γ源多相流量計在延長測試中的應用分析

劉 平，雷聚明

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油工業自控(天津)有限公司，天津 300452)

0 引言

國內某海域某地質構造主力氣藏分布在P8a、P8b和P10三層。為了落實天然氣地質儲量、合理制定開發方案、評價開發效果，對該構造探井進行延長測試[1]。由于測試期間油藏儲量、溫度、壓力和組分存在不確定性，故選取測量范圍寬、精度高的測試計量設備。

γ源多相流量計自20世紀90年代亮相以來，已廣泛應用于國內外油氣田單井計量。與傳統的三相分離器相比，多相流量計具有結構緊湊、測量精度高、測量范圍寬、流型適用性好、運行可靠性高、性價比高等明顯優勢[2]，可用于對油氣構造A的延長測試。為了準確探明構造油氣藏類型、儲量和油氣水含量，需要分析研究多相流量計的原理和影響測量精度的因素，并對比分析該構造流體的組分特點，找出關鍵因素，制定性能保證措施。本文以國內具有代表性的海默科技標準型γ源多相流量計為基礎進行分析。

1 γ源多相流量計原理

γ源多相流量計通過文丘里管測量總流量、單能γ傳感器測量含氣率、雙能γ傳感器測量含水率，然后通過基本的流量計算和體積、壓力、溫度(pressure volume temperature，PVT)轉換得到標況條件下的油氣水流量[3]。通過使用流型調整技術，可進一步保證含水率的測試精度。

多相流量計的主要部件包括文丘里管(含差壓變送器)、單能γ傳感器、在線取樣器、雙能γ傳感器、溫度及壓力變送器等功能部件。關鍵部件功能如下。

①文丘里管用于測量工況(實際測試壓力、溫度條件下)條件下油相、水相、氣相總流量。

②γ傳感器用于測量工況下的相分率。

③溫度和壓力變送器等用于工況、標況(1個標準大氣壓、20 ℃條件下)體積轉換的PVT因子計算。

多相流量計原理如圖1所示。

圖1 多相流量計原理圖

2 多相流計量的影響因素

多相流量計的影響因素主要通過計算過程分析，包括含水率測量公式、含氣率測量公式、總流量公式，以及標況下氣、油、水產出的過程[4]。

雙能γ傳感器測量含水率相關公式為：

(1)

式中：λ和η分別為雙能γ傳感器中的截面含氣率和截面含水率，均為待測量；符號右上角帶“′”的為雙能傳感器高能級有關的量，不帶“′”的為與低能級有關的量或對兩者共同的量；N0為空管計數率；Nx為在線計數率；D為雙能傳感器管道內徑，為固定值；ρg、ρo、ρw分別為工況下天然氣、全油、全水的在線密度；vg、vo、vw分別為天然氣、全油、全水的質量吸收系數。

使用文丘里計量總流量[5]:

(2)

式中：C為流出系數，與雷諾數相關，通過雷諾數與流出系數的迭代關系求出[6]；E為速度漸進系數，對一個文丘里來說，該數據為定值；d為文丘里喉徑；Δp為流體流經文丘里時的高低壓端壓力差，由差壓變送器采集；ρmix為流體的混合密度，是各相密度與各相相分率乘積之和。

計算工況各相流量：

(3)

式中：λs為單能含氣率；Qg、Qo、Qw分別為工況下氣、油、水流量。

通過式(4)將工況流量轉換為標況流量：

(4)

式中：Qgs、Qos、Qws分別為標況下的氣、油、水產量；Bg、Bo、Bw分別為工況下氣、油、水體積相對于標況下的體積比。

通過上述公式可知，影響標況下氣、油、水測量精度的因子包括含水率、含氣率、總流量及工、標況轉換過程的每一個變量，即各相的工況密度、各相的質量吸收系數、空管計數與在線計數率、差壓和PVT因子。在不同的工況下，各項因子對結果的影響也不同。

3 計量的關鍵因素

為了進一步確定對本次測試精度產生重大影響的關鍵因素，在實際應用中，對第2節中分析的影響因素進行試驗。首先，結合勘探樣氣組分、參數和現場測試實際測量值，確定多相流所屬類別；然后，在一定范圍內改變影響因素，并將得到試驗測量數據與改變前測試數據進行對比，以確定對測量結果產生顯著影響的因素。

該地質構造前期勘探獲得樣氣的主要組分如下。

CO2占4.17%,CH4占85.448%,C2H8占7.043%,C3H8占2.275%。此外，還有少部分N2、iC4、nC4、iC5、nC5及C6+等組分。計算得出樣品組分平均分子量為19.225，平均密度為0.801 3 kg/m3，相對密度為0.665 5。

統計試驗前流量計測試數據平均值如下。

標況液量為56.57 m3/d；標況油量為52.3 m3/d;標況水量為4.27 m3/d；標況氣量為289 105.88 m3/d;含水率為6.88%;含氣率為98.59%；溫度為47.51 ℃；壓力為6467.11 kPa；差壓為11.92 kPa。

結合樣氣密度，可以計算出該多相流所屬的類別。一般用洛克哈特和馬蒂內利(Lockhart-Martinelli，LM)數值分類。此時該數值為0.056，屬于第二類濕氣(洛克哈特和馬蒂內利值在0.02和0.3之間)。對第二類濕氣來說，其主要目的是獲取氣相。但為了準確地計量氣相，需要較為準確的液量數據，同時也要通過含水值來提高氣相測量精度。

為了評估影響計量的關鍵因素，將第2節中分析得出的影響因子變化0.1%～0.5%，計算各影響因子對最終結果的影響，其結果如表1所示。

表1 各因子對測量結果的影響

由表1可以看出，在同比例的波動中，對測試結果影響最大的是空管計數率和在線計數率，其次為差壓零點漂移和壓縮因子變化，其他各因子變化對測試結果影響均較小。

空管計數率與在線計數率都屬于γ射線在不同狀態下的測試數據，因此只需要監測空管計數率即可。

壓縮因子由氣體組分決定[7]，因此監測壓縮因子即監測氣體組分變化。

4 性能保障措施

通過上述的計算分析，確定了影響計量精度的關鍵因素。為保障流量計準確、穩定運行，對流量計現場操作和運維提出并實施了如下針對性的性能保障措施。

①定期隔離排空核實空管計數率，每兩個月到三個月進行一次空管標定。

②隔離排空時觀察差壓零點，如果絕對值超出0.3 kPa，即需要切零。

③定期進行氣體組分分析，化驗密度與組分。推薦半年進行一次，以確保壓縮因子的準確性[8]。

④定期取樣化驗含水率，側面驗證測試含水率的有效性。

上述措施的實施，可以確保γ源多相流量計達到如表2所示流量測量的精度要求。

表2 測量精度

5 結束語

分析分相率和最終標況流量計算過程可知，影響多相計量的因素主要包括各相的工況密度、各相的質量吸收系數、空管計數與在線計數率等。在延長測試應用中進行試驗。對比分析表明，影響計量的關鍵因素為空管計數率、在線計數率、差壓零點漂移和壓縮因子變化。針對關鍵因素，提出并應用四項性能優化措施，確保了γ源多相流量計在延長測試中的測量精度，減小了由于延長測試油藏基礎數據不確定性對測量精度的影響，為海上類低滲油氣藏測試計量提供了有益的借鑒。