文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-080-03中圖分類(lèi)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(cháng)慶油田第二采氣廠(chǎng)，陜西榆林719000）

摘要：油田開(kāi)發(fā)中，油氣水三相流量的準確測量是計算含水率、氣油比等關(guān)鍵參數的基礎，也是制定油井增產(chǎn)措施及編制開(kāi)發(fā)調整方案的重要依據。通過(guò)調研國內外三相流量計發(fā)展情況可以看出，目前市場(chǎng)上流量計以國外產(chǎn)品主導，由于多相流量檢測技術(shù)瓶頸限制，尚沒(méi)有較為知名的產(chǎn)品。在此背景下，新型在線(xiàn)三相流量計被研制出來(lái)，該產(chǎn)品能夠在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測氣液流量，并通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，通過(guò)數據采集和通訊傳遞，將數據以可視化的方式展示給用戶(hù)。該產(chǎn)品下線(xiàn)后在國內某油田開(kāi)展了現場(chǎng)試驗，應用效果顯示該產(chǎn)品具備較高的穩定性和復雜工況下的工作能力，能夠滿(mǎn)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(guān)鍵詞：三相流量計；在線(xiàn)檢測；物聯(lián)網(wǎng)；含水率；誤差率

在油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對油井進(jìn)行持續監測，獲取壓力、溫度及產(chǎn)量，是掌握油井開(kāi)發(fā)狀況、分析油藏開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)的關(guān)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(chǎn)措施、編制開(kāi)發(fā)調整方案的重要依據。

無(wú)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(dòng)，流動(dòng)形態(tài)復雜，流量測量難度較大。油田生產(chǎn)過(guò)程中，常規做法是在井口處利用車(chē)載三相分離器，將油氣水進(jìn)行分離并分別計量，也就是業(yè)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(jìn)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(wú)法實(shí)現連續計量。因此，可靠的在線(xiàn)三相計量裝置的研制和應用對油田開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)非常必要[1-2]。

1 三相流量計的發(fā)展現狀

國外的在線(xiàn)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(dòng)參數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公司設計制造，由在線(xiàn)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(fā)起步較晚，且受制于國外流量檢測技術(shù)壟斷，以及受?chē)鴥然煜嗔鲃?dòng)檢測技術(shù)的瓶頸限制，尚沒(méi)有較為知名的民族品牌，國內外市場(chǎng)份額仍然被國外品牌所占據。此外，目前市場(chǎng)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(xiàn)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(xiàn)三相流量計的研發(fā)

2.1 研發(fā)背景

自2016年以來(lái)，由于低油價(jià)的情況，降本增效成了油田可持續開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。利用在線(xiàn)三相流量計替代傳統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(shí)時(shí)測量并獲取數據，對地質(zhì)開(kāi)發(fā)部門(mén)及時(shí)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(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(xiàn)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(lái)，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(diǎn)于一身。我們通過(guò)自主研發(fā)，突破了軟、硬件技術(shù)瓶頸，填補了國內低成本、不分離三相流在線(xiàn)計量檢測的技術(shù)空白。

圖1 在線(xiàn)三相流量計實(shí)物圖

2.2 技術(shù)原理

新型在線(xiàn)三相流量計，主要由四個(gè)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(xiàn)、密封圈和絕緣介質(zhì)，其中傳輸線(xiàn)設置于密封圈內，密封圈設置于絕緣介質(zhì)內，絕緣介質(zhì)設置于管體內。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?？偮肺⒉ê誓K利用微波相位的平均值來(lái)測定水在三相中的相含率。

該模塊通過(guò)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(shù)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(xué)層析成像技術(shù)為基礎，通過(guò)對混相流體施加電激勵，檢測邊界值變化，利用數學(xué)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(lái)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)驗模型計算得到均相流的平均密度，同時(shí)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(guò)聯(lián)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(guān)系的線(xiàn)性方程組，求解得到油、氣、水三相流量，并通過(guò)通訊系統上傳至系統，供油田各相關(guān)部門(mén)查詢(xún)和使用。

2.3 設備功能

該實(shí)時(shí)在線(xiàn)三相流量計通過(guò)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(lián)網(wǎng)技術(shù)與三相流量計產(chǎn)品深度融合，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件提供多種測量參數的可視化界面，具有流型流態(tài)展示、流體成分、流量、壓力等參數動(dòng)態(tài)展示以及系統累計計量展示等多種功能。

3 現場(chǎng)應用

新型在線(xiàn)三相流量計產(chǎn)品下線(xiàn)后，在國內某油田開(kāi)展了現場(chǎng)試驗，試驗主要有以下四個(gè)目的：

（1）驗證實(shí)時(shí)在線(xiàn)三相流量計在油田環(huán)境下的工作性能；

（2）獲取實(shí)時(shí)在線(xiàn)三相流量計的工況適用范圍與計量精度數據；

（3）驗證實(shí)時(shí)在線(xiàn)三相流量計在極端環(huán)境條件下的穩定性；

（4）針對產(chǎn)品使用效果，對設備進(jìn)行更新迭代，以滿(mǎn)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(chǎng)景和井型井況。

該新型三相流量計通過(guò)靈活搭配的方式，與油田現有的計量標定車(chē)、翻斗計量、質(zhì)量流量計、旋進(jìn)漩渦流量計等設備，開(kāi)展井/站內氣液兩相精度對比驗證工作。

其中進(jìn)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(gè)月的連續監測比對，對比數據見(jiàn)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，其設備性能和穩定性得到驗證。

圖2 X-121站油井日產(chǎn)液跟蹤比對

利用10臺設備進(jìn)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(jìn)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(gè)計量指標的精度上均能夠滿(mǎn)足油田生產(chǎn)需求，同時(shí)穩定性較高，能夠滿(mǎn)足油田的實(shí)際生產(chǎn)需要。

4 結論

（1）新型在線(xiàn)三相流量計，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)結合總路微波含水率模塊測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系統。相比現有的三相分離式檢測技術(shù)，該新型流量計實(shí)現了實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測，具有結果準確、效率高的優(yōu)點(diǎn)；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(wú)放射性、對環(huán)境和人體健康友好的特點(diǎn)。

（2）新型在線(xiàn)三相流量計設計新穎、性能可靠，能夠秒級實(shí)時(shí)在線(xiàn)獲取油、氣、水流量數據，可幫助油田用戶(hù)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。

（3）新型在線(xiàn)三相流量計產(chǎn)品，支持多種標準通訊協(xié)議（Modbus TCP、ModbusRTU、A11 GRM等），并具備多種接口（以太網(wǎng)、RS485、無(wú)線(xiàn)Zigbee），可以和油田物聯(lián)網(wǎng)、數字化建設深度融合。

（4）現場(chǎng)精度驗證結果顯示，新型在線(xiàn)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(mǎn)足油田生產(chǎn)需求，具備較高的穩定性和復雜工況下的工作能力，可滿(mǎn)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(jiǎn)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(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