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

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

關鍵詞：三相流量計；在線檢測；迭代創(chuàng)新；含水率；誤差率

在油田的開發(fā)過程中，對油井進行持續(xù)監(jiān)測，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)動態(tài)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(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)還是油氣儲運管道內(nèi)，油氣水都為混相流動，流動形態(tài)復雜，流量測量難度較大。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，將油氣水進行分離并計量；另外，就是利用油氣處理站內(nèi)的固定三相分離器對混相進行分離，獲取含水等信息。這些工藝工作量較大、費用高，且無法實現(xiàn)連續(xù)計量。因此，油田開發(fā)和生產(chǎn)急需可靠的在線三相計量裝置來降低投資，提升測量效率。

通過在油田部署三相流量計，可實現(xiàn)單井、區(qū)塊的油、氣、水產(chǎn)量數(shù)據(jù)的在線自動采集，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，利用三相流量計對多相流流動進行測試的過程非常復雜。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(tǒng)三相分離器測量結(jié)果相比，通常存在較大的誤差，也成為限制三相流量計大面積應用的技術(shù)瓶頸[1-2]。行業(yè)內(nèi)通常是通過將三相流量計不斷進行現(xiàn)場試驗，利用迭代創(chuàng)新的方法，通過持續(xù)改進提高測量結(jié)果，從而讓三相流量計能夠更準確地獲取油氣水流量，滿足油田生產(chǎn)管理及油藏動態(tài)分析要求。

1　在線三相流量計研發(fā)歷程與存在問題

1.1　試驗平臺及一代機研發(fā)過程

本文研究的在線三相流量計依托國內(nèi)頂尖多相流實驗室，從油田現(xiàn)場實際需要出發(fā)，以打破國外技術(shù)壟斷、實現(xiàn)三相流量計完全自主研發(fā)、最終完成國內(nèi)油田同類產(chǎn)品全部國產(chǎn)替代為科研目標。

圖1 在線三相流量計外型結(jié)構(gòu)圖

2017年底，第一代在線三相流量計產(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)實現(xiàn)完全自主研發(fā)及國產(chǎn)化，具備測量過程中綠色無輻射、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(nèi)低成本、不分離三相流在線計量的技術(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

第一代樣機通過測試評估后，三相流量計產(chǎn)品進入現(xiàn)場試驗環(huán)節(jié)，并按照先試點、再規(guī)模推廣的方式開展后續(xù)工作。項目組迅速成立多個現(xiàn)場試驗小組，挑選國內(nèi)五家具有代表性的油田同時開展現(xiàn)場試驗，在單井井口、計量間倒井計量、區(qū)塊計量等場景部署三相流量計設備百臺套，對油、氣、水產(chǎn)量開展不分離、在線自動采集作業(yè)（見圖3）。

圖3 油田井場三相流量計測試流程圖

1.2　技術(shù)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、電學層析成像模塊和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhì)，傳輸線設置于密封圈內(nèi)，密封圈設置于絕緣介質(zhì)內(nèi)，絕緣介質(zhì)設置于管體內(nèi)。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(jié)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(tǒng)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層析成像技術(shù)為基礎，通過對混相流體施加電激勵檢測邊界值變化，并利用數(shù)學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，同時能夠根據(jù)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(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)，供油田各相關部門查詢和使用。

1.3　設備功能

該實時在線三相流量計通過軟硬件配合能夠準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，可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件提供多種測量參數(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)動態(tài)展示以及系統(tǒng)累計計量展示等多種功能。

1.4　設備局限性分析

第一個試驗階段評價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足油田生產(chǎn)需求，在多個工況下具有較好的穩(wěn)定性，但同時也暴露出如硬件設計與現(xiàn)場工況不匹配、軟件平臺數(shù)據(jù)查詢功能不友好、標定樣本數(shù)量不足影響測量精度等一系列問題。

2　性能提升及產(chǎn)品升級

通過總結(jié)一代機的技術(shù)問題，科研人員借助迭代創(chuàng)新的思路，在不同的試驗場地開展相關對策研究，對產(chǎn)品的硬件設計、軟件功能、核心模型上進行了持續(xù)改進、攻關升級，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(nèi)容

二代樣機出廠后，迅速進入多個油田礦區(qū)開展現(xiàn)場試驗評價。其針對單井計量，覆蓋自噴井、抽油機井、電泵井等多種開采方式，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產(chǎn)液范圍內(nèi)的適用性。該產(chǎn)品支持提供秒級在線流量數(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)新不僅是實現(xiàn)產(chǎn)品更高價值的主要動力因素，更是一個高科技企業(yè)項目管理能力和技術(shù)創(chuàng)新變革的智慧源泉。

（2）三相流量計通過不斷的現(xiàn)場試驗測試，發(fā)現(xiàn)問題，尋找解決思路，不斷提升產(chǎn)品可靠性和測量精度，逐步完成三相流量計從一代向二代的升級，實現(xiàn)了國內(nèi)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%誤差率以內(nèi)。

（3）目前第二代三相流量計已經(jīng)完成中試階段工作，正在準備進入第二階段大面積推廣應用。三代概念機的研發(fā)正在開展，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AI技術(shù)的全面升級，進一步提升設備的適用性和檢測精度，實現(xiàn)真正意義上的在線監(jiān)測與無人值守，打造出較國外產(chǎn)品更加適合國內(nèi)油田井況的國產(chǎn)民族品牌。

作者簡介：

張雅楠（1986-），男，河北張家口人，工程師，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)相關科研及產(chǎn)品推廣工作。

參考文獻：

[1] 蔡珂盈, 黃琬曦, 郭碧清, 等. 油氣水三相流量計發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國石油和化工標準與質(zhì)量, 2018, 38 (24) : 92 - 93.

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

[3] 史鵬濤, 李宏宏, 歐陽雪峰, 等. 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.

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

[5] 申洪源, 馬亮, 張雅楠, 等. 基于多傳感器和SVR算法的油田多相流實時計量技術(shù)研究[J]. 儀器儀表用戶, 2019, 10 (15) : 15 - 20.

摘自《自動化博覽》2023年10月刊