多相流計量裝置在海上平臺的應用分析

孫 明

（中海石油 （中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

從生產的角度來看，多相流預測對于熟練的生產設計和管理至關重要。由于直接流量計量的相關成本相當可觀，因此經驗和半經驗相關性對于該目標而言大致有效。然而，由于人為和設備錯誤而導致缺乏足夠數據以及其固有的認知和偶然不確定性是這些相關性的主要限制［1］。在油田生產期間，預測油田產量對于建立有效的生產管理系統至關重要，延長了油井的使用壽命。但是，由于管道、井口和節流孔中的流動機制和狀態的高度復雜性，合理嚴格的進行油井計量管理，及時準確的掌握油井的產量及波動規律對油田的可持續發展起到重要的作用，也是保障油田生產的核心［2］。

1 工作原理

準確的流體通過量流速信息對于維持石油和天然氣加工廠的效率和生產率至關重要。有多種計量設備和技術可用于在各種條件下提供高精度的流量測量。對于穩定的流量條件，最常用的設備包括以下類型的流量計：差壓流量計、熱線風速流量計、電磁流量計、超聲波流量計、多相流量計等。其中，多相流量計的安裝和操作成本雖然相對較高，但是通過確定流經一臺設備的流中不同相成分的流速，它可以提供更多有價值的信息。實際上，自1980年代以來，石油和天然氣公司已在海上平臺和陸上油井中，廣泛采用了多相流量技術［3］。

多相流計量裝置是一種提供實時數據的診斷和計量工具同時測量油、水和氣體的混合流動。它結合了幾個傳感器的測量，而不需要分離相位。多相流計量裝置利用了以下測量原理：文丘里差壓，阻抗，阻抗測量互相關 （電容），伽馬射線密度測量，絕對壓力和溫度。具體來說，根據電極測得的流量和通過喉管的壓差 （DP）的測量，計算了油、水和氣的流量。流過儀表的混合物的電容或電導用阻抗測量。速度測量是通過交叉相關的高分辨率時間信號從電極。多相流計量裝置還配備了伽馬密度計。根據流動狀態，例如，電容模式和導電模式之間的微波，分別測量流體的介電常數和導電率。

2 技術簡介

刮板流量計會在板的下游創建一個非穩態流動狀態，其中包括三個方向的流動逆流：剪切流、渦旋形成和層分離［4］。該海上油田為稠油油田，平臺針對產液特性，優選流量計類型。將之前的質量流量計逐步優化為刮板流量計，二者之間的比較見表1。

3 應用分析

3.1 影響因素

在石油和天然氣工業中，對井流生產和組成的監測已經變得非常重要，特別是隨著油田在經濟上變得邊際化和儲層枯竭的時候。多相流計量裝置能夠測量不透明流動，即分散的多相流動。分散的多相流在大量的工業過程和自然現象中遇到。例如，化學反應器中的催化劑，食品生產，河流中的沉積物運輸和血流，等等。分散的多相系統由較小的懸浮在連續介質中的顆粒 （通常介于1個μm和幾毫米之間），氣泡或液滴。連續介質通常充當載體，經常表現出湍流［5］。分散相繼而會影響該載流的行為。盡管多相流無處不在，但仍然很難預測。

表1 刮板流量計與質量流量計對比

該儀器由不同的計量模塊組成，以保證流量估計的冗余性和魯棒性。特別是采用了一個窗口來實現連續監測，特征提取過程設計了捕捉模塊間差異的量。流動條件 （即組成和質量流量）隨時間變化很大，不同井之間可能差別很大。根據文獻資料，流動可分為均質流、氣泡流、分子段塞流或段塞流。當流型演變時，測量量之間的關系也發生變化：數據形成新的流形和不同的流形。因此，在測量儀器中檢測異常模式的任務可能特別具有挑戰性。

3.2 控制措施

刮板流量計提供了在各種流速和溫度條件下測量流量的靈活性，也適用于各種密度和黏度的液體，氣體和單相流系統。由于孔板的幾何復雜性和下游的流分離區域，與刮板流量計相關的系數往往是經驗性的。這些流量復雜性導致比其他儀表更高的壓力損失，這最明顯地體現在與流體泵送成本相關的額外成本上。通常通過將流量整流器放置在刮板流量計的不同距離處來克服這些限制。當流體通過孔板的孔時，壓差信號作為流體速度的函數進行監控和記錄。操縱等式中的密度變量有助于根據質量或體積計算流速。此外，當模塊不一致時，當一個信號的信息內容與其他信號的信息內容不同時，就會出現異常。部分油井在計量時，實際原油流量經常會大于流量刮板流量計測量上限 （35m3／h），可達到50m3／h。為避免儀表因超速轉動而致使刮板斷裂，該平臺增設大口徑刮板流量計，這樣可以視流量大小而切換使用流量計。

這種新穎的特征提取在于所有相關的模塊從不同的角度看待同一個物理過程。這種方法基于兩個基本假設：所有傳感器在任何特定時刻測量同一潛在物理現象的不同屬性；來自兩個不同傳感器的測量是線性的。這種特征設計的有效性只有在模塊同時測量同一事件時才能得到，即當信號在時間上得到很好的對齊，并且它們之間的相關性足夠高時。為了確保這樣的比對，保證流量計的計量準確率，定期對流量計進行標定校準，主要采用了標準流量計法、容積法兩種方式。

通過對比D2井和D18井容積法標定油井產液量的數據，發現D2井和D18井最新數據庫計量數據、計量分離器液相流量計數據和泥漿罐標定的產液量數據基本一致，可以判斷D平臺平時計量油井產液用的液相流量計是準確的。標定結果見表2。

表2 容積法標定油井產液量對比表

3.3 效果評價

3.3.1 經濟效益

海上平臺提高油井計量準確率探索與實踐，系統探索出一套適用于提高海上油田油井計量準確率的新方法，在現場實際應用中取得良好的效果，具有較大的推廣及應用價值。通過對提高油井計量準確率的探索措施實施后，該平臺油井計量產液準確率較實施前得到了較大提高，在統計的六個月內，平臺產油增產約0.223萬m3。準確的油井計量數據為油井動態分析提供可靠的數據支持，有助于異常油井及時采取措施，降低油井故障率，同時為油藏分析和開發計劃提供更準確的依據。

3.3.2 管理提升

在不同的油田開發策略下，對簡單的海底采油系統進行了原油流量預測，可以作為虛擬流量計量的備份，也可以作為虛擬流量計量的獨立解決方案，甚至可以提供一個小的訓練數據集。在較寬的試井范圍內，可以從早期生產階段開始進行準確的流量預測。此外，從生產系統的主要部件中添加壓力和溫度數據也可以提高性能。通過自主分析，發展問題，找出原因，進而解決問題，最終提高油井計量的準確率，獲取更加準確的油田生產資料，為油藏分析和油田進一步開發提供更準確的數據支持，同時進一步提升了油井精細化管理水平。

4 結論

綜上所述，分析多相流計量裝置在海上平臺中的實踐應用，必須深刻理解多相流計量裝置的工作原理和技術特征。如此才能在實踐中，查找影響海上平臺油井計量準確的影響因素，進而提出有效的控制措施，對于多相流計量裝置更好服務于海上平臺有重要的參考價值和實踐意義。