测井中油气水多相流电磁相关法流量测量模型研究

王月明，孔令富，刘兴斌，李英伟，张玉辉

(1．内蒙古科技大学数理生学院，内蒙古包头 014010；2．燕山大学信息工程学院，河北秦皇岛 066004；3．大庆油田测试技术服务分公司，黑龙江大庆 163453)

0 引言

在国内石油生产工业领域，随着陆上油田进入高含水期开采阶段，油田技术部门一直在寻求能在线测量油气水多相流的流量，保证流量测量精度高且范围宽、测量工艺简单、能连续测量、抗干扰能力强、体积小、重量轻、实时反映油井生产动态流量的测量装置[1]。油气水多相流流量测量技术是将一种多相流流量计直接安装在油气水流体流动管线上，采用先进的测量技术，对油、气、水三相在不分离情况下进行连续、在线和自动计量的计量方法。由于国内石油生产现状所致，我国油气水多相流生产测井技术领先于其他国家，但就目前的研究情况看还没有应用于生产测井并取得良好效果的多相流流量计量装置。文中在分析讨论油气水多相流流量测量现状及其应用于测井环境中存在问题的情况下，提出一种新型的应用于生产测井的油气水多相流流量测量模型——电磁相关法流量测量模型。

1 现有油气水多相流测量方法应用生产测井存在问题

1．1地面多相流流量测量

传统的油气水多相流计量方法是把生产油井产液送入三相分离器[2]，由分离器将其分成油、气、水三相，通过安装在分离器各相出口管线上的流量计，计量三种流体的流量。该种计量系统的重量和体积都很大，无法应用于石油生产测井中，且计量方法为人工操作，计量时间短，随意性大，实时性差，难以实现连续计量，人为因素造成的误差难以消除。兰州海默的MFM2O00多相流量计，采用单能γ射线互相关法测定各相流速，双能γ射线相分率仪测定含水率和含气率[3]。低含气率时，可采用转子流量计测定总流量。该种仪器具有一定放射性，且需一定的测量空间，不适合生产测井方面。其他应用于地面多相流流量测量仪器各有应用特点，但一般来说应用地面的油气水多相流仪器占用空间较大，不适合应用于狭小空间下生产测井工艺。

1．2单向流流量测量方法应用测井多相流测量

在石油生产部分领域中，由于目前尚没有专门适合的多相流流量测量仪器设备，为了测量油气水多相流，人们把一些单相流流量仪表应用于油气水多相流的流量测量之中[4-8]，但各种流量计都反映出不同的问题。比如涡轮流量计因多相流流体中的少量固体物质易使涡轮转速降低，甚至使涡轮停转，且多相流流体的密度变化会引起涡轮转速发生很大变化(测量结果变化)[5-6]。科里奥利质量流量计虽可以实现液液两相流测量，但成本高，使用维护不方便[7]，且其构造也不适合石油生产测井方面的测量。超声流量计属无阻碍流量计，无压损、测量流量范围大，且可测全部流体介质，但这种流量计对管道内流速分布很敏感，需较长的前置直管段才能维持特性不偏移，多声道矩阵布置可以克服该缺点，但至今尚在研究阶段[8]，且超声流量计也不适合应用于井下狭小空间环境中。

电磁流量计是根据电磁感应定律来测量导电性液体流量的仪表[9]，宏观上把导电液体看成导体，流体的流动看成导体做切割磁力线运动。它可以在层流、紊流、脉动流量以及产生流线振动等情况下对流体进行流量测量[10]。传统单相流电磁流量计一方面在管道中无阻碍流动部件，维护方便，结构简单，测量范围较宽广，使用可靠；另一方面，电磁流量计励磁线圈可制作成马鞍状安装在流体测量管壁上，使其可以应用在狭小空间的流量测量中[11]。近年来传统的单相流电磁流量计已开始应用于高含水率多相流流量测量，特别在高含水油田注水井、注聚井的注入剖面测井中应用更为广泛，例如电磁流量计已应用于井下高含水率油气水多相流流量测量[12]，并能提高测井成功率[13]。但是传统单相流电磁流量计在生产测井方面也存在明显不足：传统单相流电磁流量计在测量含水率较低多相流，即流体中非导电物质等含量较高时，流量计测量结果扰动性大，使得流量计计量误差增加，尤其在被测量流体流动速度较慢时，传统电磁流量计测量误差更大。

1．3相关法测量方法应用测井多相流测量

在相关法测量技术应用于油气水多相流流速、流量测量方面：刘兴斌首次提出了基于电导传感器测量高含水油井流量和含水率的方法，并成功研制了电导相关测井仪器[14]。燕山大学孔令富、李英伟对电导传感器的油水两相流测量方法进行了研究[15]，目前，电导式传感器作为油气水多相流持水率测量仪成功地应用于石油生产测井中，在石油生产测井中电导式相关流量传感器也可以计量涡轮流量计无法测量的出砂井油水两相流流量，但一定程度上会受到适用范围的限制[16]。大庆油田刘兴斌、赵娜等将热示踪法应用于低产液水平井井下油水两相流流量测量[17]，可以较好地解决流体粘附问题，但是热示踪方法只能对较低流速下的流体流量进行测量，且测量精度与放热时间、流体速度等因素都有关系。贺贞贞、田野等人对电容传感器的相关流量测量技术进行了研究[18-19]，但是该技术对多相流流量测量效果并不理想，与实际流体流量有较大偏差，就目前研究情况来看尚不能将电容传感器相关法测量油气水多相流流量应用到工业生产中。

2 电磁相关法流量测量模型

2．1电磁与相关法结合流量测量研究

在电磁流量计与相关法测量技术结合研究方面：Adamovskii L A等使用2个电磁流量计对应用于大型核设施的钠冷却剂的测量信号进行相关法运算，获取钠冷却剂的流速，以控制钠冷却剂投放情况[20]。这一装置结合了电磁流量计与相关法解决液态钠流体的流量测量问题，但是采用两个电磁流量计测量信号构建相关法流量测量装置测量油气水多相流时，一方面两个电磁流量计励磁结构的两对励磁线圈容易相互干扰，另一方面这种装置两流量计的测量电极相距较远，导致这种装置难以用来测量复杂多变的油气水多相流流体流量。Inada Yutaka结合电磁流量计与相关法测量原理申请了一项日本专利，采用一对检测电极获取测量信号并进行相关运算以提高流体流量测量精度[21]；李小京等针对电磁流量计在低速测量时，信号被噪声淹没不能准确测量的问题，引入了相关检测算法，将测量信号与延时半个周期后的测量信号进行相关运算，滤掉了噪声干扰，提高了信号的信噪比，使电磁流量计在低速或者在低信噪比的情况下测量时，性能有较大改善[22]；浙江大学张宏建、管军将相关检测技术引入电磁流量计[23]，相关运算的对象一个是从传感器上获取的含有噪声的流量信号，另一个是由系统生成的和流量信号同频的方波信号，相关法结合电磁流量计的研究使得传统单相流量计测量下限扩展。但这些研究是建立在传统电磁流量计测量单相流流量情况下的，并没有涉及多相流流量测量。当油气水多相流流经传统单相流电磁流量计时，流量计检测电极获取的多相流流动信号波动性大，对传统电磁流量计的测量信号与其延时信号或与其同频的方波信号进行相关运算并不能有效地获取多相流流体速度，也就是说简单地将传统电磁流量计结合相关法运算不能很好地解决油气水多相流的流量测量问题。

2．2油气水多相流电磁相关法测量模型

为了解决生产测井中的油气水多相流流量测量问题，提出一种油气水多相流电磁相关法流量测量模型，如图1所示为电磁相关法流量测量模型，图1(a)为电磁相关法流量测量模型图，电磁相关法流量由励磁结构产生磁场，两对检测电极不是在测量管同一径向截面，而是在测量管同一轴向截面上。电磁相关法流量测量模型电极剖切平面的剖视图如图1(b)所示，其中A1与C1构成一对检测电极，A2与C2构成另一对检测电极，两对检测电极处于同一励磁线圈产生的较均匀磁场中且相距适当距离，多相流流量可通过两对检测电极的测量信号进行相关法获取。

该测量方法是在两对检测电极相距适当的距离L(多相流中各相间滑脱速度微小，可忽略)的情况下测量多相流流量，利用多相流流体内部非导电相(如油相、气相)等自然产生的随机流动对电磁相关法传感器管道上下游流体测量信号造成扰动，通过相关法对测量信号处理计算进而获得多相流流体速度与流量。

由于多相流流动是一种复杂的多变量随机流动过程，当多相流中非导体相含量增加时，检测电极测量信号波动性增加，可由相关法对流体流量进行测量。电磁相关法流量测量模型可以测量以水为连续相的两相流或多相流流量，同时该流量计很大程度上扩展了油气水多相流流量测量中油气含率的量程范围，而且保持较高的测量精度。在流体中非导电体含量较少时或在流体为高流速(一定非导电体含量)情况下，两对检测电极检测信号相关性较差时，可用电磁流量测量方法对流体流量进行测量。综上所述：电磁相关法流量测量模型融合了电磁流量测量信息与相关法流量测量信息，使其流量测量范围较其他相关法流量传感器与传统使用于生产测井中井下集流式电磁流量计宽广，同时扩展了电磁流量测量法流体中油气含率的量程范围。

(a) 电磁相关法流量测量模型结构图

(b) 测量模型电极剖切平面的剖视图

目前，在石油生产测井领域，关于油气水多相流中测量持水率、持气率均有成熟或接近成熟的相应技术支持，因而实际准确测量井下油气水多相流各相含量的瓶颈技术是获取油气水多相流总流量，但井下油气水多相流流量准确测量依旧是未能很好解决的实际问题。电磁相关法流量测量方法是一种创新性的多相流流量测量方法，电磁相关法流量测量方法及其技术研究可解决石油生产测井中油气水多相流流量测量问题，并最终能提高石油采收率。

3 结束语

文中首先介绍了油气水多相流流量测量的应用背景，然后分析了油气水多相流流量测量现状应用情况及其测量方法应用于生产测井中存在的问题，并对电磁与相关法结合流量测量方面现状进行讨论，最后提出电磁相关法油气水多相流流量测量模型，为油气水多相流流量测量提供一种新的解决方案与办法。所提出的方法主要针对石油生产测井狭小空间环境下的油气水多相流流量测量问题，该测量模型的应用将会扩大生产测井中多相流油气含率的量程范围并提高流量测量范围，且具有连续测量、无放射性、低成本等优点，该油气水多相流测量方法对其他环境下的多相流电磁相关法流量测量也有良好的借鉴价值。

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作者简介：王月明(1978—)，副教授，博士研究生，研究方向为智能信息处理技术，多相流检测技术。E-mail：wym_20017@imust．cn