孫 明

（中海石油 （中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

從生產(chǎn)的角度來(lái)看，多相流預(yù)測(cè)對(duì)于熟練的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和管理至關(guān)重要。由于直接流量計(jì)量的相關(guān)成本相當(dāng)可觀，因此經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性對(duì)于該目標(biāo)而言大致有效。然而，由于人為和設(shè)備錯(cuò)誤而導(dǎo)致缺乏足夠數(shù)據(jù)以及其固有的認(rèn)知和偶然不確定性是這些相關(guān)性的主要限制［1］。在油田生產(chǎn)期間，預(yù)測(cè)油田產(chǎn)量對(duì)于建立有效的生產(chǎn)管理系統(tǒng)至關(guān)重要，延長(zhǎng)了油井的使用壽命。但是，由于管道、井口和節(jié)流孔中的流動(dòng)機(jī)制和狀態(tài)的高度復(fù)雜性，合理嚴(yán)格的進(jìn)行油井計(jì)量管理，及時(shí)準(zhǔn)確的掌握油井的產(chǎn)量及波動(dòng)規(guī)律對(duì)油田的可持續(xù)發(fā)展起到重要的作用，也是保障油田生產(chǎn)的核心［2］。

1 工作原理

準(zhǔn)確的流體通過(guò)量流速信息對(duì)于維持石油和天然氣加工廠的效率和生產(chǎn)率至關(guān)重要。有多種計(jì)量設(shè)備和技術(shù)可用于在各種條件下提供高精度的流量測(cè)量。對(duì)于穩(wěn)定的流量條件，最常用的設(shè)備包括以下類(lèi)型的流量計(jì)：差壓流量計(jì)、熱線風(fēng)速流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、多相流量計(jì)等。其中，多相流量計(jì)的安裝和操作成本雖然相對(duì)較高，但是通過(guò)確定流經(jīng)一臺(tái)設(shè)備的流中不同相成分的流速，它可以提供更多有價(jià)值的信息。實(shí)際上，自1980年代以來(lái)，石油和天然氣公司已在海上平臺(tái)和陸上油井中，廣泛采用了多相流量技術(shù)［3］。

多相流計(jì)量裝置是一種提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的診斷和計(jì)量工具同時(shí)測(cè)量油、水和氣體的混合流動(dòng)。它結(jié)合了幾個(gè)傳感器的測(cè)量，而不需要分離相位。多相流計(jì)量裝置利用了以下測(cè)量原理：文丘里差壓，阻抗，阻抗測(cè)量互相關(guān) （電容），伽馬射線密度測(cè)量，絕對(duì)壓力和溫度。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)電極測(cè)得的流量和通過(guò)喉管的壓差 （DP）的測(cè)量，計(jì)算了油、水和氣的流量。流過(guò)儀表的混合物的電容或電導(dǎo)用阻抗測(cè)量。速度測(cè)量是通過(guò)交叉相關(guān)的高分辨率時(shí)間信號(hào)從電極。多相流計(jì)量裝置還配備了伽馬密度計(jì)。根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)，例如，電容模式和導(dǎo)電模式之間的微波，分別測(cè)量流體的介電常數(shù)和導(dǎo)電率。

2 技術(shù)簡(jiǎn)介

刮板流量計(jì)會(huì)在板的下游創(chuàng)建一個(gè)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，其中包括三個(gè)方向的流動(dòng)逆流：剪切流、渦旋形成和層分離［4］。該海上油田為稠油油田，平臺(tái)針對(duì)產(chǎn)液特性，優(yōu)選流量計(jì)類(lèi)型。將之前的質(zhì)量流量計(jì)逐步優(yōu)化為刮板流量計(jì)，二者之間的比較見(jiàn)表1。

3 應(yīng)用分析

3.1 影響因素

在石油和天然氣工業(yè)中，對(duì)井流生產(chǎn)和組成的監(jiān)測(cè)已經(jīng)變得非常重要，特別是隨著油田在經(jīng)濟(jì)上變得邊際化和儲(chǔ)層枯竭的時(shí)候。多相流計(jì)量裝置能夠測(cè)量不透明流動(dòng)，即分散的多相流動(dòng)。分散的多相流在大量的工業(yè)過(guò)程和自然現(xiàn)象中遇到。例如，化學(xué)反應(yīng)器中的催化劑，食品生產(chǎn)，河流中的沉積物運(yùn)輸和血流，等等。分散的多相系統(tǒng)由較小的懸浮在連續(xù)介質(zhì)中的顆粒 （通常介于1個(gè)μm和幾毫米之間），氣泡或液滴。連續(xù)介質(zhì)通常充當(dāng)載體，經(jīng)常表現(xiàn)出湍流［5］。分散相繼而會(huì)影響該載流的行為。盡管多相流無(wú)處不在，但仍然很難預(yù)測(cè)。

表1 刮板流量計(jì)與質(zhì)量流量計(jì)對(duì)比

該儀器由不同的計(jì)量模塊組成，以保證流量估計(jì)的冗余性和魯棒性。特別是采用了一個(gè)窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，特征提取過(guò)程設(shè)計(jì)了捕捉模塊間差異的量。流動(dòng)條件 （即組成和質(zhì)量流量）隨時(shí)間變化很大，不同井之間可能差別很大。根據(jù)文獻(xiàn)資料，流動(dòng)可分為均質(zhì)流、氣泡流、分子段塞流或段塞流。當(dāng)流型演變時(shí)，測(cè)量量之間的關(guān)系也發(fā)生變化：數(shù)據(jù)形成新的流形和不同的流形。因此，在測(cè)量?jī)x器中檢測(cè)異常模式的任務(wù)可能特別具有挑戰(zhàn)性。

3.2 控制措施

刮板流量計(jì)提供了在各種流速和溫度條件下測(cè)量流量的靈活性，也適用于各種密度和黏度的液體，氣體和單相流系統(tǒng)。由于孔板的幾何復(fù)雜性和下游的流分離區(qū)域，與刮板流量計(jì)相關(guān)的系數(shù)往往是經(jīng)驗(yàn)性的。這些流量復(fù)雜性導(dǎo)致比其他儀表更高的壓力損失，這最明顯地體現(xiàn)在與流體泵送成本相關(guān)的額外成本上。通常通過(guò)將流量整流器放置在刮板流量計(jì)的不同距離處來(lái)克服這些限制。當(dāng)流體通過(guò)孔板的孔時(shí)，壓差信號(hào)作為流體速度的函數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和記錄。操縱等式中的密度變量有助于根據(jù)質(zhì)量或體積計(jì)算流速。此外，當(dāng)模塊不一致時(shí)，當(dāng)一個(gè)信號(hào)的信息內(nèi)容與其他信號(hào)的信息內(nèi)容不同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)異常。部分油井在計(jì)量時(shí)，實(shí)際原油流量經(jīng)常會(huì)大于流量刮板流量計(jì)測(cè)量上限 （35m3／h），可達(dá)到50m3／h。為避免儀表因超速轉(zhuǎn)動(dòng)而致使刮板斷裂，該平臺(tái)增設(shè)大口徑刮板流量計(jì)，這樣可以視流量大小而切換使用流量計(jì)。

這種新穎的特征提取在于所有相關(guān)的模塊從不同的角度看待同一個(gè)物理過(guò)程。這種方法基于兩個(gè)基本假設(shè)：所有傳感器在任何特定時(shí)刻測(cè)量同一潛在物理現(xiàn)象的不同屬性；來(lái)自兩個(gè)不同傳感器的測(cè)量是線性的。這種特征設(shè)計(jì)的有效性只有在模塊同時(shí)測(cè)量同一事件時(shí)才能得到，即當(dāng)信號(hào)在時(shí)間上得到很好的對(duì)齊，并且它們之間的相關(guān)性足夠高時(shí)。為了確保這樣的比對(duì)，保證流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確率，定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，主要采用了標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法、容積法兩種方式。

通過(guò)對(duì)比D2井和D18井容積法標(biāo)定油井產(chǎn)液量的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)D2井和D18井最新數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)量數(shù)據(jù)、計(jì)量分離器液相流量計(jì)數(shù)據(jù)和泥漿罐標(biāo)定的產(chǎn)液量數(shù)據(jù)基本一致，可以判斷D平臺(tái)平時(shí)計(jì)量油井產(chǎn)液用的液相流量計(jì)是準(zhǔn)確的。標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 容積法標(biāo)定油井產(chǎn)液量對(duì)比表

3.3 效果評(píng)價(jià)

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

海上平臺(tái)提高油井計(jì)量準(zhǔn)確率探索與實(shí)踐，系統(tǒng)探索出一套適用于提高海上油田油井計(jì)量準(zhǔn)確率的新方法，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果，具有較大的推廣及應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)提高油井計(jì)量準(zhǔn)確率的探索措施實(shí)施后，該平臺(tái)油井計(jì)量產(chǎn)液準(zhǔn)確率較實(shí)施前得到了較大提高，在統(tǒng)計(jì)的六個(gè)月內(nèi)，平臺(tái)產(chǎn)油增產(chǎn)約0.223萬(wàn)m3。準(zhǔn)確的油井計(jì)量數(shù)據(jù)為油井動(dòng)態(tài)分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有助于異常油井及時(shí)采取措施，降低油井故障率，同時(shí)為油藏分析和開(kāi)發(fā)計(jì)劃提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.3.2 管理提升

在不同的油田開(kāi)發(fā)策略下，對(duì)簡(jiǎn)單的海底采油系統(tǒng)進(jìn)行了原油流量預(yù)測(cè)，可以作為虛擬流量計(jì)量的備份，也可以作為虛擬流量計(jì)量的獨(dú)立解決方案，甚至可以提供一個(gè)小的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。在較寬的試井范圍內(nèi)，可以從早期生產(chǎn)階段開(kāi)始進(jìn)行準(zhǔn)確的流量預(yù)測(cè)。此外，從生產(chǎn)系統(tǒng)的主要部件中添加壓力和溫度數(shù)據(jù)也可以提高性能。通過(guò)自主分析，發(fā)展問(wèn)題，找出原因，進(jìn)而解決問(wèn)題，最終提高油井計(jì)量的準(zhǔn)確率，獲取更加準(zhǔn)確的油田生產(chǎn)資料，為油藏分析和油田進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)進(jìn)一步提升了油井精細(xì)化管理水平。

4 結(jié)論

綜上所述，分析多相流計(jì)量裝置在海上平臺(tái)中的實(shí)踐應(yīng)用，必須深刻理解多相流計(jì)量裝置的工作原理和技術(shù)特征。如此才能在實(shí)踐中，查找影響海上平臺(tái)油井計(jì)量準(zhǔn)確的影響因素，進(jìn)而提出有效的控制措施，對(duì)于多相流計(jì)量裝置更好服務(wù)于海上平臺(tái)有重要的參考價(jià)值和實(shí)踐意義。