γ源多相流量计在延长测试中的应用分析

刘 平，雷聚明

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油工业自控(天津)有限公司，天津 300452)

0 引言

国内某海域某地质构造主力气藏分布在P8a、P8b和P10三层。为了落实天然气地质储量、合理制定开发方案、评价开发效果，对该构造探井进行延长测试[1]。由于测试期间油藏储量、温度、压力和组分存在不确定性，故选取测量范围宽、精度高的测试计量设备。

γ源多相流量计自20世纪90年代亮相以来，已广泛应用于国内外油气田单井计量。与传统的三相分离器相比，多相流量计具有结构紧凑、测量精度高、测量范围宽、流型适用性好、运行可靠性高、性价比高等明显优势[2]，可用于对油气构造A的延长测试。为了准确探明构造油气藏类型、储量和油气水含量，需要分析研究多相流量计的原理和影响测量精度的因素，并对比分析该构造流体的组分特点，找出关键因素，制定性能保证措施。本文以国内具有代表性的海默科技标准型γ源多相流量计为基础进行分析。

1 γ源多相流量计原理

γ源多相流量计通过文丘里管测量总流量、单能γ传感器测量含气率、双能γ传感器测量含水率，然后通过基本的流量计算和体积、压力、温度(pressure volume temperature，PVT)转换得到标况条件下的油气水流量[3]。通过使用流型调整技术，可进一步保证含水率的测试精度。

多相流量计的主要部件包括文丘里管(含差压变送器)、单能γ传感器、在线取样器、双能γ传感器、温度及压力变送器等功能部件。关键部件功能如下。

①文丘里管用于测量工况(实际测试压力、温度条件下)条件下油相、水相、气相总流量。

②γ传感器用于测量工况下的相分率。

③温度和压力变送器等用于工况、标况(1个标准大气压、20 ℃条件下)体积转换的PVT因子计算。

多相流量计原理如图1所示。

图1 多相流量计原理图

2 多相流计量的影响因素

多相流量计的影响因素主要通过计算过程分析，包括含水率测量公式、含气率测量公式、总流量公式，以及标况下气、油、水产出的过程[4]。

双能γ传感器测量含水率相关公式为：

(1)

式中：λ和η分别为双能γ传感器中的截面含气率和截面含水率，均为待测量；符号右上角带“′”的为双能传感器高能级有关的量，不带“′”的为与低能级有关的量或对两者共同的量；N0为空管计数率；Nx为在线计数率；D为双能传感器管道内径，为固定值；ρg、ρo、ρw分别为工况下天然气、全油、全水的在线密度；vg、vo、vw分别为天然气、全油、全水的质量吸收系数。

使用文丘里计量总流量[5]:

(2)

式中：C为流出系数，与雷诺数相关，通过雷诺数与流出系数的迭代关系求出[6]；E为速度渐进系数，对一个文丘里来说，该数据为定值；d为文丘里喉径；Δp为流体流经文丘里时的高低压端压力差，由差压变送器采集；ρmix为流体的混合密度，是各相密度与各相相分率乘积之和。

计算工况各相流量：

(3)

式中：λs为单能含气率；Qg、Qo、Qw分别为工况下气、油、水流量。

通过式(4)将工况流量转换为标况流量：

(4)

式中：Qgs、Qos、Qws分别为标况下的气、油、水产量；Bg、Bo、Bw分别为工况下气、油、水体积相对于标况下的体积比。

通过上述公式可知，影响标况下气、油、水测量精度的因子包括含水率、含气率、总流量及工、标况转换过程的每一个变量，即各相的工况密度、各相的质量吸收系数、空管计数与在线计数率、差压和PVT因子。在不同的工况下，各项因子对结果的影响也不同。

3 计量的关键因素

为了进一步确定对本次测试精度产生重大影响的关键因素，在实际应用中，对第2节中分析的影响因素进行试验。首先，结合勘探样气组分、参数和现场测试实际测量值，确定多相流所属类别；然后，在一定范围内改变影响因素，并将得到试验测量数据与改变前测试数据进行对比，以确定对测量结果产生显著影响的因素。

该地质构造前期勘探获得样气的主要组分如下。

CO2占4.17%,CH4占85.448%,C2H8占7.043%,C3H8占2.275%。此外，还有少部分N2、iC4、nC4、iC5、nC5及C6+等组分。计算得出样品组分平均分子量为19.225，平均密度为0.801 3 kg/m3，相对密度为0.665 5。

统计试验前流量计测试数据平均值如下。

标况液量为56.57 m3/d；标况油量为52.3 m3/d;标况水量为4.27 m3/d；标况气量为289 105.88 m3/d;含水率为6.88%;含气率为98.59%；温度为47.51 ℃；压力为6467.11 kPa；差压为11.92 kPa。

结合样气密度，可以计算出该多相流所属的类别。一般用洛克哈特和马蒂内利(Lockhart-Martinelli，LM)数值分类。此时该数值为0.056，属于第二类湿气(洛克哈特和马蒂内利值在0.02和0.3之间)。对第二类湿气来说，其主要目的是获取气相。但为了准确地计量气相，需要较为准确的液量数据，同时也要通过含水值来提高气相测量精度。

为了评估影响计量的关键因素，将第2节中分析得出的影响因子变化0.1%～0.5%，计算各影响因子对最终结果的影响，其结果如表1所示。

表1 各因子对测量结果的影响

由表1可以看出，在同比例的波动中，对测试结果影响最大的是空管计数率和在线计数率，其次为差压零点漂移和压缩因子变化，其他各因子变化对测试结果影响均较小。

空管计数率与在线计数率都属于γ射线在不同状态下的测试数据，因此只需要监测空管计数率即可。

压缩因子由气体组分决定[7]，因此监测压缩因子即监测气体组分变化。

4 性能保障措施

通过上述的计算分析，确定了影响计量精度的关键因素。为保障流量计准确、稳定运行，对流量计现场操作和运维提出并实施了如下针对性的性能保障措施。

①定期隔离排空核实空管计数率，每两个月到三个月进行一次空管标定。

②隔离排空时观察差压零点，如果绝对值超出0.3 kPa，即需要切零。

③定期进行气体组分分析，化验密度与组分。推荐半年进行一次，以确保压缩因子的准确性[8]。

④定期取样化验含水率，侧面验证测试含水率的有效性。

上述措施的实施，可以确保γ源多相流量计达到如表2所示流量测量的精度要求。

表2 测量精度

5 结束语

分析分相率和最终标况流量计算过程可知，影响多相计量的因素主要包括各相的工况密度、各相的质量吸收系数、空管计数与在线计数率等。在延长测试应用中进行试验。对比分析表明，影响计量的关键因素为空管计数率、在线计数率、差压零点漂移和压缩因子变化。针对关键因素，提出并应用四项性能优化措施，确保了γ源多相流量计在延长测试中的测量精度，减小了由于延长测试油藏基础数据不确定性对测量精度的影响，为海上类低渗油气藏测试计量提供了有益的借鉴。