面向油氣田監(jiān)測的虛擬計量系統(tǒng)的設計與應用?

卜華偉

1 引言

單井產(chǎn)量的連續(xù)監(jiān)測以及在多層完井情況下對單層產(chǎn)量的連續(xù)監(jiān)測是油氣田生產(chǎn)分配和優(yōu)化的強制性要求［1］。基于一個簡單的、可靠的計量分配系統(tǒng)為單一油井提供石油、水和天然氣的實時流量數(shù)據(jù)，這是所有油田生產(chǎn)管理者所期望的。通常的做法是為每一個生產(chǎn)井安裝一個多相流量計，由現(xiàn)場操作人員通過使用基于多相流量計的流量分配系統(tǒng)完成單井或單層井油氣田的產(chǎn)量計量以及對含水率、油氣比等參數(shù)可能變化檢測［2～3］。但是由于多相流量計的成本較高，并且在可靠性和可操作性方面也有一定的局限，因此虛擬計量系統(tǒng)開始得到廣泛的關注［4～5］。

虛擬計量系統(tǒng)利用油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)上的正常工藝信號，如壓力、溫度、流量控制閥開啟度等，在給定的碳氫化合物組成的基礎上，假定各相流體和氣體之間的流量平衡，經(jīng)過模型計算獲取單井的各項的流量，并且根據(jù)周期性的流體特性進行模型參數(shù)更新［6～7］。

基于虛擬計量的基本原理，本文闡述了一種面向油氣田的虛擬計量系統(tǒng)虛擬的設計原理及其應用實踐。該虛擬計量系統(tǒng)在對單層井或多層井的單層的過程壓力、溫度等參數(shù)進行測量的基礎上，結合模擬扼流圈的臨界和亞臨界流量的模型以及井中多相壓降的模型，通過油氣田總質(zhì)量流量、實際油氣比和含水率的計量，實現(xiàn)了對油氣田的單相流量的準確計量。

2 虛擬計量系統(tǒng)

在油氣田生產(chǎn)分配和優(yōu)化的所有開發(fā)和管理階段，多相流體動力學是一個至關重要的理論工具?；诙嘞嗔黧w動力學的井口和井下閥（扼流性能）的流體動力學模型以及管道中相關的多相線輸送模型是虛擬計量系統(tǒng)得以實現(xiàn)的兩個重要的模型［8～9］。

在虛擬計量系統(tǒng)中實現(xiàn)的多相流分配和優(yōu)化方法是基于對單層或多層井、井口和井下阻塞的流體動力學的高精度預測能力。虛擬計量系統(tǒng)因不同油氣田情況而有所差異，并涉及到不同的流體和儲層［9～10］。

在油氣田中不同的生產(chǎn)流（一般為多相形式）通常來自于多個地層，流過控制閥，并混合在油管中，最終形成產(chǎn)生垂直向井口的混合流體［11］。油氣田井內(nèi)流體動力系統(tǒng)如在圖1所示。

圖1 井內(nèi)流體動力系統(tǒng)概述

圖1 表明了組成井內(nèi)混合流體動力系統(tǒng)的主要流函數(shù)。從圖中能夠看出計量系統(tǒng)需要執(zhí)行的主要虛擬測量有井口和扼流閥門的流動性能測量、管道中的多相流動性能測量。

3 扼流模型

3.1 扼流模型的主要輸入?yún)?shù)

扼流模型主要針對井口和井下閥附近多相流體的流動動力性能。因此該模型的主要輸入?yún)?shù)有基于不可壓縮假設的能量耗散、多相流的可壓縮效應、相間傳質(zhì)以及橫向流相關性。

基于不可壓縮假設的能量耗散效應表現(xiàn)為流動系數(shù)變化趨勢與井下閥門開放度的關系［12］。為了提高這一取值的準確性，應該針對具體的油氣田的產(chǎn)出流體進行相關的數(shù)值實驗進行參數(shù)校正。

可壓縮性效應的參數(shù)取值可以根據(jù)閥門供應商提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)來獲得［13］。

相間傳質(zhì)是基于對多相混合物的正確模擬。一個合適的多相扼流性能模型應該能夠描述臨界和亞臨界流動狀態(tài)?；谏嫌喂?jié)流空隙比例，根據(jù)流體類型的不同相間傳質(zhì)參數(shù)也有所不同［14］。

橫向流相關性是在多相井的生產(chǎn)分配過程，由于下層流體與本層流體之間的交叉流量而產(chǎn)生的影響［15］。

為了考慮限制中的能量消耗，可以使用流量系數(shù)的經(jīng)典定義來描述有流通限制的多相流動。此外，實際的氣體狀態(tài)方程（在本例中為多變的轉換）的實施是強制性的，用以預測能量和動量方程中的氣體和液體物理性質(zhì)。

3.2 扼流模型公式

當油氣比較低時，扼流模型可表示為

當油氣比較低時，扼流模型可表示為

考慮實油氣田實際情況到與理想情況在錯流、不規(guī)則井線面積等方面的偏差，針對上兩個模型對流動面積和流量系數(shù)表征的特定相關性進行修正以更好地捕捉多相流量的性質(zhì)。流量系數(shù)的修改如下：

將模型應用于井下閥的流體動力值的計算，并通過仿真軟件驗證模型計算結果的正確性。井下流量控制閥的流體動力學是復雜的，在水平生產(chǎn)（側向流動）和來自較低水平（軸向流動）的上游流動之間存在交叉流動。這種現(xiàn)象主要引起橫向流動的附加能量消耗，并且測量下游到混合區(qū)域的井下節(jié)流壓力，橫向流動導致實際流量系數(shù)的進一步降低。這個現(xiàn)象的分析已經(jīng)用計算流體動力學模擬器進行。進行給定數(shù)量的模擬，改變軸向和側向流量之間的比率并計算實際的計算動力值。采用Star-CD模擬軟件對一個井下流量控制閥的具有錯流效應扼流模型的仿真結果如圖2所示。

圖2 一個具有錯流效應的扼流模型仿真結果圖

圖2 中使用兩個流的動能之間的比率作為參數(shù)來繪制實際計算動力值和沒有橫流的計算動力值之間的比率。通過仿真結果可以看出，該模型的計算值與實測數(shù)據(jù)有較好的一致性。該模型已經(jīng)在實際油氣田的虛擬計量系統(tǒng)中得到實現(xiàn)，用于多層井的流量分配。

4 管道中的多相流模型

一般來說，油氣田的管道內(nèi)存在多相流，相間的質(zhì)量交換取決于局部壓力和溫度值以及平衡流體數(shù)據(jù)。為了得到關于含水率下降的壓降變化的值，以及為了校準前述的扼流值，在虛擬計量系統(tǒng)設計期間需要使用多相模型。這就要求使用一維、兩（或三）流體模型來進行正確的流模擬。為了簡單起見，本文提出了一種多相流體動力學模型，并與前面的扼流性能模型進行了緊密地結合。為了獲得滿意的流量預測，該多相模型具有以下特性：實現(xiàn)基本平衡方程空間積分的一維雙流體模型；在適當?shù)倪^渡條件下，實現(xiàn)了段塞/氣泡和環(huán)狀/分層流的具體模型；考慮到水流存在的可能性，對液體粘度和密度校正以及液相之間可能發(fā)生的滑移進行校正。

基于從油氣井底到油氣井口或管道井口到達井口油氣分離器，應用經(jīng)典的質(zhì)量、動量、能量平衡方程組得出的多相流動性能模型是：

質(zhì)量守恒方程為

動量守恒方程為

動量守恒方程為

式（5）、式（6）和式（7）耦合成兩個方程組，對每個計算點的單相速度、各相分布以及局部壓力降值進行迭代求解。

溫度計算與主流體動力學模型解耦，在壓降測定得出解?；谏鲜龇匠探M已經(jīng)給出的用以計算系統(tǒng)的各項流量的明確的數(shù)學模型，所以需要對計量分配系統(tǒng)邊界條件進行外部控制，以保證計算前提的一致性，特別是有壓力下降情況下的多相流體計量分配，必須對多相流的總質(zhì)量流量進行明確。

5 虛擬計量系統(tǒng)

利用上述兩個基本模型，對適用于單層和多層井應用的虛擬計量軟件進行推導。下面簡要介紹多相計量工具及其主要特征。

基本上來自井的多相混合物可以完全表征為三個變量：油（或冷凝物）流量、氣體流量和水流量。精確的多相流量計可以提供上述三個流量，其值的精確度取決于實際的壓力和溫度。為了在儲罐條件下獲得相同的數(shù)據(jù)，需要使用平衡數(shù)據(jù)。這方面表明，壓力、體積和溫度數(shù)據(jù)對計量的重大影響是不可避免的。

在計量方法中，需要通過壓力和溫度信號獲得流量的分配，對油氣田中的一些關鍵位置，如井下流量控制閥和井口扼流器的上游和下游等，進行流量記錄。對于單井以及多層情況下的每個層的計量分配過程中的主要未知數(shù)有：總質(zhì)量流量、儲罐體積和實際油氣比以及含水率。

基于對上述三個未知數(shù)進行計算的虛擬計量系統(tǒng)的三個基本模塊有：基于模擬閥門的臨界和次臨界流量的模型計算油氣田總質(zhì)量流量的模塊；基于體積、壓力和溫度數(shù)據(jù)計算油氣比實際值的模塊；基于評估沿井下閥之間和從淺層閥到井口之間的生產(chǎn)管段的多相壓降的模型對含水率進行控制的模塊。

基于總流量、油氣比和含水率就能夠確定實際的標準單相流量，這也是僅基于油井生產(chǎn)過程壓力、溫度測量值的油氣田生產(chǎn)分配工具所必須的數(shù)據(jù)支持。其中，基于對總流量含水率計算的可用性的考慮，需要對單層含水率值進行單獨計算。因此，目前單層含水率值仍然是要提供給系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)。將扼流模型計算出的單層總產(chǎn)量應用到每個井下控制閥，可以對單層含水率和油氣比值的優(yōu)劣進行對比，得出在管道不同位置，例如每個閥門下游和在井口處，具有與油井管道性能相同的流體計算動力值。如果在各種油管壓力傳感器測量值和計算值之間的壓降之間出現(xiàn)預設的不一致，則由虛擬計量軟件向生產(chǎn)操作員提出警報。

虛擬計量系統(tǒng)是完全基于預測算法的，其準確性取決于輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。因此需要執(zhí)行一些以下的操作來提高計量的準確性。

首先，對模型進行初步優(yōu)化。在系統(tǒng)正式運行權，通過采集一系列的油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對用于評價總流量、含水率的模型以及流體數(shù)據(jù)進行測試和校正，以保證系統(tǒng)模型的可靠性。

其次，在虛擬計量系統(tǒng)正常運行過程中，如果與油氣田的整體生產(chǎn)有關的在線或離線流量測量是可用的，則可通過一個基于總流量測量的簡單的歸一化過程對虛擬計量方法所提供的單層生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行修正。

最后，如果模型計算出的IPR數(shù)據(jù)可用，則上游井下控制閥壓力可用于額外估計單層總流量。由扼流和流入性能得出的估算值之間的比較可以提高多相流中單相分配數(shù)據(jù)的準確性，并向生產(chǎn)操作員提供有關儲層的附加信息，例如儲層中的泡點、IPR數(shù)據(jù)本身的變化等。

6 應用實踐

基于本文設計的虛擬計量系統(tǒng)應用于某海上油田的十一口油井。該油田產(chǎn)出的氣液流體是具有較寬范圍油氣比值的輕油。系統(tǒng)順利通過試井數(shù)據(jù)驗證，并成功地應用于連接到多相噴射器的井的流量分配。對涉及11口油井的虛擬計量系統(tǒng)進行129次石油產(chǎn)量的計量數(shù)據(jù)記錄，以驗證系統(tǒng)的有效性。測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同油井產(chǎn)量測試數(shù)據(jù)

圖3 顯示了試井操作測量的產(chǎn)油量和基于虛擬計量系統(tǒng)的計算產(chǎn)油量之間的數(shù)值的對比。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，虛擬計量系統(tǒng)的平均誤差為12.5%。

基于虛擬計量系統(tǒng)對某產(chǎn)出為中、高氣液比原油的油田進行流量分配系統(tǒng)的改造。虛擬計量系統(tǒng)直接從該油田的測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中讀取各種信號。在虛擬計量系統(tǒng)，基于測試數(shù)據(jù)對扼流模型的周期性誤差進行了校正。對經(jīng)過改造的4口井的虛擬計量系統(tǒng)的40次計量數(shù)值進行記錄，并與實際產(chǎn)油量進行對比，以驗證虛擬計量系統(tǒng)的有效性。測試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 不同閥門開啟度的油產(chǎn)量測試數(shù)據(jù)

圖4 對試油操作中的產(chǎn)油量和虛擬計量分配系統(tǒng)計算產(chǎn)油量進行了比較。由圖中的數(shù)據(jù)可以看出，虛擬計量系統(tǒng)的平均計量誤差為3%。

由上述測試可以得出油井的虛擬計量模型計算產(chǎn)油量與試油測試的實際產(chǎn)油量結果十分接近，平均誤差能夠滿足生產(chǎn)要求。為了進一步測試虛擬計量對管道中流體壓力的計量準確性，將使用經(jīng)過驗證的計量軟件生成的模擬數(shù)據(jù)與虛擬計量系統(tǒng)中提供的計算數(shù)值進行比較。比較結果如圖5所示。

測試數(shù)據(jù)參照由計量系統(tǒng)給出的沿著油管柱的壓力差，即在閥門和下一個之間的壓差。不考慮含水率的壓力計量值的對比如圖5（a）所示。虛擬計量系統(tǒng)相對測量值的平均誤差約為3.5%。在考慮含水率的虛擬計量系統(tǒng)給出計算結果相對測量值的對比誤差如圖5（b）所示。在這種情況下觀察到的平均誤差是2.4%。

圖5 管道壓力計量測試數(shù)據(jù)

7 結語

本文介紹了一種基于耦合扼流模型和多相模型的虛擬計量系統(tǒng)的設計。其中這兩種性能模型在單層和多層井的生產(chǎn)計量具有良好的精度。通過應用實踐表明了虛擬計量系統(tǒng)的平均誤差可以通過耦合兩種性能模型，并在對IPR，壓力和溫度等邊界數(shù)據(jù)準確測量的基礎上得到有效控制。因此基于虛擬計量系統(tǒng)的多相流量分配軟件，能夠提供與多相流量計相當?shù)木鹊膶嶋H和標準的多相流體（油、氣和水）流量。

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