文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）10-080-04中圖分類(lèi)號：TP216

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

關(guān)鍵詞：三相流量計；在線(xiàn)檢測；迭代創(chuàng )新；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)量數據是掌握油井開(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。在油田生產(chǎn)過(guò)程中，通常做法是在井口處利用車(chē)載三相分離器，將油氣水進(jìn)行分離并計量；另外，就是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。這些工藝工作量較大、費用高，且無(wú)法實(shí)現連續計量。因此，油田開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)急需可靠的在線(xiàn)三相計量裝置來(lái)降低投資，提升測量效率。

通過(guò)在油田部署三相流量計，可實(shí)現單井、區塊的油、氣、水產(chǎn)量數據的在線(xiàn)自動(dòng)采集，并可優(yōu)化油氣田企業(yè)地面工藝流程，降低建設和運行成本，提高生產(chǎn)管理和地質(zhì)油藏分析的準確度和及時(shí)性，為企業(yè)數字化轉型提供了支撐。

然而，利用三相流量計對多相流流動(dòng)進(jìn)行測試的過(guò)程非常復雜。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)，對于橫管，包含有層流、泡狀流、段塞流、霧狀流等，影響因素高，測量難度大，測量精度與傳統三相分離器測量結果相比，通常存在較大的誤差，也成為限制三相流量計大面積應用的技術(shù)瓶頸[1-2]。行業(yè)內通常是通過(guò)將三相流量計不斷進(jìn)行現場(chǎng)試驗，利用迭代創(chuàng )新的方法，通過(guò)持續改進(jìn)提高測量結果，從而讓三相流量計能夠更準確地獲取油氣水流量，滿(mǎn)足油田生產(chǎn)管理及油藏動(dòng)態(tài)分析要求。

1　在線(xiàn)三相流量計研發(fā)歷程與存在問(wèn)題

1.1　試驗平臺及一代機研發(fā)過(guò)程

本文研究的在線(xiàn)三相流量計依托國內頂尖多相流實(shí)驗室，從油田現場(chǎng)實(shí)際需要出發(fā)，以打破國外技術(shù)壟斷、實(shí)現三相流量計完全自主研發(fā)、最終完成國內油田同類(lèi)產(chǎn)品全部國產(chǎn)替代為科研目標。

圖1 在線(xiàn)三相流量計外型結構圖

2017年底，第一代在線(xiàn)三相流量計產(chǎn)品樣機研發(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量解決方案，在軟件和硬件技術(shù)實(shí)現完全自主研發(fā)及國產(chǎn)化，具備測量過(guò)程中綠色無(wú)輻射、安全可靠、高精確度、模塊化設計維護成本低等多項優(yōu)勢（如圖2所示），填補了國內低成本、不分離三相流在線(xiàn)計量的技術(shù)空白。2018年，該產(chǎn)品完成在石油工業(yè)計量測試研究所的測試工作。

圖2 三相流量計技術(shù)特點(diǎn)

第一代樣機通過(guò)測試評估后，三相流量計產(chǎn)品進(jìn)入現場(chǎng)試驗環(huán)節，并按照先試點(diǎn)、再規模推廣的方式開(kāi)展后續工作。項目組迅速成立多個(gè)現場(chǎng)試驗小組，挑選國內五家具有代表性的油田同時(shí)開(kāi)展現場(chǎng)試驗，在單井井口、計量間倒井計量、區塊計量等場(chǎng)景部署三相流量計設備百臺套，對油、氣、水產(chǎn)量開(kāi)展不分離、在線(xiàn)自動(dòng)采集作業(yè)（見(jiàn)圖3）。

圖3 油田井場(chǎng)三相流量計測試流程圖

1.2　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)層析成像模塊和數據處理及通訊模塊[3-5]。

（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，它們均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)，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，總路微波含水率模塊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。此方法不同于傳統的射頻導納技術(shù)的傳感器，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

電磁測量成像以電學(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，并利用數學(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。

1.3　設備功能

該實(shí)時(shí)在線(xiàn)三相流量計通過(guò)軟硬件配合能夠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，該三相流量計與油氣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，可通過(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。

1.4　設備局限性分析

第一個(gè)試驗階段評價(jià)顯示一代三相流量計在液量、氣量和含水率三相計量精度方面能夠滿(mǎn)足油田生產(chǎn)需求，在多個(gè)工況下具有較好的穩定性，但同時(shí)也暴露出如硬件設計與現場(chǎng)工況不匹配、軟件平臺數據查詢(xún)功能不友好、標定樣本數量不足影響測量精度等一系列問(wèn)題。

2　性能提升及產(chǎn)品升級

通過(guò)總結一代機的技術(shù)問(wèn)題，科研人員借助迭代創(chuàng )新的思路，在不同的試驗場(chǎng)地開(kāi)展相關(guān)對策研究，對產(chǎn)品的硬件設計、軟件功能、核心模型上進(jìn)行了持續改進(jìn)、攻關(guān)升級，形成二代產(chǎn)品，使其在環(huán)境適用性、工作穩定性和性能指標上都得到了較大提升，如表1所示。

表1 三相流量計迭代創(chuàng )新升級內容

二代樣機出廠(chǎng)后，迅速進(jìn)入多個(gè)油田礦區開(kāi)展現場(chǎng)試驗評價(jià)。其針對單井計量，覆蓋自噴井、抽油機井、電泵井等多種開(kāi)采方式，測試井況從西北某油田的15~50噸/天、氣產(chǎn)量0~15000標方/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，驗證了三相流量計在多個(gè)產(chǎn)液范圍內的適用性。該產(chǎn)品支持提供秒級在線(xiàn)流量數據，可幫助用戶(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　結論

（1）迭代創(chuàng )新不僅是實(shí)現產(chǎn)品更高價(jià)值的主要動(dòng)力因素，更是一個(gè)高科技企業(yè)項目管理能力和技術(shù)創(chuàng )新變革的智慧源泉。

（2）三相流量計通過(guò)不斷的現場(chǎng)試驗測試，發(fā)現問(wèn)題，尋找解決思路，不斷提升產(chǎn)品可靠性和測量精度，逐步完成三相流量計從一代向二代的升級，實(shí)現了國內典型油田0-100噸/天流量檢測，從高含氣低含水到低含氣高含水的工況全覆蓋，測試精度從15%誤差率逐步提升為10%誤差率以?xún)取?/p>

（3）目前第二代三相流量計已經(jīng)完成中試階段工作，正在準備進(jìn)入第二階段大面積推廣應用。三代概念機的研發(fā)正在開(kāi)展，該項研究主要聚焦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與三相流量計的深度融合，通過(guò)AI技術(shù)的全面升級，進(jìn)一步提升設備的適用性和檢測精度，實(shí)現真正意義上的在線(xiàn)監測與無(wú)人值守，打造出較國外產(chǎn)品更加適合國內油田井況的國產(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)相關(guān)科研及產(chǎn)品推廣工作。

參考文獻：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年10月刊