王月明，孔令富，劉興斌，李英偉，張玉輝

(1．內(nèi)蒙古科技大學(xué)數(shù)理生學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010；2．燕山大學(xué)信息工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；3．大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江大慶 163453)

0 引言

在國內(nèi)石油生產(chǎn)工業(yè)領(lǐng)域，隨著陸上油田進(jìn)入高含水期開采階段，油田技術(shù)部門一直在尋求能在線測量油氣水多相流的流量，保證流量測量精度高且范圍寬、測量工藝簡單、能連續(xù)測量、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、實(shí)時(shí)反映油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)流量的測量裝置[1]。油氣水多相流流量測量技術(shù)是將一種多相流流量計(jì)直接安裝在油氣水流體流動(dòng)管線上，采用先進(jìn)的測量技術(shù)，對油、氣、水三相在不分離情況下進(jìn)行連續(xù)、在線和自動(dòng)計(jì)量的計(jì)量方法。由于國內(nèi)石油生產(chǎn)現(xiàn)狀所致，我國油氣水多相流生產(chǎn)測井技術(shù)領(lǐng)先于其他國家，但就目前的研究情況看還沒有應(yīng)用于生產(chǎn)測井并取得良好效果的多相流流量計(jì)量裝置。文中在分析討論油氣水多相流流量測量現(xiàn)狀及其應(yīng)用于測井環(huán)境中存在問題的情況下，提出一種新型的應(yīng)用于生產(chǎn)測井的油氣水多相流流量測量模型——電磁相關(guān)法流量測量模型。

1 現(xiàn)有油氣水多相流測量方法應(yīng)用生產(chǎn)測井存在問題

1．1地面多相流流量測量

傳統(tǒng)的油氣水多相流計(jì)量方法是把生產(chǎn)油井產(chǎn)液送入三相分離器[2]，由分離器將其分成油、氣、水三相，通過安裝在分離器各相出口管線上的流量計(jì)，計(jì)量三種流體的流量。該種計(jì)量系統(tǒng)的重量和體積都很大，無法應(yīng)用于石油生產(chǎn)測井中，且計(jì)量方法為人工操作，計(jì)量時(shí)間短，隨意性大，實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)計(jì)量，人為因素造成的誤差難以消除。蘭州海默的MFM2O00多相流量計(jì)，采用單能γ射線互相關(guān)法測定各相流速，雙能γ射線相分率儀測定含水率和含氣率[3]。低含氣率時(shí)，可采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測定總流量。該種儀器具有一定放射性，且需一定的測量空間，不適合生產(chǎn)測井方面。其他應(yīng)用于地面多相流流量測量儀器各有應(yīng)用特點(diǎn)，但一般來說應(yīng)用地面的油氣水多相流儀器占用空間較大，不適合應(yīng)用于狹小空間下生產(chǎn)測井工藝。

1．2單向流流量測量方法應(yīng)用測井多相流測量

在石油生產(chǎn)部分領(lǐng)域中，由于目前尚沒有專門適合的多相流流量測量儀器設(shè)備，為了測量油氣水多相流，人們把一些單相流流量儀表應(yīng)用于油氣水多相流的流量測量之中[4-8]，但各種流量計(jì)都反映出不同的問題。比如渦輪流量計(jì)因多相流流體中的少量固體物質(zhì)易使渦輪轉(zhuǎn)速降低，甚至使渦輪停轉(zhuǎn)，且多相流流體的密度變化會(huì)引起渦輪轉(zhuǎn)速發(fā)生很大變化(測量結(jié)果變化)[5-6]?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)雖可以實(shí)現(xiàn)液液兩相流測量，但成本高，使用維護(hù)不方便[7]，且其構(gòu)造也不適合石油生產(chǎn)測井方面的測量。超聲流量計(jì)屬無阻礙流量計(jì)，無壓損、測量流量范圍大，且可測全部流體介質(zhì)，但這種流量計(jì)對管道內(nèi)流速分布很敏感，需較長的前置直管段才能維持特性不偏移，多聲道矩陣布置可以克服該缺點(diǎn)，但至今尚在研究階段[8]，且超聲流量計(jì)也不適合應(yīng)用于井下狹小空間環(huán)境中。

電磁流量計(jì)是根據(jù)電磁感應(yīng)定律來測量導(dǎo)電性液體流量的儀表[9]，宏觀上把導(dǎo)電液體看成導(dǎo)體，流體的流動(dòng)看成導(dǎo)體做切割磁力線運(yùn)動(dòng)。它可以在層流、紊流、脈動(dòng)流量以及產(chǎn)生流線振動(dòng)等情況下對流體進(jìn)行流量測量[10]。傳統(tǒng)單相流電磁流量計(jì)一方面在管道中無阻礙流動(dòng)部件，維護(hù)方便，結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍較寬廣，使用可靠；另一方面，電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈可制作成馬鞍狀安裝在流體測量管壁上，使其可以應(yīng)用在狹小空間的流量測量中[11]。近年來傳統(tǒng)的單相流電磁流量計(jì)已開始應(yīng)用于高含水率多相流流量測量，特別在高含水油田注水井、注聚井的注入剖面測井中應(yīng)用更為廣泛，例如電磁流量計(jì)已應(yīng)用于井下高含水率油氣水多相流流量測量[12]，并能提高測井成功率[13]。但是傳統(tǒng)單相流電磁流量計(jì)在生產(chǎn)測井方面也存在明顯不足：傳統(tǒng)單相流電磁流量計(jì)在測量含水率較低多相流，即流體中非導(dǎo)電物質(zhì)等含量較高時(shí)，流量計(jì)測量結(jié)果擾動(dòng)性大，使得流量計(jì)計(jì)量誤差增加，尤其在被測量流體流動(dòng)速度較慢時(shí)，傳統(tǒng)電磁流量計(jì)測量誤差更大。

1．3相關(guān)法測量方法應(yīng)用測井多相流測量

在相關(guān)法測量技術(shù)應(yīng)用于油氣水多相流流速、流量測量方面：劉興斌首次提出了基于電導(dǎo)傳感器測量高含水油井流量和含水率的方法，并成功研制了電導(dǎo)相關(guān)測井儀器[14]。燕山大學(xué)孔令富、李英偉對電導(dǎo)傳感器的油水兩相流測量方法進(jìn)行了研究[15]，目前，電導(dǎo)式傳感器作為油氣水多相流持水率測量儀成功地應(yīng)用于石油生產(chǎn)測井中，在石油生產(chǎn)測井中電導(dǎo)式相關(guān)流量傳感器也可以計(jì)量渦輪流量計(jì)無法測量的出砂井油水兩相流流量，但一定程度上會(huì)受到適用范圍的限制[16]。大慶油田劉興斌、趙娜等將熱示蹤法應(yīng)用于低產(chǎn)液水平井井下油水兩相流流量測量[17]，可以較好地解決流體粘附問題，但是熱示蹤方法只能對較低流速下的流體流量進(jìn)行測量，且測量精度與放熱時(shí)間、流體速度等因素都有關(guān)系。賀貞貞、田野等人對電容傳感器的相關(guān)流量測量技術(shù)進(jìn)行了研究[18-19]，但是該技術(shù)對多相流流量測量效果并不理想，與實(shí)際流體流量有較大偏差，就目前研究情況來看尚不能將電容傳感器相關(guān)法測量油氣水多相流流量應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。

2 電磁相關(guān)法流量測量模型

2．1電磁與相關(guān)法結(jié)合流量測量研究

在電磁流量計(jì)與相關(guān)法測量技術(shù)結(jié)合研究方面：Adamovskii L A等使用2個(gè)電磁流量計(jì)對應(yīng)用于大型核設(shè)施的鈉冷卻劑的測量信號進(jìn)行相關(guān)法運(yùn)算，獲取鈉冷卻劑的流速，以控制鈉冷卻劑投放情況[20]。這一裝置結(jié)合了電磁流量計(jì)與相關(guān)法解決液態(tài)鈉流體的流量測量問題，但是采用兩個(gè)電磁流量計(jì)測量信號構(gòu)建相關(guān)法流量測量裝置測量油氣水多相流時(shí)，一方面兩個(gè)電磁流量計(jì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的兩對勵(lì)磁線圈容易相互干擾，另一方面這種裝置兩流量計(jì)的測量電極相距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致這種裝置難以用來測量復(fù)雜多變的油氣水多相流流體流量。Inada Yutaka結(jié)合電磁流量計(jì)與相關(guān)法測量原理申請了一項(xiàng)日本專利，采用一對檢測電極獲取測量信號并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算以提高流體流量測量精度[21]；李小京等針對電磁流量計(jì)在低速測量時(shí)，信號被噪聲淹沒不能準(zhǔn)確測量的問題，引入了相關(guān)檢測算法，將測量信號與延時(shí)半個(gè)周期后的測量信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，濾掉了噪聲干擾，提高了信號的信噪比，使電磁流量計(jì)在低速或者在低信噪比的情況下測量時(shí)，性能有較大改善[22]；浙江大學(xué)張宏建、管軍將相關(guān)檢測技術(shù)引入電磁流量計(jì)[23]，相關(guān)運(yùn)算的對象一個(gè)是從傳感器上獲取的含有噪聲的流量信號，另一個(gè)是由系統(tǒng)生成的和流量信號同頻的方波信號，相關(guān)法結(jié)合電磁流量計(jì)的研究使得傳統(tǒng)單相流量計(jì)測量下限擴(kuò)展。但這些研究是建立在傳統(tǒng)電磁流量計(jì)測量單相流流量情況下的，并沒有涉及多相流流量測量。當(dāng)油氣水多相流流經(jīng)傳統(tǒng)單相流電磁流量計(jì)時(shí)，流量計(jì)檢測電極獲取的多相流流動(dòng)信號波動(dòng)性大，對傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的測量信號與其延時(shí)信號或與其同頻的方波信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并不能有效地獲取多相流流體速度，也就是說簡單地將傳統(tǒng)電磁流量計(jì)結(jié)合相關(guān)法運(yùn)算不能很好地解決油氣水多相流的流量測量問題。

2．2油氣水多相流電磁相關(guān)法測量模型

為了解決生產(chǎn)測井中的油氣水多相流流量測量問題，提出一種油氣水多相流電磁相關(guān)法流量測量模型，如圖1所示為電磁相關(guān)法流量測量模型，圖1(a)為電磁相關(guān)法流量測量模型圖，電磁相關(guān)法流量由勵(lì)磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁場，兩對檢測電極不是在測量管同一徑向截面，而是在測量管同一軸向截面上。電磁相關(guān)法流量測量模型電極剖切平面的剖視圖如圖1(b)所示，其中A1與C1構(gòu)成一對檢測電極，A2與C2構(gòu)成另一對檢測電極，兩對檢測電極處于同一勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的較均勻磁場中且相距適當(dāng)距離，多相流流量可通過兩對檢測電極的測量信號進(jìn)行相關(guān)法獲取。

該測量方法是在兩對檢測電極相距適當(dāng)?shù)木嚯xL(多相流中各相間滑脫速度微小，可忽略)的情況下測量多相流流量，利用多相流流體內(nèi)部非導(dǎo)電相(如油相、氣相)等自然產(chǎn)生的隨機(jī)流動(dòng)對電磁相關(guān)法傳感器管道上下游流體測量信號造成擾動(dòng)，通過相關(guān)法對測量信號處理計(jì)算進(jìn)而獲得多相流流體速度與流量。

由于多相流流動(dòng)是一種復(fù)雜的多變量隨機(jī)流動(dòng)過程，當(dāng)多相流中非導(dǎo)體相含量增加時(shí)，檢測電極測量信號波動(dòng)性增加，可由相關(guān)法對流體流量進(jìn)行測量。電磁相關(guān)法流量測量模型可以測量以水為連續(xù)相的兩相流或多相流流量，同時(shí)該流量計(jì)很大程度上擴(kuò)展了油氣水多相流流量測量中油氣含率的量程范圍，而且保持較高的測量精度。在流體中非導(dǎo)電體含量較少時(shí)或在流體為高流速(一定非導(dǎo)電體含量)情況下，兩對檢測電極檢測信號相關(guān)性較差時(shí)，可用電磁流量測量方法對流體流量進(jìn)行測量。綜上所述：電磁相關(guān)法流量測量模型融合了電磁流量測量信息與相關(guān)法流量測量信息，使其流量測量范圍較其他相關(guān)法流量傳感器與傳統(tǒng)使用于生產(chǎn)測井中井下集流式電磁流量計(jì)寬廣，同時(shí)擴(kuò)展了電磁流量測量法流體中油氣含率的量程范圍。

(a) 電磁相關(guān)法流量測量模型結(jié)構(gòu)圖

(b) 測量模型電極剖切平面的剖視圖

目前，在石油生產(chǎn)測井領(lǐng)域，關(guān)于油氣水多相流中測量持水率、持氣率均有成熟或接近成熟的相應(yīng)技術(shù)支持，因而實(shí)際準(zhǔn)確測量井下油氣水多相流各相含量的瓶頸技術(shù)是獲取油氣水多相流總流量，但井下油氣水多相流流量準(zhǔn)確測量依舊是未能很好解決的實(shí)際問題。電磁相關(guān)法流量測量方法是一種創(chuàng)新性的多相流流量測量方法，電磁相關(guān)法流量測量方法及其技術(shù)研究可解決石油生產(chǎn)測井中油氣水多相流流量測量問題，并最終能提高石油采收率。

3 結(jié)束語

文中首先介紹了油氣水多相流流量測量的應(yīng)用背景，然后分析了油氣水多相流流量測量現(xiàn)狀應(yīng)用情況及其測量方法應(yīng)用于生產(chǎn)測井中存在的問題，并對電磁與相關(guān)法結(jié)合流量測量方面現(xiàn)狀進(jìn)行討論，最后提出電磁相關(guān)法油氣水多相流流量測量模型，為油氣水多相流流量測量提供一種新的解決方案與辦法。所提出的方法主要針對石油生產(chǎn)測井狹小空間環(huán)境下的油氣水多相流流量測量問題，該測量模型的應(yīng)用將會(huì)擴(kuò)大生產(chǎn)測井中多相流油氣含率的量程范圍并提高流量測量范圍，且具有連續(xù)測量、無放射性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，該油氣水多相流測量方法對其他環(huán)境下的多相流電磁相關(guān)法流量測量也有良好的借鑒價(jià)值。

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作者簡介：王月明(1978—)，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚砑夹g(shù)，多相流檢測技術(shù)。E-mail：wym_20017@imust．cn