、溫度信號(hào)和油氣水三相流中氣相的組分，計(jì)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(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)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(cè)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(jì)產(chǎn)品深度融合，并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)軟件提供多種測(cè)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(dòng)態(tài)展示以及系統(tǒng)累計(jì)計(jì)量展示等多種功能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型在線三相流量計(jì)產(chǎn)品下線后，在國(guó)內(nèi)某油田開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)主要有以下四個(gè)目的：

（1）驗(yàn)證實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)在油田環(huán)境下的工作性能；

（2）獲取實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)的工況適用范圍與計(jì)量精度數(shù)據(jù)；

（3）驗(yàn)證實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)在極端環(huán)境條件下的穩(wěn)定性；

（4）針對(duì)產(chǎn)品使用效果，對(duì)設(shè)備進(jìn)行更新迭代，以滿足在各油田進(jìn)行技術(shù)推廣的需求。

在所屬X油田先后部署15臺(tái)設(shè)備，覆蓋區(qū)塊計(jì)量、單井計(jì)量，涉及抽油機(jī)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(jì)量場(chǎng)景和井型井況。

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

其中進(jìn)行液相驗(yàn)證的12臺(tái)設(shè)備，5臺(tái)相對(duì)誤差低于3%，7臺(tái)相對(duì)誤差低于5%。期間在X-121做了為期一個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)比對(duì)，對(duì)比數(shù)據(jù)見圖2，三相流量計(jì)與質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量日產(chǎn)液趨勢(shì)總體一致，其設(shè)備性能和穩(wěn)定性得到驗(yàn)證。

圖2 X-121站油井日產(chǎn)液跟蹤比對(duì)

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

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

4 結(jié)論

（1）新型在線三相流量計(jì)，通過差壓式流量計(jì)模塊和總路微波含水率模塊采集得到文丘里差壓信號(hào)和微波幅值、相位信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集處理模塊計(jì)算得到氣、液兩相流量。該新型流量計(jì)通過加裝集液器模塊和液路微波含水率模塊計(jì)算得到含水率，并通過結(jié)合總路微波含水率模塊測(cè)量得到的體積含水率，進(jìn)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(cè)系統(tǒng)。相比現(xiàn)有的三相分離式檢測(cè)技術(shù)，該新型流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，具有結(jié)果準(zhǔn)確、效率高的優(yōu)點(diǎn)；相比現(xiàn)有的文丘里+伽馬密度計(jì)的三相流量計(jì)組合形式，該新型流量計(jì)具有無放射性、對(duì)環(huán)境和人體健康友好的特點(diǎn)。

（2）新型在線三相流量計(jì)設(shè)計(jì)新穎、性能可靠，能夠秒級(jí)實(shí)時(shí)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(shì)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(jì)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(chǎng)精度驗(yàn)證結(jié)果顯示，新型在線三相流量計(jì)在液量、氣量和含水率等參數(shù)計(jì)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(cè)量需要，并具備在國(guó)內(nèi)外油田擴(kuò)大應(yīng)用的條件。

作者簡(jiǎn)介：

高  亮（1991-），男，中級(jí)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。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年3月刊