鄧峰,熊春明,陳詩雯,陳冠宏,王夢(mèng)穎,劉化冰,張建軍,雷群,曹剛,徐東平,陶冶,肖立志
(1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.北京青檬艾柯科技有限公司,北京 100089;3.中國石油大學(xué)(北京),北京 102249;4.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081)
目前,油氣井及管道多相流的在線、定量檢測(cè)已成為業(yè)界共同關(guān)注的難題[1],尚無可靠技術(shù)能夠在不經(jīng)過油、氣、水三相分離的前提下準(zhǔn)確測(cè)量多相流各組分流量。傳統(tǒng)的三相分離測(cè)量方法(玻璃管量油、翻斗量油等)效率低、成本高、占地大、數(shù)據(jù)延遲等問題突出,且無法反映井口真實(shí)瞬態(tài)產(chǎn)液特征。近年來,多相流在線測(cè)量技術(shù)及儀器[2-15]得到廣泛關(guān)注并逐步發(fā)展,利用該技術(shù),井口采出流體可在未經(jīng)穩(wěn)定、分離及全工藝處理等過程前就在線完成流量計(jì)量,最小化人為因素影響,真實(shí)反映井口流體的瞬態(tài)性能,對(duì)油藏精細(xì)管理、生產(chǎn)分配優(yōu)化及井口測(cè)試等有重要意義。但是,現(xiàn)有的多相流檢測(cè)技術(shù)仍然存在一些現(xiàn)實(shí)問題,包括儀器標(biāo)定困難、具有放射性、適用范圍有限、解釋處理模型復(fù)雜、維護(hù)成本高等。此外,隨著非常規(guī)油氣資源開采規(guī)模的擴(kuò)大及非常規(guī)油氣井?dāng)?shù)量的逐年增多,多相流計(jì)量需面對(duì)更多的高含氣、高含水、高黏度、高礦化度產(chǎn)出液,這些因素的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致現(xiàn)有流量計(jì)的測(cè)量誤差呈指數(shù)上升,甚至出現(xiàn)無法計(jì)量的情況。因此,有必要尋求準(zhǔn)確、可靠、能滿足油氣生產(chǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)需求的多相流檢測(cè)裝置和方法。
磁共振(MR)技術(shù)作為一種綠色、高效、準(zhǔn)確的油氣檢測(cè)方法,經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐,在油氣儲(chǔ)集層測(cè)井評(píng)價(jià)[16]及室內(nèi)巖石物理研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。MR技術(shù)可通過獲取儲(chǔ)集層流體分子尺度的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的定性/定量評(píng)價(jià)[17],獨(dú)特的測(cè)量原理及方式?jīng)Q定了其理論上具備同時(shí)測(cè)量多相流的流量和相含率的能力,即實(shí)現(xiàn)多相流在線檢測(cè)的潛力巨大。但是,油氣井和管道多相流受到流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和惡劣工作環(huán)境的顯著影響[18-21],使得現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室MR技術(shù)和儀器難以直接應(yīng)用到油氣井和管道多相流定量檢測(cè)中,需要研究新方法,滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
針對(duì)以上問題,本文提出MR多相流在線檢測(cè)方法,形成硬件裝置,并開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
油氣多相流量計(jì)的主要功能就是在不進(jìn)行三相分離的前提下測(cè)量油、氣、水三相的流量。多相流量計(jì)量問題的實(shí)質(zhì)是各相瞬時(shí)流速(氣相vg、水相vw和油相vo)、體積分?jǐn)?shù)(氣相α、水相β和油相γ)和密度(氣相ρg、水相ρw和油相ρo)的檢測(cè)問題。
多相流體積流量表達(dá)式為:
由于α+β+γ=1,(1)式可改寫為:
由(2)式可以看出,為求得多相流體積流量,有5個(gè)未知數(shù)待測(cè)量。
在進(jìn)行質(zhì)量流量計(jì)算時(shí),需額外考慮不同組分密度的影響,表達(dá)式為:
此時(shí)未知數(shù)增加到了8個(gè),測(cè)量難度很大。
結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,油、氣、水三相的密度往往可在其他生產(chǎn)流程中測(cè)量出來,所以質(zhì)量流量的計(jì)量和體積流量一樣,實(shí)際上是各相流速和相含率(通常選擇含油率和含氣率)的測(cè)量。目前,針對(duì)質(zhì)量流量探測(cè)的多相流量計(jì)還沒有商業(yè)化應(yīng)用實(shí)例。現(xiàn)有的商業(yè)化多相流量計(jì)均檢測(cè)體積流量,本文所述的MR流量檢測(cè)技術(shù)也針對(duì)體積流量進(jìn)行檢測(cè)。
“流速測(cè)量+相含率測(cè)量”的計(jì)量方式是目前世界上商業(yè)化多相流量計(jì)普遍采用的計(jì)量方式。不同之處在于,MR技術(shù)可同時(shí)進(jìn)行流速和相含率的測(cè)量,而其他多相流量計(jì)需要采用不同技術(shù)“串聯(lián)”的方式完成二者的測(cè)量,例如流速測(cè)量多采用文丘里、科氏力、互相關(guān)等技術(shù),相含率測(cè)量多采用伽馬能譜、電阻率等技術(shù)。而采用單一技術(shù)完成多相流量計(jì)量的優(yōu)勢(shì)包括只需要單一探頭、數(shù)據(jù)銜接性好、裝置易于維護(hù)等。
運(yùn)用MR技術(shù)對(duì)流動(dòng)流體進(jìn)行在線連續(xù)測(cè)量要求MR儀器探頭在與被測(cè)流體之間保持連續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)完成測(cè)量。與傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量不同的是,流動(dòng)狀態(tài)對(duì)MR測(cè)量的影響明顯(如圖1所示),MR技術(shù)在油氣井多相流在線檢測(cè)方面的應(yīng)用需解決3個(gè)全新的科學(xué)問題:①流動(dòng)速度對(duì)多相流磁化效率的影響;②流動(dòng)速度對(duì)磁共振回波信號(hào)采集的影響;③MR多相流流量測(cè)量及解釋問題。
圖1 流動(dòng)狀態(tài)下的MR測(cè)量示意圖
流動(dòng)速度對(duì)MR測(cè)量的影響會(huì)從原子核磁化矢量的變化反映出來。Bloch方程[22]給出了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中原子核磁化矢量沿靜磁場(chǎng)方向上的縱向分量Mz以及橫向分量Mx、My隨時(shí)間變化的關(guān)系:
以Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列的測(cè)量為例,假設(shè)流體是由i種組分組成的混合流體,在磁化過程和回波采集過程中的信號(hào)幅值可由Bloch方程推導(dǎo)如下:
MR測(cè)量包括樣品磁化和回波采集兩個(gè)過程。在樣品磁化過程中,流體進(jìn)入探頭后先流經(jīng)磁體進(jìn)行預(yù)磁化。如果流體流速很快,磁體長度有限,往往未充分磁化(Tw<4T1)就已流入天線探測(cè)區(qū)域,則會(huì)產(chǎn)生“欠磁化”現(xiàn)象。在這種情況下,X的表達(dá)式為:
以牛頓流體圓管層流為分析對(duì)象,流體在泵壓的驅(qū)動(dòng)下流動(dòng),根據(jù)流體力學(xué):
需要注意的是,不同流態(tài)下的流速分布函數(shù)不同[23-26],這里不再逐一列出。流體流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致回波串的首幅值與靜止測(cè)量時(shí)相比偏低,且流速越快首幅值降低幅度越大。在實(shí)際應(yīng)用中,回波串幅值的降低意味著信噪比[27-31]的下降,為了保證較高的信噪比,提高測(cè)量精度,期望多相流的預(yù)磁化時(shí)間越長越好,這也是影響流量測(cè)量上限的決定性參數(shù)之一。
流量測(cè)量過程中也會(huì)出現(xiàn)“過磁化”現(xiàn)象。在一些對(duì)測(cè)量頻率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中(流態(tài)、流量或組分含量變化頻繁),兩次回波串測(cè)量間隔很短,設(shè)定的Tw較短(Tw<4T1)。在這種情況下,天線所采集到的實(shí)際上是經(jīng)磁體磁化后進(jìn)入天線的樣品和天線內(nèi)正在進(jìn)行磁化的樣品兩部分磁化強(qiáng)度的和:
此時(shí)X的表達(dá)式為:
回波采集階段,天線采集到第N個(gè)回波的時(shí)候已經(jīng)有一部分經(jīng)90°脈沖扳轉(zhuǎn)的磁化矢量離開天線,而90°脈沖后新進(jìn)入天線的那部分樣品由于未被90°脈沖扳轉(zhuǎn),故無法采集到回波信號(hào)。Y的表達(dá)式推導(dǎo)如下:
由(13)式可知,流體流動(dòng)造成回波串信號(hào)的額外衰減,且衰減幅度幾乎與流速成正比,可通過其測(cè)量流速。圖2是流體流動(dòng)造成的采集信號(hào)額外衰減示意圖,靜止?fàn)顟B(tài)下回波串遵循Bloch方程進(jìn)行e指數(shù)衰減(弛豫衰減),而流體流動(dòng)會(huì)在此基礎(chǔ)上造成回波串的額外衰減。
圖2 流動(dòng)對(duì)MR回波采集過程的影響
由于流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)是回波弛豫衰減和流動(dòng)引起的衰減兩部分的加權(quán)和,為求得流速,需要從回波串信號(hào)中消除正常的回波弛豫衰減,而只保留流動(dòng)引起的衰減。步驟如下:①在流體靜止的狀態(tài)下采集一個(gè)回波串?dāng)?shù)據(jù)Mstatic,并對(duì)這組回波串?dāng)?shù)據(jù)做奇異值分解(SVD)[32]及歸一化處理,得到Mstatic-SVD曲線(見圖3);②在流動(dòng)狀態(tài)下,采用與靜止?fàn)顟B(tài)下同樣的測(cè)量參數(shù)(回波間隔時(shí)間TE和回波個(gè)數(shù)N)測(cè)量得到回波串?dāng)?shù)據(jù)Mflow,做SVD及歸一化處理,得到Mflow-SVD曲線(見圖3);③將Mflow-SVD除以1-Mstatic-SVD以消除回波弛豫衰減,得到Mflow-SVD-SC曲線(見圖3),該曲線就是流動(dòng)造成衰減的回波串?dāng)M合曲線。對(duì)Mflow-SVD-SC曲線進(jìn)行線性擬合,得到直線Mflow-SVD-SC=1-v/A,即可直接計(jì)算得到平均流速v。
圖3 流速測(cè)量方法各步驟所得曲線示意圖
需要指出的是,實(shí)驗(yàn)表明,常規(guī)油、氣、水多相流采集得到的回波串?dāng)?shù)據(jù),前50 ms的線性度較好,可用于計(jì)算流速,但對(duì)于高黏度采出液,這一時(shí)間應(yīng)該更短。另外,之所以選擇對(duì)采集得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行SVD處理后再校正,而不直接對(duì)原始回波串進(jìn)行操作,是因?yàn)镾VD后的回波串?dāng)?shù)據(jù)的噪聲已得到抑制,所以采用這種方法重構(gòu)回波串?dāng)?shù)據(jù)不會(huì)造成噪聲的額外放大。另外,流速越小,流體磁化矢量自由衰減對(duì)流速測(cè)量的影響越不能忽視,需要校正。該方法應(yīng)用需要采集一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)下的流體回波串信號(hào),其實(shí)現(xiàn)方法將在后文詳細(xì)說明。
依靠弛豫時(shí)間(T2或T1)進(jìn)行流體組分定量分析的MR技術(shù)被稱為一維MR技術(shù),測(cè)量方法分別為CPMG脈沖序列和“反轉(zhuǎn)恢復(fù)”脈沖序列。獲取流體T2信息的CPMG脈沖序列較獲取流體T1信息的“反轉(zhuǎn)恢復(fù)”脈沖序列耗時(shí)更短,應(yīng)用于流量計(jì)量這類具有時(shí)間依賴性的工業(yè)在線測(cè)量環(huán)境中更具優(yōu)勢(shì)。但是,單次T2測(cè)量的時(shí)間往往在0.5~5.0 min,顯然不適合在流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量,因此需要借助其他手段,使管道內(nèi)的多相流在相含率測(cè)量階段暫時(shí)保持靜止。
通常情況下,多相流中油相的T2最短,水相次之,天然氣的T2最長,理論上從T2譜上就可以對(duì)三者進(jìn)行區(qū)分,但實(shí)際情況是氣相信號(hào)非常微弱,且受管道壓力影響,很難直接計(jì)量。本文提出一種先計(jì)量油水比再計(jì)量含氣率的方法,實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相相含率的測(cè)量。
油水比可以直接利用圖4所示的T2譜上油峰和水峰的面積計(jì)算得到:
由于水的含氫指數(shù)為1,(14)式中沒有體現(xiàn),而油的含氫指數(shù)Ho需要依靠室內(nèi)刻度實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到:采集同等體積的純油和純水樣品,放置于MR探頭內(nèi)采集自由衰減信號(hào)(FID),二者信號(hào)幅值之比就是Ho。
圖4 多相流T2譜示例
由于氣體的含氫指數(shù)較低,MR信號(hào)較弱,容易被噪聲淹沒,尤其當(dāng)管內(nèi)壓力較低時(shí)(小于1 MPa),幾乎無法采集到氣相信號(hào)。因此,本文提出一種推導(dǎo)法計(jì)算含氣率,而不直接測(cè)量。
首先,對(duì)于油氣井及管道多相流,始終滿足以下關(guān)系:
假設(shè)被測(cè)多相流不含氣相,采集得到的回波串首幅值為:
實(shí)際測(cè)量采集得到的回波串首幅值Mm是已知數(shù),且有如下關(guān)系式:
(17)式中Mpg是管道內(nèi)全部是氣相時(shí)采集得到的信號(hào)幅值,該參數(shù)與管內(nèi)壓力相關(guān),準(zhǔn)確測(cè)量難度較大。針對(duì)這一問題,采用濾除氣相信號(hào)的方法,即在CPMG脈沖序列前加1個(gè)3~5倍于回波間隔時(shí)間的間隔時(shí)間,這樣氣相信號(hào)會(huì)快速衰減,采集得到的回波串首幅值將不包含氣相的貢獻(xiàn),反演的T2譜也將沒有氣相的譜峰,即:
聯(lián)立(14)式—(18)式,即可求得含氣率Ag。
值得注意的是,實(shí)際測(cè)量時(shí)有時(shí)會(huì)遇到多相流中氣相不僅有烴類氣體,還包含二氧化碳、硫化氫、空氣(非滿管流)等氣體的情況,采用上述方法無法區(qū)分每種氣體的具體含量,此時(shí)若需準(zhǔn)確計(jì)量烴類氣體含量,可采用對(duì)管道加壓(大于1 MPa)直接測(cè)量氣相T2譜的方法實(shí)現(xiàn)。
需要指出的是,用于相含率測(cè)量的MR弛豫時(shí)間信息,還可直接應(yīng)用于流體性質(zhì)(如黏度、分子鏈長、重度、含氫指數(shù)等)檢測(cè)而不需要額外的測(cè)量工序。
多相流MR在線檢測(cè)系統(tǒng)(MRMF)如圖5所示,主體包含MR探頭、譜儀、閥門組及管匯幾個(gè)部分。其中MR探頭由鋁合金外殼、磁體及骨架、天線、流體管、溫控系統(tǒng)、隔熱防爆層等組件構(gòu)成,為MR測(cè)量提供必要的靜磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)環(huán)境;譜儀包含電子線路和上位機(jī)軟件2個(gè)部分,電子線路主要功能是控制天線射頻脈沖的發(fā)射和回波信號(hào)的接收及處理,同時(shí)具備磁體溫控、閥門控制等功能,上位機(jī)軟件用于人機(jī)交互,主要功能包括邏輯控制參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)處理及解釋、數(shù)據(jù)及曲線顯示等;閥門組及管匯用于實(shí)現(xiàn)“靜止?fàn)顟B(tài)相含率測(cè)量”和“流動(dòng)狀態(tài)流速測(cè)量”2個(gè)模式的切換。
圖5 多相流MR在線檢測(cè)系統(tǒng)
由于MRMF的應(yīng)用環(huán)境是油氣田現(xiàn)場(chǎng),相比于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的常規(guī)MR儀器,需額外考慮防護(hù)、防爆、環(huán)境適應(yīng)性等一系列問題。MRMF的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)如表1所示。
多相流各相流速及流態(tài)的不斷變化對(duì)MRMF的精確性、可靠性、時(shí)效性等提出了非??量痰囊?。MRMF的探頭經(jīng)特殊設(shè)計(jì)而成,較傳統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量核磁共振儀器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。MR探頭的核心組件為磁體和天線,分別用于產(chǎn)生靜磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)。
表1 MRMF主要設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)
MR探頭利用永磁材料提供所需的靜磁場(chǎng)。磁體橫截面采用Halbach結(jié)構(gòu)[33-34],用于在探頭內(nèi)部形成一個(gè)均勻磁場(chǎng)區(qū)域,同時(shí)利用該結(jié)構(gòu)“零漏磁”的優(yōu)勢(shì),提升MRMF現(xiàn)場(chǎng)使用的安全性。磁體軸向上采用多段式結(jié)構(gòu),分為預(yù)磁化區(qū)域和探測(cè)區(qū)域兩部分(見圖6)。設(shè)計(jì)預(yù)磁化區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度略高于探測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度,以實(shí)現(xiàn)多相流的快速磁化,探頭磁場(chǎng)分布如圖6所示。
圖6 磁體結(jié)構(gòu)及軸向磁場(chǎng)分布
天線采用螺線管結(jié)構(gòu),置于磁體探測(cè)區(qū)域內(nèi),用于產(chǎn)生射頻場(chǎng),激發(fā)被測(cè)樣品中的質(zhì)子發(fā)生能級(jí)躍遷,之后接收MR信號(hào),觀測(cè)MR現(xiàn)象。MRMF采用雙螺線管天線結(jié)構(gòu)(見圖7),其中主天線置于均勻靜磁場(chǎng)區(qū)域,用于采集多相流弛豫信息,而副天線置于均勻梯度靜磁場(chǎng)區(qū)域,用于采集多相流擴(kuò)散信息。
圖7 天線裝配實(shí)物照片
譜儀作為MRMF的重要組成部分,主要完成脈沖序列的時(shí)序生成、探頭控制命令的生成、激勵(lì)天線發(fā)射射頻脈沖和回波信號(hào)的放大及采集等。譜儀可分為電子線路和上位機(jī)軟件兩部分,如圖8所示。
MRMF的譜儀根據(jù)實(shí)際需求,較傳統(tǒng)MR譜儀實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的功能:①控制閥門組的開合以實(shí)現(xiàn)MRMF靜止測(cè)量模式和流動(dòng)測(cè)量模式的切換;②控制磁體溫度;③實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理及解釋智能化,全過程自動(dòng)化,現(xiàn)場(chǎng)無人值守;④開發(fā)了基于Web的上位機(jī)軟件,需要時(shí)可通過手機(jī)、平板電腦等對(duì)設(shè)備進(jìn)行無線控制及數(shù)據(jù)傳輸;⑤高度集成,譜儀尺寸為200 mm×170 mm×200 mm。
圖8 譜儀及上位機(jī)軟件實(shí)物照片
“靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)相含率、流動(dòng)狀態(tài)測(cè)流速”是MRMF所采用的流量計(jì)量方法,其實(shí)現(xiàn)需要依靠可控閥門組及相應(yīng)管匯,如圖9所示。MRMF采用了兩個(gè)“T型”閥門,由譜儀統(tǒng)一控制。實(shí)際安裝時(shí),兩個(gè)“T型”閥門的一側(cè)經(jīng)旁路管線短接,另一側(cè)對(duì)接MR探頭內(nèi)流體管,剩下1個(gè)口作為多相流“流入/流出”口,該口通過軟管與井口采油樹、輸油管、計(jì)量間或技術(shù)站管匯相連,將待測(cè)多相流導(dǎo)入MRMF。流動(dòng)測(cè)量模式下,多相流全部流過MR探頭內(nèi)流體管,進(jìn)行流速測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量模式下,多相流全部由支線管道流過,探頭內(nèi)流體靜止,進(jìn)行相含率測(cè)量。值得注意的是,閥門及管匯均水平安裝,在水平管流狀態(tài)下測(cè)量多相流。
圖9 閥門組及管匯示意圖
室內(nèi)刻度實(shí)驗(yàn)可保證MRMF工作于最優(yōu)狀態(tài)且流量解釋結(jié)果準(zhǔn)確可靠。刻度實(shí)驗(yàn)在中國石油勘探開發(fā)研究院多相流實(shí)驗(yàn)室完成,該實(shí)驗(yàn)室具備一套多相流循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)(裝置示意圖見圖10),系統(tǒng)由多相流存儲(chǔ)、外輸、計(jì)量、混合、分離、回注幾部分組成。可控泵泵送單相流體(白油、純水、空氣)至各相的單相流量計(jì)計(jì)量,再經(jīng)混相器混合后流經(jīng)MRMF并檢測(cè),3個(gè)單相流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果用于刻度及檢定MRMF。室內(nèi)刻度實(shí)驗(yàn)包含流量刻度和相含率刻度兩個(gè)部分。
圖10 多相流循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖
將MRMF閥門切換至流動(dòng)測(cè)量模式,然后通過中控臺(tái)設(shè)置,分別向MRMF泵入不同流量、不同比例的多相流體,擬合流速,以確定擬合參數(shù)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:磁體溫度25 ℃,管內(nèi)壓力0.1 MPa,回波間隔時(shí)間200μs,回波個(gè)數(shù)250,總液量1~200 m3(均勻布點(diǎn)100個(gè)),覆蓋了MRMF的可測(cè)流量范圍。
圖11a是在泵入不同流量、同一油水氣比(油∶水∶氣=1∶1∶0.2)的多相流后采集得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)。圖11b是MR測(cè)量流量和實(shí)際泵入流量的對(duì)比,可以看到二者吻合度較高,相關(guān)系數(shù)為0.974。需要注意的是,為提高流量解釋精度,需截取回波串里線性度較好的前幾個(gè)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。流量刻度實(shí)驗(yàn)在不同流量下選取回波串的截止時(shí)間為:流量小于50 m3/d時(shí),選取前50 ms的回波串;流量在50~100 m3/d時(shí),選取前20 ms的回波串;流量大于100 m3/d時(shí),選取前10 ms的回波串。
圖11 流量刻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果
分別向MRMF泵入不同油水比的油、水兩相流體。每改變一次油水比,MRMF閥門均由流動(dòng)測(cè)量模式切換至靜態(tài)測(cè)量模式,然后進(jìn)行T2譜測(cè)量。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:磁體溫度25 ℃,管內(nèi)壓力0.1 MPa,回波間隔時(shí)間200μs,回波個(gè)數(shù)40 000,油水比0~1。實(shí)驗(yàn)所得T2譜如圖12a所示。根據(jù)油水比為0與1時(shí)所采集回波串首幅值的比值,得到實(shí)驗(yàn)用白油的含氫指數(shù)為0.98。將T2=0.5 s作為油水分界線,左側(cè)為油峰,右側(cè)為水峰,計(jì)算該分界線左右譜峰面積,結(jié)合(14)式,計(jì)算得到油水比,如表2所示,相對(duì)誤差為2.20%。
分別向MRMF泵入不同含氣率的氣水兩相流體。每改變一次含氣率,MRMF閥門均由流動(dòng)測(cè)量模式切換至靜態(tài)測(cè)量模式,然后進(jìn)行回波串測(cè)量。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:磁體溫度25 ℃,管內(nèi)壓力0.1 MPa,回波間隔時(shí)間200 μs,回波個(gè)數(shù)10 000,含氣率0~90%。實(shí)驗(yàn)所得回波串如圖12b所示。根據(jù)回波串首幅值計(jì)算含氣率,結(jié)果如表3所示,相對(duì)誤差為3.10%。
圖12 相含率刻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表2 油水比測(cè)量值與設(shè)定值對(duì)比
表3 含氣率測(cè)量值與設(shè)定值對(duì)比
分別向MRMF泵入不同油氣水比的三相流體,先通過采集回波串首幅值確定含氣率,再通過T2譜確定油水比,最后得到三相各自的相含率。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:磁體溫度25 ℃,管內(nèi)壓力0.1 MPa,回波間隔時(shí)間200μs,回波個(gè)數(shù)40 000。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示,含油率相對(duì)誤差為2.57%,含氣率相對(duì)誤差為6.41%,含水率相對(duì)誤差為2.86%。
表4 三相流相含率測(cè)量值與設(shè)定值對(duì)比
油氣井及管道中多相流各相之間往往呈乳化狀態(tài)。在這種情況下,大多數(shù)多相流量計(jì)尤其是容積式流量計(jì)無法準(zhǔn)確分析相含率。此時(shí),MR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就得以展現(xiàn)。MR技術(shù)直接獲取多相流分子級(jí)別的信息,其測(cè)量原理決定了其理論上不受乳化影響。為了證實(shí)這一點(diǎn),本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖13為采用MRMF測(cè)量得到的某油田乳化原油的T2譜,據(jù)此得出該原油含水率達(dá)71.2%,與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)脫水分析結(jié)果吻合,證實(shí)了本文方法對(duì)于檢測(cè)呈乳化狀的多相流有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
圖13 乳化原油T2譜
不同油田、油井采出多相流的礦化度各不相同,有必要分析礦化度對(duì)MR測(cè)量的影響。圖14是不同濃度的KCl、NaCl、CaCl2的T2測(cè)量結(jié)果,可以看到,對(duì)于這3種常見的地層水中所含礦物質(zhì),即使?jié)舛冗_(dá)到17%,含有不同礦物質(zhì)的水的T2值最大差距也在700 ms以內(nèi),且T2值均不低于2 s,不會(huì)與油峰發(fā)生混疊情況,即不影響相含率的測(cè)量?,F(xiàn)場(chǎng)采出液也存在多種礦物質(zhì)同時(shí)存在的情況,但從機(jī)理上講,只要流體中不含有順磁性物質(zhì),多種對(duì)MR測(cè)量無明顯影響的礦物質(zhì)混合后對(duì)MR測(cè)量的影響也可忽略不計(jì)。
圖14 含有不同濃度礦物質(zhì)的水的T2值
實(shí)際上,MR的測(cè)量原理決定了其測(cè)量結(jié)果不但不受乳化狀態(tài)、礦化度影響,電導(dǎo)率、溫度、黏度、密度、透明度等對(duì)其他流量計(jì)有影響的參數(shù)也不會(huì)對(duì)其測(cè)量造成影響。
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)過刻度的MRMF的測(cè)量精度優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。流量測(cè)量方面,針對(duì)不同的流量范圍選取合適的回波串截止時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)高頻率(0.5次/s)、高精度(相關(guān)系數(shù)0.974)流量在線計(jì)量;相含率檢測(cè)方面,油氣水三相均可實(shí)現(xiàn)全量程檢測(cè),兩相流體檢測(cè)精度為油水比相對(duì)誤差2.2%,氣水比相對(duì)誤差3.1%,三相流體檢測(cè)精度為油相相對(duì)誤差2.57%,氣相相對(duì)誤差6.41%,水相相對(duì)誤差2.86%。
MRMF目前已在吉林大老爺府作業(yè)區(qū)#20計(jì)量間開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)用(見圖15)。MRMF的進(jìn)出口法蘭通過軟管接至計(jì)量間內(nèi)的油氣管線,計(jì)量間內(nèi)通過手動(dòng)閥門切換的方式實(shí)現(xiàn)選井。該計(jì)量間管理的24口井均是水驅(qū)開采多年的老井,歷史數(shù)據(jù)表明,平均單井產(chǎn)出液含水率達(dá)96%,間歇產(chǎn)氣。于2019年9月2日起采用MRMF對(duì)該計(jì)量間的24口井連續(xù)計(jì)量3個(gè)月,設(shè)備工作穩(wěn)定,未出現(xiàn)異常。MRMF測(cè)量參數(shù)設(shè)定為:①靜止?fàn)顟B(tài)相含率測(cè)量,回波間隔時(shí)間200 μs,回波個(gè)數(shù)40 000,累加次數(shù)4次,測(cè)量頻率2次/h;②流動(dòng)狀態(tài)流速測(cè)量,回波間隔時(shí)間200 μs,回波個(gè)數(shù)250,累加次數(shù)4次,測(cè)量頻率0.15次/s。
圖15 MRMF在油田計(jì)量間內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖
現(xiàn)場(chǎng)采用翻斗流量計(jì)和車載流量計(jì)與MRMF計(jì)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,測(cè)量結(jié)果吻合度高。圖16截取了6個(gè)井環(huán)各4 h的流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。與翻斗流量計(jì)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明:①產(chǎn)液量的MRMF測(cè)量結(jié)果與翻斗計(jì)量結(jié)果吻合度高,平均達(dá)到95.6%;②采用MRMF能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常工況,如井環(huán)10-26,8-28,6-028在0.4 h處出現(xiàn)的流量異常,實(shí)際導(dǎo)致了管道的異常高壓(壓力表顯示),但翻斗計(jì)量結(jié)果只出現(xiàn)一個(gè)較小的波動(dòng);③翻斗流量計(jì)只能計(jì)量總產(chǎn)液量,MRMF還可計(jì)量含氣量和含水率;④含氣井流態(tài)復(fù)雜,管內(nèi)流量出現(xiàn)的波動(dòng)可被MRMF及時(shí)捕捉。
圖16 吉林油田大老爺府作業(yè)區(qū)#20計(jì)量間6個(gè)井環(huán)實(shí)測(cè)曲線
基于磁共振技術(shù)的多相流在線檢測(cè)方法采用“靜態(tài)相含率+動(dòng)態(tài)流速”的測(cè)量方法,同時(shí)進(jìn)行流速和相含率的測(cè)量;利用回波串衰減速率測(cè)量流速,同時(shí)針對(duì)低流量應(yīng)用場(chǎng)景提出回波串校正方法,以進(jìn)一步提高測(cè)量精度;采用多相流非分離相含率測(cè)量方法,先計(jì)量油水比再計(jì)量含氣率,實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相相含率的測(cè)量。在方法研究的基礎(chǔ)上形成硬件裝置,采用可應(yīng)用于流動(dòng)流體測(cè)量的分段式磁體結(jié)構(gòu)和雙天線結(jié)構(gòu),研發(fā)了高集成磁共振譜儀系統(tǒng)及配套智能化軟件。
室內(nèi)刻度及檢定實(shí)驗(yàn)表明,本文研制的多相流磁共振在線檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量精度方面優(yōu)于現(xiàn)在主流商業(yè)化多相流量計(jì),證明了方法的可行性和裝置的可靠性。在吉林油田開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,日均總產(chǎn)液量計(jì)量結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)翻斗計(jì)量結(jié)果吻合度達(dá)95.6%。相比于其他多相流檢測(cè)技術(shù),本文方法優(yōu)勢(shì)明顯:①只依靠一種技術(shù)同時(shí)完成流量和相含率檢測(cè);②在線原位高頻率檢測(cè),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油井瞬態(tài)產(chǎn)液波動(dòng),為油藏動(dòng)態(tài)分析提供重要且豐富的數(shù)據(jù);③能實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相全量程高精度檢測(cè),且不受礦化度、乳化狀態(tài)影響;④綠色、安全、低能耗。
符號(hào)注釋:
A——磁共振探頭天線的長度,m;Al,Ag——液相和氣相的相含率,%;Hi——第i種組分的含氫指數(shù);Ho——油的含氫指數(shù);Lm——磁體長度,m;M——質(zhì)量流量,kg/s;M0——平衡狀態(tài)的磁化強(qiáng)度;Mflow——在流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量得到的回波串?dāng)?shù)據(jù);Mflow-SVD——在流動(dòng)狀態(tài)下采集的回波串經(jīng)奇異值分解(SVD)及歸一化處理后的數(shù)據(jù);Mflow-SVD-SC——Mflow-SVD與1-Mstatic-SVD之商;Mi——磁化過程結(jié)束時(shí)流體樣品中第i種組分的磁化強(qiáng)度;Mpg,Mpl——管道內(nèi)全部是氣相、液相時(shí)采集得到的信號(hào)幅值;Mm——實(shí)際測(cè)量采集得到的多相流回波串首幅值;Mstatic——在流體靜止?fàn)顟B(tài)下采集的回波串?dāng)?shù)據(jù);Mstatic-SVD——在流體靜止?fàn)顟B(tài)下采集的回波串經(jīng)奇異值分解及歸一化處理后的數(shù)據(jù);Mw——管道內(nèi)全部是水時(shí)采集得到的信號(hào)幅值;Mx,My——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中原子核磁化矢量沿靜磁場(chǎng)方向上的橫向分量;Mz——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中原子核磁化矢量沿靜磁場(chǎng)方向上的縱向分量;N——回波個(gè)數(shù);n——流體組分?jǐn)?shù);Q——體積流量,m3/s;r——管道橫截面上某點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離,m;R——管道內(nèi)徑,m;Row——油水比;si——采集得到的回波信號(hào)幅值;S——管道橫截面積,m2;Si——第i種組分的飽和度,%;So,Sw——T2譜上油峰和水峰的面積,m2;t——回波采集時(shí)間,s;T1,T2——縱向和橫向弛豫時(shí)間,s;T1,i,T2,i——第i種組分的縱向和橫向弛豫時(shí)間,s;TE——回波間隔時(shí)間,s;Tw——磁化時(shí)間,s;v——平均流速,m/s;v(r)——管道橫截面上距離中心點(diǎn)r處的流體流速,m/s;vg,vw,vo——?dú)?、水、油相流速,m/s;X,Y——流體流動(dòng)對(duì)磁化過程和回波采集過程的影響因子,s-1;α,β,γ——?dú)?、水、油相體積分?jǐn)?shù),%;Δp——管道兩端的壓差,Pa;μ——流體黏度,Pa·s;ρg,ρw,ρo——?dú)?、水、油密度,kg/m3。