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文獻標識碼：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（昆侖數智科技有限責任公司，北京102206）

★ 李強（長慶油田第二采氣廠，陜西榆林719000）

摘要：油田開發中，油氣水三相流量的準確測量是計算含水率、氣油比等關鍵參數的基礎，也是制定油井增產措施及編制開發調整方案的重要依據。通過調研國內外三相流量計發展情況可以看出，目前市場上流量計以國外產品主導，由于多相流量檢測技術瓶頸限制，尚沒有較為知名的產品。在此背景下，新型在線三相流量計被研制出來，該產品能夠在線實時檢測氣液流量，并通過與物聯網技術的深度融合，通過數據采集和通訊傳遞，將數據以可視化的方式展示給用戶。該產品下線后在國內某油田開展了現場試驗，應用效果顯示該產品具備較高的穩定性和復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，已具備在國內外油田擴大應用的條件。

關鍵詞：三相流量計；在線檢測；物聯網；含水率；誤差率

在油田的開發過程中，對油井進行持續監測，獲取壓力、溫度及產量，是掌握油井開發狀況、分析油藏開發動態的關鍵。其中，三相流量的準確測量又是重中之重，準確獲取油井的油、氣、水量，可以計算出油井含水率、氣油比，這些參數是制定油井增產措施、編制開發調整方案的重要依據。

無論是油井井筒內還是油氣儲運管道內，油氣水都為混相流動，流動形態復雜，流量測量難度較大。油田生產過程中，常規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，也就是業內常用的試油方式。另外，利用油氣處理站內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，且無法實現連續計量。因此，可靠的在線三相計量裝置的研制和應用對油田開發和生產非常必要[1-2]。

1 三相流量計的發展現狀

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測量方面做了大量的研究[3-4]，并擁有一系列較為經典的三相流量計產品，比如，挪威FRAMO公司設計制造，由在線靜態混合器、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確定油、氣、水組份；英國JISKOOT公司設計的Mixmeter三相流量計，設計精巧，用差壓變送器測定流量,并用雙能級伽馬源相分率計標定含水率、氣油比等參數。

國內三相流量計研發起步較晚，且受制于國外流量檢測技術壟斷，以及受國內混相流動檢測技術的瓶頸限制，尚沒有較為知名的民族品牌，國內外市場份額仍然被國外品牌所占據。此外，目前市場上主流三相流量計產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中的衰減速率不同估算混合流體的密度，該技術存在放射源對環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

2.1 研發背景

自2016年以來，由于低油價的情況，降本增效成了油田可持續開發的關鍵。利用在線三相流量計替代傳統三相分離器測量油井產量，是降本增效的有力手段，并可實時測量并獲取數據，對地質開發部門及時做出方案調整和決策也起到了較好的支持作用。此外，為了打破國外技術壟斷，把能源飯碗牢牢端在自己手中，我國自主研發出可靠的在線三相流量計就凸顯出更深層的戰略意義。

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

圖1 在線三相流量計實物圖

2.2 技術原理

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、電學層析成像模塊、數據處理及通訊模塊[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，文丘里管上設置有差壓傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器，它們可與數據采集處理模塊連接。

（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，其中傳輸線設置于密封圈內，密封圈設置于絕緣介質內，絕緣介質設置于管體內。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。總路微波含水率模塊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，結合含水率計算模型求解出液體中的含水率。不同于傳統的射頻導納技術的傳感器，此方法測量更為精準，且受含礦化度影響更小。

（3）電磁測量成像及顯示模塊

該模塊以電學層析成像技術為基礎，通過對混相流體施加電激勵，檢測邊界值變化，利用數學手段逆推混相流體內部的電特性參數分布，從而得到分布情況。顯示模塊與數據采集處理模塊連接，用于顯示輸出數據采集處理模塊的流量計算結果。

（4）數據處理分析和通訊模塊

數據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驗模型計算得到均相流的平均密度，同時能夠根據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，數據處理模塊通過聯立均相流的平均密度、平均介電常數和相含率之間的相互關系的線性方程組，求解得到油、氣、水三相流量，并通過通訊系統上傳至系統，供油田各相關部門查詢和使用。

2.3 設備功能

該實時在線三相流量計通過軟硬件配合可準確獲取井口及管道內油氣水三相流量，替代了傳統三相分離器的測試方法，減少了工程投入和人工成本。

此外，該設備將油氣物聯網技術與三相流量計產品深度融合，并通過物聯網平臺軟件提供多種測量參數的可視化界面，具有流型流態展示、流體成分、流量、壓力等參數動態展示以及系統累計計量展示等多種功能。

3 現場應用

新型在線三相流量計產品下線后，在國內某油田開展了現場試驗，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據；

（3）驗證實時在線三相流量計在極端環境條件下的穩定性；

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

在所屬X油田先后部署15臺設備，覆蓋區塊計量、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，與油田現有的計量標定車、翻斗計量、質量流量計、旋進漩渦流量計等設備，開展井/站內氣液兩相精度對比驗證工作。

其中進行液相驗證的12臺設備，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監測比對，對比數據見圖2，三相流量計與質量流量計測量日產液趨勢總體一致，其設備性能和穩定性得到驗證。

圖2 X-121站油井日產液跟蹤比對

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

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

4 結論

（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，并通過數據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，并通過結合總路微波含水率模塊測量得到的體積含水率，進而聯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。相比現有的三相分離式檢測技術，該新型流量計實現了實時在線檢測，具有結果準確、效率高的優點；相比現有的文丘里+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、對環境和人體健康友好的特點。

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

（3）新型在線三相流量計產品，支持多種標準通訊協議（Modbus TCP、ModbusRTU、A11 GRM等），并具備多種接口（以太網、RS485、無線Zigbee），可以和油田物聯網、數字化建設深度融合。

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

作者簡介：

高  亮（1991-），男，中級工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要從事油氣物聯網方面的研究。

參考文獻：

[1] 蔡珂盈, 黃琬曦, 郭碧清, 韓旭, 王宇, 張興凱. 油氣水三相流量計發展現狀[J]. 中國石油和化工標準與質量, 2018, 38 (24) : 92 - 93.

[2] 穆乃剛. 低產液油井三相計量的研究[D]. 大慶: 東北石油大學, 2013.

[3] 張瑞萍, 劉彤, 楊敏, 黨峰. 三相流量計的發展狀況分析[J]. 石油儀器, 2009, 23 (05) : 30 - 33 + 100.

[4] 言伯祥, 李宗乾. 一種新型的三相流量計[J]. 國外油田工程, 1992, (02) : 54.

[5] 史鵬濤, 李宏宏, 歐陽雪峰, 劉長遠. 三相流量計自動倒井計量的研究[J].自動化博覽, 2021, 38 (09) : 80 - 83.

[6] 陳冰, 閔利昆, 張雅楠, 劉星. 基于實時在線三相流量計的倒井一體化裝置[J]. 儀器儀表戶, 2020, 27 (12) : 5 - 7.

摘自《自動化博覽》2023年3月刊