摘要：傘集流器存在非均衡及非線性的油氣水三相流流體漏失，致使傘集流后測(cè)量通道內(nèi)流型復(fù)雜多變，建立三相流渦輪流量計(jì)物理模型存在困難。基于傘集流渦輪流量計(jì)與放射性密度-持水率計(jì)組合儀在油氣水三相流流動(dòng)環(huán)中的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，建立了三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)測(cè)量模型，該模型考慮了三相流等效“氣液”滑脫速度及流動(dòng)密度因素，回避了復(fù)雜流型對(duì)測(cè)量模型影響。該模型預(yù)測(cè)三相流總流量過程相對(duì)簡單，且具有良好的計(jì)算結(jié)果收斂特性。檢驗(yàn)結(jié)果表明，傘集流渦輪流量計(jì)與放射性密度-持水率計(jì)組合測(cè)量可以有效地測(cè)量油氣水三相流總流量。

為了適應(yīng)油井油氣水三相流產(chǎn)出剖面生產(chǎn)測(cè)井需要，大慶油田在原來皮球集流三相流生產(chǎn)測(cè)井組合儀基礎(chǔ)上，研制成功了遙測(cè)傘集流油氣水三相流生產(chǎn)測(cè)井組合儀，該儀器采用了具有64根傘筋及90%集流度的傘集流器，并將耐壓指標(biāo)提高到30MPa，耐溫指標(biāo)提高到125℃，采用遙測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井溫儀、壓力計(jì)、渦輪流量計(jì)、放射性持水率-密度計(jì)等多種傳感器的組合測(cè)量。與皮球集流油氣水三相流渦輪流量計(jì)測(cè)井解釋方法相比，由于傘集流器存在非均衡及非線性的三相流體漏失，導(dǎo)致集流后過流通道內(nèi)油氣水三相流相間滑脫效應(yīng)及流態(tài)變化復(fù)雜。三相流相間界面相互作用機(jī)理十分復(fù)雜，從理論上難以直接建立傘集流油氣水三相流渦輪流量計(jì)測(cè)量物理模型。

井下多相流測(cè)井解釋模型可分為統(tǒng)計(jì)模型、物理模型、*優(yōu)化模型及軟測(cè)量模型。統(tǒng)計(jì)模型直接從含有幾個(gè)物理量的測(cè)量數(shù)據(jù)出發(fā)，運(yùn)用回歸分析方法處理這些物理量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，這種方法在物理量之間關(guān)系不太復(fù)雜且已知大量測(cè)試樣本數(shù)據(jù)情況下，能夠較方便地獲取多相流流動(dòng)參量之間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。物理模型則是從多相流動(dòng)機(jī)理出發(fā)，建立已知量與待求量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。但是，由于多相流紊流程度高，且流動(dòng)不穩(wěn)定及流型多變，所以，目前仍無法在充分考慮各種參數(shù)情況下，用較嚴(yán)格的多相流體力學(xué)方法精確求解流動(dòng)參量，需對(duì)實(shí)際物理過程進(jìn)行簡化，簡化模型與實(shí)際物理過程之間差異決定了所建模型的可靠程度。20世紀(jì)90年代，Schlumberger*先把*優(yōu)化分析技術(shù)用于多相流測(cè)量信息處理，這種方法是根據(jù)儀器響應(yīng)方程來構(gòu)建實(shí)際測(cè)量值與理論值差值大小的誤差函數(shù)，并利用優(yōu)化算法尋找待求變量的*優(yōu)解，正確表達(dá)傳感器響應(yīng)方程及采用先進(jìn)計(jì)算智能技術(shù)是優(yōu)化方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。郭海敏及鐘興福等曾將該方法應(yīng)用于大慶油田皮球集流型環(huán)空三相流測(cè)井資料解釋。

基于傘集流油氣水三相流測(cè)井組合儀在大慶油田多相流模擬裝置上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，本文考察了影響傘集流渦輪流量計(jì)測(cè)量特性的油氣水三相流參數(shù)之間理論關(guān)系，建立了傘集流油氣水三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)測(cè)量模型，模型中考慮了影響渦輪流量計(jì)響應(yīng)特性的等效“氣液”滑脫速度及流動(dòng)密度因素，模型試驗(yàn)結(jié)果表明，傘集流渦輪流量計(jì)與放射性持水率-密度計(jì)組合仍然可以有效地測(cè)量油氣水三相流總流量。

1、傘集流三相流渦輪流量計(jì)動(dòng)態(tài)測(cè)量特性

傘集流油氣水三相流測(cè)井組合儀自下而上是傘集流器、渦輪流量計(jì)、持水率-密度計(jì)、井溫壓力短節(jié)和遙測(cè)短節(jié)。傘集流器張開后，井內(nèi)流體進(jìn)入測(cè)量通道，由渦輪流量計(jì)測(cè)量體積流量，由持水率-密度計(jì)測(cè)量密度和持水率，然后流體流出測(cè)量通道，井溫壓力計(jì)用來測(cè)量井內(nèi)的溫度和壓力。該儀器仍然采用109 Cd放射源發(fā)射的γ和X射線分別確定三相流平均混合密度和持水率，新設(shè)計(jì)的持水率-密度計(jì)在流道結(jié)構(gòu)、密封準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)和放射源結(jié)構(gòu)等方面做了優(yōu)化，改善了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

傘集流三相流測(cè)井組合儀在多相流模擬井中的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)是在大慶生產(chǎn)測(cè)井研究所進(jìn)行的，垂直上升管中三相流流動(dòng)工況范圍：水流量為1.5～42m³/d；油流量為1.5～42m³/d；氣流量為0～48.9m³/d；總流量為15～70m³/d；流動(dòng)密度為0.3～0.7g/cm³；含氣率為28.3%～71.8%；含水率為10%～60%；含油率為10%～60%。實(shí)驗(yàn)共測(cè)取了120組按分相流量配比的三相流實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

圖1為傘集流條件下渦輪流量計(jì)在油氣水三相流條件下渦輪轉(zhuǎn)速與配比三相流流動(dòng)密度ρn及總流量Qt之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系。油氣水三相流流動(dòng)密度ρn定義

式中，ρo、ρg、ρw分別為油密度、氣密度及水密度；Qo、Qg、Qw分別為油流量、氣流量及水流量。從圖1中可以看出，對(duì)同一個(gè)流動(dòng)密度ρn值，渦輪轉(zhuǎn)速隨三相流總流量Qt增加而增加，但二者并非是簡單的線性關(guān)系；對(duì)不同的流動(dòng)密度ρn值，渦輪轉(zhuǎn)速與總流量Qt變化規(guī)律是不同的，且隨著流動(dòng)密度ρn增加，渦輪轉(zhuǎn)速隨總流量Qt變化的靈敏度也在增加。

我們希望用測(cè)量的三相流混合密度ρm來表示流動(dòng)密度ρn，但是，這二者在實(shí)驗(yàn)測(cè)量關(guān)系上呈現(xiàn)復(fù)雜變化關(guān)系(見圖2)，需要從多相流流動(dòng)模型出發(fā)，依托密度-持水率計(jì)在模擬井中的動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果，來建立確定三相流流動(dòng)密度的數(shù)學(xué)模型。

2、傘集流三相流渦輪流量計(jì)模型建立

2.1傘集流三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)模型

定義傘集流三相流渦輪流量計(jì)儀器因子為

式中，系數(shù)A與B均隨流動(dòng)密度ρm變化，圖3及圖4給出了其實(shí)驗(yàn)擬合關(guān)系。為了從方程(4)中求解得到油氣水三相流總流量，需要根據(jù)密度-持水率計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)確定三相流流動(dòng)密度ρm的數(shù)學(xué)模型。

2.2集流后過流通道內(nèi)三相流流動(dòng)密度模型及總流量預(yù)測(cè)

流動(dòng)密度ρm是求解總流量的關(guān)鍵，若要提高總流量預(yù)測(cè)精度，必須提高流動(dòng)密度ρn的預(yù)測(cè)精度。

考慮到集流后中心過流通道內(nèi)油水相間滑脫影響較小，所以，在建立三相流流動(dòng)密度模型時(shí)，僅考慮等效“氣液”相間滑脫的影響。

由滑脫速度定義有

對(duì)全部120組油氣水三相流實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)含氣率Kg與流動(dòng)密度ρm有良好的線性關(guān)系(見圖5)，即有

Kg=1.00118-1.00241ρn  （11）

聯(lián)立式(10)及式(11)，并結(jié)合密度-持水率計(jì)在三相流模擬井中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得滑脫速度與混合速度

比值vs/vm與混合密度ρm、含氣率Kg之間的實(shí)驗(yàn)擬合關(guān)系(見圖6)?？梢钥闯鰧?duì)于相同的含氣率Kg，vs/vm隨著混合密度ρm的增大而增大，從物理上可以理解為隨著氣液流型向泡狀流方向發(fā)展，其相間滑脫影響也逐漸增大。

對(duì)于圖6中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，可得到流動(dòng)密度數(shù)學(xué)模型

其中，系數(shù)C及D隨含氣率Kg的實(shí)驗(yàn)擬合關(guān)系如圖7及圖8所示。聯(lián)立式(10)、(11)及(12)，采用迭代求解法就可以計(jì)算得到三相流流動(dòng)密度值。圖9為計(jì)算得到的流動(dòng)密度與模擬井實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的流動(dòng)密度比較結(jié)果。可以看出，絕大部分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的流動(dòng)密度預(yù)測(cè)偏差落在-0.03與0.03誤差線之間(圖9中ρnn表示預(yù)測(cè)流動(dòng)密度，ρn為模擬井標(biāo)定流動(dòng)密度)，其絕對(duì)平均誤差為AD=0.018g/cm³，絕對(duì)平均相對(duì)誤差為AAPD=3.6%，與圖2所示的實(shí)驗(yàn)關(guān)系相比，其三相流流動(dòng)密度的預(yù)測(cè)精度是令人滿意的。聯(lián)立方程(4)、(10)、(11)及(12)式，采用非線性方程組迭代解法就可以預(yù)測(cè)得到三相流總流量。圖10為預(yù)測(cè)總流量誤差結(jié)果，其絕對(duì)平均誤差為AD=2.639m³/d，絕對(duì)平均相對(duì)誤差為AAPD=5.8%，取得了較高精度的油氣水三相流總流量預(yù)測(cè)結(jié)果。

3、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

用本文提出的總流量預(yù)測(cè)模型共處理了8口含氣油井的三相流測(cè)井資料。圖11為北1-2-420井三相流測(cè)井資料處理實(shí)例，其解釋結(jié)果見表1。經(jīng)對(duì)8口含氣油井的實(shí)際處理效果表明，傘集流三相流測(cè)井組合儀可以較準(zhǔn)確地確定油井油氣水三相流產(chǎn)出剖面。

4、結(jié)論

(1)傘集流油氣水三相流測(cè)井組合儀由于存在非均衡及非線性的三相流流體漏失，致使集流后過流通道內(nèi)三相流流型復(fù)雜多變。以三相流渦輪流量計(jì)測(cè)量響應(yīng)特性為基礎(chǔ)，結(jié)合三相流流動(dòng)密度及等效“氣液”滑脫速度模型，可以建立具有較高總流量預(yù)測(cè)精度的渦輪流量計(jì)半理論半經(jīng)驗(yàn)測(cè)量模型，為傘集流三相流渦輪流量計(jì)建模提供了借鑒。

(2)集流器的導(dǎo)流性能及漏失程度對(duì)集流后測(cè)量通道內(nèi)三相流流型特征影響很大，而三相流測(cè)井解釋方法難易程度與流型復(fù)雜多變特性有直接關(guān)系，所以密封效果好、導(dǎo)流均衡及力學(xué)與材料性能優(yōu)異的集流器是油氣水三相流測(cè)井技術(shù)的重要保障。