測井中油氣水多相流電磁相關(guān)法流量測量模型研究

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)時反映油井生產(chǎn)動態(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直接安裝在油氣水流體流動管線上，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)、在線和自動計量的計量方法。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，計量三種流體的流量。該種計量系統(tǒng)的重量和體積都很大，無法應(yīng)用于石油生產(chǎn)測井中，且計量方法為人工操作，計量時間短，隨意性大，實(shí)時性差，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)計量，人為因素造成的誤差難以消除。蘭州海默的MFM2O00多相流量計，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，可采用轉(zhuǎn)子流量計測定總流量。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]，但各種流量計都反映出不同的問題。比如渦輪流量計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引起渦輪轉(zhuǎn)速發(fā)生很大變化(測量結(jié)果變化)[5-6]。科里奧利質(zhì)量流量計雖可以實(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。超聲流量計屬無阻礙流量計，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]，且超聲流量計也不適合應(yīng)用于井下狹小空間環(huán)境中。

電磁流量計是根據(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，流體的流動看成導(dǎo)體做切割磁力線運(yùn)動。它可以在層流、紊流、脈動流量以及產(chǎn)生流線振動等情況下對流體進(jìn)行流量測量[10]。傳統(tǒng)單相流電磁流量計一方面在管道中無阻礙流動部件，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，電磁流量計勵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，流量計測量結(jié)果擾動性大，使得流量計計量誤差增加，尤其在被測量流體流動速度較慢時，傳統(tǒng)電磁流量計測量誤差更大。

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量渦輪流量計無法測量的出砂井油水兩相流流量，但一定程度上會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個電磁流量計對應(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，但是采用兩個電磁流量計測量信號構(gòu)建相關(guān)法流量測量裝置測量油氣水多相流時，一方面兩個電磁流量計勵磁結(jié)構(gòu)的兩對勵磁線圈容易相互干擾，另一方面這種裝置兩流量計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在低速測量時，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，將測量信號與延時半個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，使電磁流量計在低速或者在低信噪比的情況下測量時，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[23]，相關(guān)運(yùn)算的對象一個是從傳感器上獲取的含有噪聲的流量信號，另一個是由系統(tǒng)生成的和流量信號同頻的方波信號，相關(guān)法結(jié)合電磁流量計的研究使得傳統(tǒng)單相流量計測量下限擴(kuò)展。但這些研究是建立在傳統(tǒng)電磁流量計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)單相流電磁流量計時，流量計檢測電極獲取的多相流流動信號波動性大，對傳統(tǒng)電磁流量計的測量信號與其延時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，通過相關(guān)法對測量信號處理計算進(jìn)而獲得多相流流體速度與流量。

由于多相流流動是一種復(fù)雜的多變量隨機(jī)流動過程，當(dāng)多相流中非導(dǎo)體相含量增加時，檢測電極測量信號波動性增加，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，同時該流量計很大程度上擴(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，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寬廣，同時擴(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