油氣多相流磁共振在線檢測(cè)方法及裝置

鄧峰，熊春明，陳詩(shī)雯，陳冠宏，王夢(mèng)穎，劉化冰，張建軍，雷群，曹剛，徐東平，陶冶，肖立志

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.北京青檬艾柯科技有限公司，北京 100089；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

0 引言

目前，油氣井及管道多相流的在線、定量檢測(cè)已成為業(yè)界共同關(guān)注的難題[1]，尚無(wú)可靠技術(shù)能夠在不經(jīng)過(guò)油、氣、水三相分離的前提下準(zhǔn)確測(cè)量多相流各組分流量。傳統(tǒng)的三相分離測(cè)量方法（玻璃管量油、翻斗量油等）效率低、成本高、占地大、數(shù)據(jù)延遲等問(wèn)題突出，且無(wú)法反映井口真實(shí)瞬態(tài)產(chǎn)液特征。近年來(lái)，多相流在線測(cè)量技術(shù)及儀器[2-15]得到廣泛關(guān)注并逐步發(fā)展，利用該技術(shù)，井口采出流體可在未經(jīng)穩(wěn)定、分離及全工藝處理等過(guò)程前就在線完成流量計(jì)量，最小化人為因素影響，真實(shí)反映井口流體的瞬態(tài)性能，對(duì)油藏精細(xì)管理、生產(chǎn)分配優(yōu)化及井口測(cè)試等有重要意義。但是，現(xiàn)有的多相流檢測(cè)技術(shù)仍然存在一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，包括儀器標(biāo)定困難、具有放射性、適用范圍有限、解釋處理模型復(fù)雜、維護(hù)成本高等。此外，隨著非常規(guī)油氣資源開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大及非常規(guī)油氣井?dāng)?shù)量的逐年增多，多相流計(jì)量需面對(duì)更多的高含氣、高含水、高黏度、高礦化度產(chǎn)出液，這些因素的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致現(xiàn)有流量計(jì)的測(cè)量誤差呈指數(shù)上升，甚至出現(xiàn)無(wú)法計(jì)量的情況。因此，有必要尋求準(zhǔn)確、可靠、能滿足油氣生產(chǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)需求的多相流檢測(cè)裝置和方法。

磁共振（MR）技術(shù)作為一種綠色、高效、準(zhǔn)確的油氣檢測(cè)方法，經(jīng)過(guò)多年的探索與實(shí)踐，在油氣儲(chǔ)集層測(cè)井評(píng)價(jià)[16]及室內(nèi)巖石物理研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。MR技術(shù)可通過(guò)獲取儲(chǔ)集層流體分子尺度的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的定性/定量評(píng)價(jià)[17]，獨(dú)特的測(cè)量原理及方式?jīng)Q定了其理論上具備同時(shí)測(cè)量多相流的流量和相含率的能力，即實(shí)現(xiàn)多相流在線檢測(cè)的潛力巨大。但是，油氣井和管道多相流受到流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和惡劣工作環(huán)境的顯著影響[18-21]，使得現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室MR技術(shù)和儀器難以直接應(yīng)用到油氣井和管道多相流定量檢測(cè)中，需要研究新方法，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出MR多相流在線檢測(cè)方法，形成硬件裝置，并開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 理論及方法

1.1 多相流計(jì)量

油氣多相流量計(jì)的主要功能就是在不進(jìn)行三相分離的前提下測(cè)量油、氣、水三相的流量。多相流量計(jì)量問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是各相瞬時(shí)流速（氣相vg、水相vw和油相vo）、體積分?jǐn)?shù)（氣相α、水相β和油相γ）和密度（氣相ρg、水相ρw和油相ρo）的檢測(cè)問(wèn)題。

多相流體積流量表達(dá)式為：

由于α+β+γ=1，（1）式可改寫(xiě)為：

由（2）式可以看出，為求得多相流體積流量，有5個(gè)未知數(shù)待測(cè)量。

在進(jìn)行質(zhì)量流量計(jì)算時(shí)，需額外考慮不同組分密度的影響，表達(dá)式為：

此時(shí)未知數(shù)增加到了8個(gè)，測(cè)量難度很大。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，油、氣、水三相的密度往往可在其他生產(chǎn)流程中測(cè)量出來(lái)，所以質(zhì)量流量的計(jì)量和體積流量一樣，實(shí)際上是各相流速和相含率（通常選擇含油率和含氣率）的測(cè)量。目前，針對(duì)質(zhì)量流量探測(cè)的多相流量計(jì)還沒(méi)有商業(yè)化應(yīng)用實(shí)例?，F(xiàn)有的商業(yè)化多相流量計(jì)均檢測(cè)體積流量，本文所述的MR流量檢測(cè)技術(shù)也針對(duì)體積流量進(jìn)行檢測(cè)。

“流速測(cè)量+相含率測(cè)量”的計(jì)量方式是目前世界上商業(yè)化多相流量計(jì)普遍采用的計(jì)量方式。不同之處在于，MR技術(shù)可同時(shí)進(jìn)行流速和相含率的測(cè)量，而其他多相流量計(jì)需要采用不同技術(shù)“串聯(lián)”的方式完成二者的測(cè)量，例如流速測(cè)量多采用文丘里、科氏力、互相關(guān)等技術(shù)，相含率測(cè)量多采用伽馬能譜、電阻率等技術(shù)。而采用單一技術(shù)完成多相流量計(jì)量的優(yōu)勢(shì)包括只需要單一探頭、數(shù)據(jù)銜接性好、裝置易于維護(hù)等。

1.2 MR多相流流速測(cè)量

運(yùn)用MR技術(shù)對(duì)流動(dòng)流體進(jìn)行在線連續(xù)測(cè)量要求MR儀器探頭在與被測(cè)流體之間保持連續(xù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)完成測(cè)量。與傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量不同的是，流動(dòng)狀態(tài)對(duì)MR測(cè)量的影響明顯（如圖1所示），MR技術(shù)在油氣井多相流在線檢測(cè)方面的應(yīng)用需解決3個(gè)全新的科學(xué)問(wèn)題：①流動(dòng)速度對(duì)多相流磁化效率的影響；②流動(dòng)速度對(duì)磁共振回波信號(hào)采集的影響；③MR多相流流量測(cè)量及解釋問(wèn)題。

圖1 流動(dòng)狀態(tài)下的MR測(cè)量示意圖

流動(dòng)速度對(duì)MR測(cè)量的影響會(huì)從原子核磁化矢量的變化反映出來(lái)。Bloch方程[22]給出了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中原子核磁化矢量沿靜磁場(chǎng)方向上的縱向分量Mz以及橫向分量Mx、My隨時(shí)間變化的關(guān)系：

以Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列的測(cè)量為例，假設(shè)流體是由i種組分組成的混合流體，在磁化過(guò)程和回波采集過(guò)程中的信號(hào)幅值可由Bloch方程推導(dǎo)如下：

MR測(cè)量包括樣品磁化和回波采集兩個(gè)過(guò)程。在樣品磁化過(guò)程中，流體進(jìn)入探頭后先流經(jīng)磁體進(jìn)行預(yù)磁化。如果流體流速很快，磁體長(zhǎng)度有限，往往未充分磁化（Tw＜4T1）就已流入天線探測(cè)區(qū)域，則會(huì)產(chǎn)生“欠磁化”現(xiàn)象。在這種情況下，X的表達(dá)式為：

以牛頓流體圓管層流為分析對(duì)象，流體在泵壓的驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)，根據(jù)流體力學(xué)：

需要注意的是，不同流態(tài)下的流速分布函數(shù)不同[23-26]，這里不再逐一列出。流體流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致回波串的首幅值與靜止測(cè)量時(shí)相比偏低，且流速越快首幅值降低幅度越大。在實(shí)際應(yīng)用中，回波串幅值的降低意味著信噪比[27-31]的下降，為了保證較高的信噪比，提高測(cè)量精度，期望多相流的預(yù)磁化時(shí)間越長(zhǎng)越好，這也是影響流量測(cè)量上限的決定性參數(shù)之一。

流量測(cè)量過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)“過(guò)磁化”現(xiàn)象。在一些對(duì)測(cè)量頻率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中（流態(tài)、流量或組分含量變化頻繁），兩次回波串測(cè)量間隔很短，設(shè)定的Tw較短（Tw＜4T1）。在這種情況下，天線所采集到的實(shí)際上是經(jīng)磁體磁化后進(jìn)入天線的樣品和天線內(nèi)正在進(jìn)行磁化的樣品兩部分磁化強(qiáng)度的和：

此時(shí)X的表達(dá)式為：

回波采集階段，天線采集到第N個(gè)回波的時(shí)候已經(jīng)有一部分經(jīng)90°脈沖扳轉(zhuǎn)的磁化矢量離開(kāi)天線，而90°脈沖后新進(jìn)入天線的那部分樣品由于未被90°脈沖扳轉(zhuǎn)，故無(wú)法采集到回波信號(hào)。Y的表達(dá)式推導(dǎo)如下：

由（13）式可知，流體流動(dòng)造成回波串信號(hào)的額外衰減，且衰減幅度幾乎與流速成正比，可通過(guò)其測(cè)量流速。圖2是流體流動(dòng)造成的采集信號(hào)額外衰減示意圖，靜止?fàn)顟B(tài)下回波串遵循Bloch方程進(jìn)行e指數(shù)衰減（弛豫衰減），而流體流動(dòng)會(huì)在此基礎(chǔ)上造成回波串的額外衰減。

圖2 流動(dòng)對(duì)MR回波采集過(guò)程的影響

由于流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)是回波弛豫衰減和流動(dòng)引起的衰減兩部分的加權(quán)和，為求得流速，需要從回波串信號(hào)中消除正常的回波弛豫衰減，而只保留流動(dòng)引起的衰減。步驟如下：①在流體靜止的狀態(tài)下采集一個(gè)回波串?dāng)?shù)據(jù)Mstatic，并對(duì)這組回波串?dāng)?shù)據(jù)做奇異值分解（SVD）[32]及歸一化處理，得到Mstatic-SVD曲線（見(jiàn)圖3）；②在流動(dòng)狀態(tài)下，采用與靜止?fàn)顟B(tài)下同樣的測(cè)量參數(shù)（回波間隔時(shí)間TE和回波個(gè)數(shù)N）測(cè)量得到回波串?dāng)?shù)據(jù)Mflow，做SVD及歸一化處理，得到Mflow-SVD曲線（見(jiàn)圖3）；③將Mflow-SVD除以1-Mstatic-SVD以消除回波弛豫衰減，得到Mflow-SVD-SC曲線（見(jiàn)圖3），該曲線就是流動(dòng)造成衰減的回波串?dāng)M合曲線。對(duì)Mflow-SVD-SC曲線進(jìn)行線性擬合，得到直線Mflow-SVD-SC=1-v/A，即可直接計(jì)算得到平均流速v。

圖3 流速測(cè)量方法各步驟所得曲線示意圖

需要指出的是，實(shí)驗(yàn)表明，常規(guī)油、氣、水多相流采集得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)，前50 ms的線性度較好，可用于計(jì)算流速，但對(duì)于高黏度采出液，這一時(shí)間應(yīng)該更短。另外，之所以選擇對(duì)采集得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行SVD處理后再校正，而不直接對(duì)原始回波串進(jìn)行操作，是因?yàn)镾VD后的回波串?dāng)?shù)據(jù)的噪聲已得到抑制，所以采用這種方法重構(gòu)回波串?dāng)?shù)據(jù)不會(huì)造成噪聲的額外放大。另外，流速越小，流體磁化矢量自由衰減對(duì)流速測(cè)量的影響越不能忽視，需要校正。該方法應(yīng)用需要采集一個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)下的流體回波串信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)方法將在后文詳細(xì)說(shuō)明。

1.3 MR相含率檢測(cè)

依靠弛豫時(shí)間（T2或T1）進(jìn)行流體組分定量分析的MR技術(shù)被稱為一維MR技術(shù)，測(cè)量方法分別為CPMG脈沖序列和“反轉(zhuǎn)恢復(fù)”脈沖序列。獲取流體T2信息的CPMG脈沖序列較獲取流體T1信息的“反轉(zhuǎn)恢復(fù)”脈沖序列耗時(shí)更短，應(yīng)用于流量計(jì)量這類具有時(shí)間依賴性的工業(yè)在線測(cè)量環(huán)境中更具優(yōu)勢(shì)。但是，單次T2測(cè)量的時(shí)間往往在0.5～5.0 min，顯然不適合在流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量，因此需要借助其他手段，使管道內(nèi)的多相流在相含率測(cè)量階段暫時(shí)保持靜止。

通常情況下，多相流中油相的T2最短，水相次之，天然氣的T2最長(zhǎng)，理論上從T2譜上就可以對(duì)三者進(jìn)行區(qū)分，但實(shí)際情況是氣相信號(hào)非常微弱，且受管道壓力影響，很難直接計(jì)量。本文提出一種先計(jì)量油水比再計(jì)量含氣率的方法，實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相相含率的測(cè)量。

油水比可以直接利用圖4所示的T2譜上油峰和水峰的面積計(jì)算得到：

由于水的含氫指數(shù)為1，（14）式中沒(méi)有體現(xiàn)，而油的含氫指數(shù)Ho需要依靠室內(nèi)刻度實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到：采集同等體積的純油和純水樣品，放置于MR探頭內(nèi)采集自由衰減信號(hào)（FID），二者信號(hào)幅值之比就是Ho。

圖4 多相流T2譜示例

由于氣體的含氫指數(shù)較低，MR信號(hào)較弱，容易被噪聲淹沒(méi)，尤其當(dāng)管內(nèi)壓力較低時(shí)（小于1 MPa），幾乎無(wú)法采集到氣相信號(hào)。因此，本文提出一種推導(dǎo)法計(jì)算含氣率，而不直接測(cè)量。

首先，對(duì)于油氣井及管道多相流，始終滿足以下關(guān)系：

假設(shè)被測(cè)多相流不含氣相，采集得到的回波串首幅值為：

實(shí)際測(cè)量采集得到的回波串首幅值Mm是已知數(shù)，且有如下關(guān)系式：

（17）式中Mpg是管道內(nèi)全部是氣相時(shí)采集得到的信號(hào)幅值，該參數(shù)與管內(nèi)壓力相關(guān)，準(zhǔn)確測(cè)量難度較大。針對(duì)這一問(wèn)題，采用濾除氣相信號(hào)的方法，即在CPMG脈沖序列前加1個(gè)3～5倍于回波間隔時(shí)間的間隔時(shí)間，這樣氣相信號(hào)會(huì)快速衰減，采集得到的回波串首幅值將不包含氣相的貢獻(xiàn)，反演的T2譜也將沒(méi)有氣相的譜峰，即：

聯(lián)立（14）式—（18）式，即可求得含氣率Ag。

值得注意的是，實(shí)際測(cè)量時(shí)有時(shí)會(huì)遇到多相流中氣相不僅有烴類氣體，還包含二氧化碳、硫化氫、空氣（非滿管流）等氣體的情況，采用上述方法無(wú)法區(qū)分每種氣體的具體含量，此時(shí)若需準(zhǔn)確計(jì)量烴類氣體含量，可采用對(duì)管道加壓（大于1 MPa）直接測(cè)量氣相T2譜的方法實(shí)現(xiàn)。

需要指出的是，用于相含率測(cè)量的MR弛豫時(shí)間信息，還可直接應(yīng)用于流體性質(zhì)（如黏度、分子鏈長(zhǎng)、重度、含氫指數(shù)等）檢測(cè)而不需要額外的測(cè)量工序。

2 裝置研制

多相流MR在線檢測(cè)系統(tǒng)（MRMF）如圖5所示，主體包含MR探頭、譜儀、閥門(mén)組及管匯幾個(gè)部分。其中MR探頭由鋁合金外殼、磁體及骨架、天線、流體管、溫控系統(tǒng)、隔熱防爆層等組件構(gòu)成，為MR測(cè)量提供必要的靜磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)環(huán)境；譜儀包含電子線路和上位機(jī)軟件2個(gè)部分，電子線路主要功能是控制天線射頻脈沖的發(fā)射和回波信號(hào)的接收及處理，同時(shí)具備磁體溫控、閥門(mén)控制等功能，上位機(jī)軟件用于人機(jī)交互，主要功能包括邏輯控制參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)處理及解釋、數(shù)據(jù)及曲線顯示等；閥門(mén)組及管匯用于實(shí)現(xiàn)“靜止?fàn)顟B(tài)相含率測(cè)量”和“流動(dòng)狀態(tài)流速測(cè)量”2個(gè)模式的切換。

圖5 多相流MR在線檢測(cè)系統(tǒng)

由于MRMF的應(yīng)用環(huán)境是油氣田現(xiàn)場(chǎng)，相比于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的常規(guī)MR儀器，需額外考慮防護(hù)、防爆、環(huán)境適應(yīng)性等一系列問(wèn)題。MRMF的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)如表1所示。

2.1 MR探頭

多相流各相流速及流態(tài)的不斷變化對(duì)MRMF的精確性、可靠性、時(shí)效性等提出了非常苛刻的要求。MRMF的探頭經(jīng)特殊設(shè)計(jì)而成，較傳統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量核磁共振儀器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。MR探頭的核心組件為磁體和天線，分別用于產(chǎn)生靜磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)。

表1 MRMF主要設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)

MR探頭利用永磁材料提供所需的靜磁場(chǎng)。磁體橫截面采用Halbach結(jié)構(gòu)[33-34]，用于在探頭內(nèi)部形成一個(gè)均勻磁場(chǎng)區(qū)域，同時(shí)利用該結(jié)構(gòu)“零漏磁”的優(yōu)勢(shì)，提升MRMF現(xiàn)場(chǎng)使用的安全性。磁體軸向上采用多段式結(jié)構(gòu)，分為預(yù)磁化區(qū)域和探測(cè)區(qū)域兩部分（見(jiàn)圖6）。設(shè)計(jì)預(yù)磁化區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度略高于探測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)多相流的快速磁化，探頭磁場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 磁體結(jié)構(gòu)及軸向磁場(chǎng)分布

天線采用螺線管結(jié)構(gòu)，置于磁體探測(cè)區(qū)域內(nèi)，用于產(chǎn)生射頻場(chǎng)，激發(fā)被測(cè)樣品中的質(zhì)子發(fā)生能級(jí)躍遷，之后接收MR信號(hào)，觀測(cè)MR現(xiàn)象。MRMF采用雙螺線管天線結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖7），其中主天線置于均勻靜磁場(chǎng)區(qū)域，用于采集多相流弛豫信息，而副天線置于均勻梯度靜磁場(chǎng)區(qū)域，用于采集多相流擴(kuò)散信息。

2.2 譜儀

圖7 天線裝配實(shí)物照片

譜儀作為MRMF的重要組成部分，主要完成脈沖序列的時(shí)序生成、探頭控制命令的生成、激勵(lì)天線發(fā)射射頻脈沖和回波信號(hào)的放大及采集等。譜儀可分為電子線路和上位機(jī)軟件兩部分，如圖8所示。

MRMF的譜儀根據(jù)實(shí)際需求，較傳統(tǒng)MR譜儀實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的功能：①控制閥門(mén)組的開(kāi)合以實(shí)現(xiàn)MRMF靜止測(cè)量模式和流動(dòng)測(cè)量模式的切換；②控制磁體溫度；③實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理及解釋智能化，全過(guò)程自動(dòng)化，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守；④開(kāi)發(fā)了基于Web的上位機(jī)軟件，需要時(shí)可通過(guò)手機(jī)、平板電腦等對(duì)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線控制及數(shù)據(jù)傳輸；⑤高度集成，譜儀尺寸為200 mm×170 mm×200 mm。

圖8 譜儀及上位機(jī)軟件實(shí)物照片

2.3 閥門(mén)組及管匯

“靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)相含率、流動(dòng)狀態(tài)測(cè)流速”是MRMF所采用的流量計(jì)量方法，其實(shí)現(xiàn)需要依靠可控閥門(mén)組及相應(yīng)管匯，如圖9所示。MRMF采用了兩個(gè)“T型”閥門(mén)，由譜儀統(tǒng)一控制。實(shí)際安裝時(shí)，兩個(gè)“T型”閥門(mén)的一側(cè)經(jīng)旁路管線短接，另一側(cè)對(duì)接MR探頭內(nèi)流體管，剩下1個(gè)口作為多相流“流入/流出”口，該口通過(guò)軟管與井口采油樹(shù)、輸油管、計(jì)量間或技術(shù)站管匯相連，將待測(cè)多相流導(dǎo)入MRMF。流動(dòng)測(cè)量模式下，多相流全部流過(guò)MR探頭內(nèi)流體管，進(jìn)行流速測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量模式下，多相流全部由支線管道流過(guò)，探頭內(nèi)流體靜止，進(jìn)行相含率測(cè)量。值得注意的是，閥門(mén)及管匯均水平安裝，在水平管流狀態(tài)下測(cè)量多相流。

圖9 閥門(mén)組及管匯示意圖

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)刻度實(shí)驗(yàn)可保證MRMF工作于最優(yōu)狀態(tài)且流量解釋結(jié)果準(zhǔn)確可靠。刻度實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院多相流實(shí)驗(yàn)室完成，該實(shí)驗(yàn)室具備一套多相流循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)（裝置示意圖見(jiàn)圖10），系統(tǒng)由多相流存儲(chǔ)、外輸、計(jì)量、混合、分離、回注幾部分組成?？煽乇帽盟蛦蜗嗔黧w（白油、純水、空氣）至各相的單相流量計(jì)計(jì)量，再經(jīng)混相器混合后流經(jīng)MRMF并檢測(cè)，3個(gè)單相流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果用于刻度及檢定MRMF。室內(nèi)刻度實(shí)驗(yàn)包含流量刻度和相含率刻度兩個(gè)部分。

圖10 多相流循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖

3.1 流量刻度實(shí)驗(yàn)

將MRMF閥門(mén)切換至流動(dòng)測(cè)量模式，然后通過(guò)中控臺(tái)設(shè)置，分別向MRMF泵入不同流量、不同比例的多相流體，擬合流速，以確定擬合參數(shù)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：磁體溫度25 ℃，管內(nèi)壓力0.1 MPa，回波間隔時(shí)間200μs，回波個(gè)數(shù)250，總液量1～200 m3（均勻布點(diǎn)100個(gè)），覆蓋了MRMF的可測(cè)流量范圍。

圖11a是在泵入不同流量、同一油水氣比（油∶水∶氣=1∶1∶0.2）的多相流后采集得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)。圖11b是MR測(cè)量流量和實(shí)際泵入流量的對(duì)比，可以看到二者吻合度較高，相關(guān)系數(shù)為0.974。需要注意的是，為提高流量解釋精度，需截取回波串里線性度較好的前幾個(gè)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。流量刻度實(shí)驗(yàn)在不同流量下選取回波串的截止時(shí)間為：流量小于50 m3/d時(shí)，選取前50 ms的回波串；流量在50～100 m3/d時(shí)，選取前20 ms的回波串；流量大于100 m3/d時(shí)，選取前10 ms的回波串。

圖11 流量刻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 相含率刻度實(shí)驗(yàn)

分別向MRMF泵入不同油水比的油、水兩相流體。每改變一次油水比，MRMF閥門(mén)均由流動(dòng)測(cè)量模式切換至靜態(tài)測(cè)量模式，然后進(jìn)行T2譜測(cè)量。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：磁體溫度25 ℃，管內(nèi)壓力0.1 MPa，回波間隔時(shí)間200μs，回波個(gè)數(shù)40 000，油水比0～1。實(shí)驗(yàn)所得T2譜如圖12a所示。根據(jù)油水比為0與1時(shí)所采集回波串首幅值的比值，得到實(shí)驗(yàn)用白油的含氫指數(shù)為0.98。將T2=0.5 s作為油水分界線，左側(cè)為油峰，右側(cè)為水峰，計(jì)算該分界線左右譜峰面積，結(jié)合（14）式，計(jì)算得到油水比，如表2所示，相對(duì)誤差為2.20%。

分別向MRMF泵入不同含氣率的氣水兩相流體。每改變一次含氣率，MRMF閥門(mén)均由流動(dòng)測(cè)量模式切換至靜態(tài)測(cè)量模式，然后進(jìn)行回波串測(cè)量。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：磁體溫度25 ℃，管內(nèi)壓力0.1 MPa，回波間隔時(shí)間200 μs，回波個(gè)數(shù)10 000，含氣率0～90%。實(shí)驗(yàn)所得回波串如圖12b所示。根據(jù)回波串首幅值計(jì)算含氣率，結(jié)果如表3所示，相對(duì)誤差為3.10%。

圖12 相含率刻度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 油水比測(cè)量值與設(shè)定值對(duì)比

表3 含氣率測(cè)量值與設(shè)定值對(duì)比

分別向MRMF泵入不同油氣水比的三相流體，先通過(guò)采集回波串首幅值確定含氣率，再通過(guò)T2譜確定油水比，最后得到三相各自的相含率。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：磁體溫度25 ℃，管內(nèi)壓力0.1 MPa，回波間隔時(shí)間200μs，回波個(gè)數(shù)40 000。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，含油率相對(duì)誤差為2.57%，含氣率相對(duì)誤差為6.41%，含水率相對(duì)誤差為2.86%。

表4 三相流相含率測(cè)量值與設(shè)定值對(duì)比

3.3 油水乳化及礦化度影響分析實(shí)驗(yàn)

油氣井及管道中多相流各相之間往往呈乳化狀態(tài)。在這種情況下，大多數(shù)多相流量計(jì)尤其是容積式流量計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確分析相含率。此時(shí)，MR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就得以展現(xiàn)。MR技術(shù)直接獲取多相流分子級(jí)別的信息，其測(cè)量原理決定了其理論上不受乳化影響。為了證實(shí)這一點(diǎn)，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖13為采用MRMF測(cè)量得到的某油田乳化原油的T2譜，據(jù)此得出該原油含水率達(dá)71.2%，與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)脫水分析結(jié)果吻合，證實(shí)了本文方法對(duì)于檢測(cè)呈乳化狀的多相流有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖13 乳化原油T2譜

不同油田、油井采出多相流的礦化度各不相同，有必要分析礦化度對(duì)MR測(cè)量的影響。圖14是不同濃度的KCl、NaCl、CaCl2的T2測(cè)量結(jié)果，可以看到，對(duì)于這3種常見(jiàn)的地層水中所含礦物質(zhì)，即使?jié)舛冗_(dá)到17%，含有不同礦物質(zhì)的水的T2值最大差距也在700 ms以內(nèi)，且T2值均不低于2 s，不會(huì)與油峰發(fā)生混疊情況，即不影響相含率的測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)采出液也存在多種礦物質(zhì)同時(shí)存在的情況，但從機(jī)理上講，只要流體中不含有順磁性物質(zhì)，多種對(duì)MR測(cè)量無(wú)明顯影響的礦物質(zhì)混合后對(duì)MR測(cè)量的影響也可忽略不計(jì)。

圖14 含有不同濃度礦物質(zhì)的水的T2值

實(shí)際上，MR的測(cè)量原理決定了其測(cè)量結(jié)果不但不受乳化狀態(tài)、礦化度影響，電導(dǎo)率、溫度、黏度、密度、透明度等對(duì)其他流量計(jì)有影響的參數(shù)也不會(huì)對(duì)其測(cè)量造成影響。

3.4 結(jié)果及討論

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)刻度的MRMF的測(cè)量精度優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。流量測(cè)量方面，針對(duì)不同的流量范圍選取合適的回波串截止時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)高頻率（0.5次/s）、高精度（相關(guān)系數(shù)0.974）流量在線計(jì)量；相含率檢測(cè)方面，油氣水三相均可實(shí)現(xiàn)全量程檢測(cè)，兩相流體檢測(cè)精度為油水比相對(duì)誤差2.2%，氣水比相對(duì)誤差3.1%，三相流體檢測(cè)精度為油相相對(duì)誤差2.57%，氣相相對(duì)誤差6.41%，水相相對(duì)誤差2.86%。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

MRMF目前已在吉林大老爺府作業(yè)區(qū)#20計(jì)量間開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)用（見(jiàn)圖15）。MRMF的進(jìn)出口法蘭通過(guò)軟管接至計(jì)量間內(nèi)的油氣管線，計(jì)量間內(nèi)通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)切換的方式實(shí)現(xiàn)選井。該計(jì)量間管理的24口井均是水驅(qū)開(kāi)采多年的老井，歷史數(shù)據(jù)表明，平均單井產(chǎn)出液含水率達(dá)96%，間歇產(chǎn)氣。于2019年9月2日起采用MRMF對(duì)該計(jì)量間的24口井連續(xù)計(jì)量3個(gè)月，設(shè)備工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。MRMF測(cè)量參數(shù)設(shè)定為：①靜止?fàn)顟B(tài)相含率測(cè)量，回波間隔時(shí)間200 μs，回波個(gè)數(shù)40 000，累加次數(shù)4次，測(cè)量頻率2次/h；②流動(dòng)狀態(tài)流速測(cè)量，回波間隔時(shí)間200 μs，回波個(gè)數(shù)250，累加次數(shù)4次，測(cè)量頻率0.15次/s。

圖15 MRMF在油田計(jì)量間內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖

現(xiàn)場(chǎng)采用翻斗流量計(jì)和車載流量計(jì)與MRMF計(jì)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果吻合度高。圖16截取了6個(gè)井環(huán)各4 h的流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。與翻斗流量計(jì)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明：①產(chǎn)液量的MRMF測(cè)量結(jié)果與翻斗計(jì)量結(jié)果吻合度高，平均達(dá)到95.6%；②采用MRMF能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常工況，如井環(huán)10-26，8-28，6-028在0.4 h處出現(xiàn)的流量異常，實(shí)際導(dǎo)致了管道的異常高壓（壓力表顯示），但翻斗計(jì)量結(jié)果只出現(xiàn)一個(gè)較小的波動(dòng)；③翻斗流量計(jì)只能計(jì)量總產(chǎn)液量，MRMF還可計(jì)量含氣量和含水率；④含氣井流態(tài)復(fù)雜，管內(nèi)流量出現(xiàn)的波動(dòng)可被MRMF及時(shí)捕捉。

圖16 吉林油田大老爺府作業(yè)區(qū)#20計(jì)量間6個(gè)井環(huán)實(shí)測(cè)曲線

5 結(jié)論

基于磁共振技術(shù)的多相流在線檢測(cè)方法采用“靜態(tài)相含率+動(dòng)態(tài)流速”的測(cè)量方法，同時(shí)進(jìn)行流速和相含率的測(cè)量；利用回波串衰減速率測(cè)量流速，同時(shí)針對(duì)低流量應(yīng)用場(chǎng)景提出回波串校正方法，以進(jìn)一步提高測(cè)量精度；采用多相流非分離相含率測(cè)量方法，先計(jì)量油水比再計(jì)量含氣率，實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相相含率的測(cè)量。在方法研究的基礎(chǔ)上形成硬件裝置，采用可應(yīng)用于流動(dòng)流體測(cè)量的分段式磁體結(jié)構(gòu)和雙天線結(jié)構(gòu)，研發(fā)了高集成磁共振譜儀系統(tǒng)及配套智能化軟件。

室內(nèi)刻度及檢定實(shí)驗(yàn)表明，本文研制的多相流磁共振在線檢測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量精度方面優(yōu)于現(xiàn)在主流商業(yè)化多相流量計(jì)，證明了方法的可行性和裝置的可靠性。在吉林油田開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，日均總產(chǎn)液量計(jì)量結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)翻斗計(jì)量結(jié)果吻合度達(dá)95.6%。相比于其他多相流檢測(cè)技術(shù)，本文方法優(yōu)勢(shì)明顯：①只依靠一種技術(shù)同時(shí)完成流量和相含率檢測(cè)；②在線原位高頻率檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油井瞬態(tài)產(chǎn)液波動(dòng)，為油藏動(dòng)態(tài)分析提供重要且豐富的數(shù)據(jù)；③能實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相全量程高精度檢測(cè)，且不受礦化度、乳化狀態(tài)影響；④綠色、安全、低能耗。

符號(hào)注釋：

A——磁共振探頭天線的長(zhǎng)度，m；Al，Ag——液相和氣相的相含率，%；Hi——第i種組分的含氫指數(shù)；Ho——油的含氫指數(shù)；Lm——磁體長(zhǎng)度，m；M——質(zhì)量流量，kg/s；M0——平衡狀態(tài)的磁化強(qiáng)度；Mflow——在流動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量得到的回波串?dāng)?shù)據(jù)；Mflow-SVD——在流動(dòng)狀態(tài)下采集的回波串經(jīng)奇異值分解（SVD）及歸一化處理后的數(shù)據(jù)；Mflow-SVD-SC——Mflow-SVD與1-Mstatic-SVD之商；Mi——磁化過(guò)程結(jié)束時(shí)流體樣品中第i種組分的磁化強(qiáng)度；Mpg，Mpl——管道內(nèi)全部是氣相、液相時(shí)采集得到的信號(hào)幅值；Mm——實(shí)際測(cè)量采集得到的多相流回波串首幅值；Mstatic——在流體靜止?fàn)顟B(tài)下采集的回波串?dāng)?shù)據(jù)；Mstatic-SVD——在流體靜止?fàn)顟B(tài)下采集的回波串經(jīng)奇異值分解及歸一化處理后的數(shù)據(jù)；Mw——管道內(nèi)全部是水時(shí)采集得到的信號(hào)幅值；Mx，My——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中原子核磁化矢量沿靜磁場(chǎng)方向上的橫向分量；Mz——旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中原子核磁化矢量沿靜磁場(chǎng)方向上的縱向分量；N——回波個(gè)數(shù)；n——流體組分?jǐn)?shù)；Q——體積流量，m3/s；r——管道橫截面上某點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，m；R——管道內(nèi)徑，m；Row——油水比；si——采集得到的回波信號(hào)幅值；S——管道橫截面積，m2；Si——第i種組分的飽和度，%；So，Sw——T2譜上油峰和水峰的面積，m2；t——回波采集時(shí)間，s；T1，T2——縱向和橫向弛豫時(shí)間，s；T1,i，T2,i——第i種組分的縱向和橫向弛豫時(shí)間，s；TE——回波間隔時(shí)間，s；Tw——磁化時(shí)間，s；v——平均流速，m/s；v(r)——管道橫截面上距離中心點(diǎn)r處的流體流速，m/s；vg，vw，vo——?dú)?、水、油相流速，m/s；X，Y——流體流動(dòng)對(duì)磁化過(guò)程和回波采集過(guò)程的影響因子，s-1；α，β，γ——?dú)?、水、油相體積分?jǐn)?shù)，%；Δp——管道兩端的壓差，Pa；μ——流體黏度，Pa·s；ρg，ρw，ρo——?dú)狻⑺?、油密度，kg/m3。