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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）10-080-04中圖分類號(hào)：TP216

★張雅楠，劉淼，陳冰，韓宏志，宋子平（昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京102206）

關(guān)鍵詞：三相流量計(jì)；在線檢測(cè)；迭代創(chuàng)新；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)量數(shù)據(jù)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。在油田生產(chǎn)過程中，通常做法是在井口處利用車載三相分離器，將油氣水進(jìn)行分離并計(jì)量；另外，就是利用油氣處理站內(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。這些工藝工作量較大、費(fèi)用高，且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)計(jì)量。因此，油田開發(fā)和生產(chǎn)急需可靠的在線三相計(jì)量裝置來降低投資，提升測(cè)量效率。

通過在油田部署三相流量計(jì)，可實(shí)現(xiàn)單井、區(qū)塊的油、氣、水產(chǎn)量數(shù)據(jù)的在線自動(dòng)采集，并可優(yōu)化油氣田企業(yè)地面工藝流程，降低建設(shè)和運(yùn)行成本，提高生產(chǎn)管理和地質(zhì)油藏分析的準(zhǔn)確度和及時(shí)性，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了支撐。

然而，利用三相流量計(jì)對(duì)多相流流動(dòng)進(jìn)行測(cè)試的過程非常復(fù)雜。油、氣、水在不同的流量（液相、氣相流速）、氣-液比例下所形成的流型流態(tài)，對(duì)于橫管，包含有層流、泡狀流、段塞流、霧狀流等，影響因素高，測(cè)量難度大，測(cè)量精度與傳統(tǒng)三相分離器測(cè)量結(jié)果相比，通常存在較大的誤差，也成為限制三相流量計(jì)大面積應(yīng)用的技術(shù)瓶頸[1-2]。行業(yè)內(nèi)通常是通過將三相流量計(jì)不斷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用迭代創(chuàng)新的方法，通過持續(xù)改進(jìn)提高測(cè)量結(jié)果，從而讓三相流量計(jì)能夠更準(zhǔn)確地獲取油氣水流量，滿足油田生產(chǎn)管理及油藏動(dòng)態(tài)分析要求。

1　在線三相流量計(jì)研發(fā)歷程與存在問題

1.1　試驗(yàn)平臺(tái)及一代機(jī)研發(fā)過程

本文研究的在線三相流量計(jì)依托國(guó)內(nèi)頂尖多相流實(shí)驗(yàn)室，從油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要出發(fā)，以打破國(guó)外技術(shù)壟斷、實(shí)現(xiàn)三相流量計(jì)完全自主研發(fā)、最終完成國(guó)內(nèi)油田同類產(chǎn)品全部國(guó)產(chǎn)替代為科研目標(biāo)。

圖1 在線三相流量計(jì)外型結(jié)構(gòu)圖

2017年底，第一代在線三相流量計(jì)產(chǎn)品樣機(jī)研發(fā)成功（如圖1所示）。該產(chǎn)品基于多傳感器的緊湊型集成測(cè)量解決方案，在軟件和硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全自主研發(fā)及國(guó)產(chǎn)化，具備測(cè)量過程中綠色無輻射、安全可靠、高精確度、模塊化設(shè)計(jì)維護(hù)成本低等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)（如圖2所示），填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)低成本、不分離三相流在線計(jì)量的技術(shù)空白。2018年，該產(chǎn)品完成在石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所的測(cè)試工作。

圖2 三相流量計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

第一代樣機(jī)通過測(cè)試評(píng)估后，三相流量計(jì)產(chǎn)品進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，并按照先試點(diǎn)、再規(guī)模推廣的方式開展后續(xù)工作。項(xiàng)目組迅速成立多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)小組，挑選國(guó)內(nèi)五家具有代表性的油田同時(shí)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在單井井口、計(jì)量間倒井計(jì)量、區(qū)塊計(jì)量等場(chǎng)景部署三相流量計(jì)設(shè)備百臺(tái)套，對(duì)油、氣、水產(chǎn)量開展不分離、在線自動(dòng)采集作業(yè)（見圖3）。

圖3 油田井場(chǎng)三相流量計(jì)測(cè)試流程圖

1.2　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)層析成像模塊和數(shù)據(jù)處理及通訊模塊[3-5]。

（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，它們均與數(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)，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。此方法不同于傳統(tǒng)的射頻導(dǎo)納技術(shù)的傳感器，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

電磁測(cè)量成像以電學(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，并利用數(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。

1.3　設(shè)備功能

該實(shí)時(shí)在線三相流量計(jì)通過軟硬件配合能夠準(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，該三相流量計(jì)與油氣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，可通過物聯(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。

1.4　設(shè)備局限性分析

第一個(gè)試驗(yàn)階段評(píng)價(jià)顯示一代三相流量計(jì)在液量、氣量和含水率三相計(jì)量精度方面能夠滿足油田生產(chǎn)需求，在多個(gè)工況下具有較好的穩(wěn)定性，但同時(shí)也暴露出如硬件設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)工況不匹配、軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)查詢功能不友好、標(biāo)定樣本數(shù)量不足影響測(cè)量精度等一系列問題。

2　性能提升及產(chǎn)品升級(jí)

通過總結(jié)一代機(jī)的技術(shù)問題，科研人員借助迭代創(chuàng)新的思路，在不同的試驗(yàn)場(chǎng)地開展相關(guān)對(duì)策研究，對(duì)產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)、軟件功能、核心模型上進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)、攻關(guān)升級(jí)，形成二代產(chǎn)品，使其在環(huán)境適用性、工作穩(wěn)定性和性能指標(biāo)上都得到了較大提升，如表1所示。

表1 三相流量計(jì)迭代創(chuàng)新升級(jí)內(nèi)容

二代樣機(jī)出廠后，迅速進(jìn)入多個(gè)油田礦區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)。其針對(duì)單井計(jì)量，覆蓋自噴井、抽油機(jī)井、電泵井等多種開采方式，測(cè)試井況從西北某油田的15~50噸/天、氣產(chǎn)量0~15000標(biāo)方/天、含水率50%~99%的高含氣、高含水工況，到東北某油田的10~15噸/天的低產(chǎn)氣、高含水井況，驗(yàn)證了三相流量計(jì)在多個(gè)產(chǎn)液范圍內(nèi)的適用性。該產(chǎn)品支持提供秒級(jí)在線流量數(shù)據(jù)，可幫助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　結(jié)論

（1）迭代創(chuàng)新不僅是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更高價(jià)值的主要?jiǎng)恿σ蛩兀且粋€(gè)高科技企業(yè)項(xiàng)目管理能力和技術(shù)創(chuàng)新變革的智慧源泉。

（2）三相流量計(jì)通過不斷的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問題，尋找解決思路，不斷提升產(chǎn)品可靠性和測(cè)量精度，逐步完成三相流量計(jì)從一代向二代的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)典型油田0-100噸/天流量檢測(cè)，從高含氣低含水到低含氣高含水的工況全覆蓋，測(cè)試精度從15%誤差率逐步提升為10%誤差率以內(nèi)。

（3）目前第二代三相流量計(jì)已經(jīng)完成中試階段工作，正在準(zhǔn)備進(jìn)入第二階段大面積推廣應(yīng)用。三代概念機(jī)的研發(fā)正在開展，該項(xiàng)研究主要聚焦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與三相流量計(jì)的深度融合，通過AI技術(shù)的全面升級(jí)，進(jìn)一步提升設(shè)備的適用性和檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)真正意義上的在線監(jiān)測(cè)與無人值守，打造出較國(guó)外產(chǎn)品更加適合國(guó)內(nèi)油田井況的國(guó)產(chǎn)民族品牌。

作者簡(jiǎn)介：

張雅楠（1986-），男，河北張家口人，工程師，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)相關(guān)科研及產(chǎn)品推廣工作。

參考文獻(xiàn)：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月刊