文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）03-080-03中图分类号：TP216

★ 高亮，刘淼，宋子平，孙国宝（昆仑数智科技有限责任公司，北京102206）

★ 李强（长庆油田第二采气厂，陕西榆林719000）

摘要：油田开发中，油气水三相流量的准确测量是计算含水率、气油比等关键参数的基础，也是制定油井增产措施及编制开发调整方案的重要依据。通过调研国内外三相流量计发展情况可以看出，目前市场上流量计以国外产品主导，由于多相流量检测技术瓶颈限制，尚没有较为知名的产品。在此背景下，新型在线三相流量计被研制出来，该产品能够在线实时检测气液流量，并通过与物联网技术的深度融合，通过数据采集和通讯传递，将数据以可视化的方式展示给用户。该产品下线后在国内某油田开展了现场试验，应用效果显示该产品具备较高的稳定性和复杂工况下的工作能力，能够满足油田各工况下流量测量需要，已具备在国内外油田扩大应用的条件。

关键词：三相流量计；在线检测；物联网；含水率；误差率

在油田的开发过程中，对油井进行持续监测，获取压力、温度及产量，是掌握油井开发状况、分析油藏开发动态的关键。其中，三相流量的准确测量又是重中之重，准确获取油井的油、气、水量，可以计算出油井含水率、气油比，这些参数是制定油井增产措施、编制开发调整方案的重要依据。

无论是油井井筒内还是油气储运管道内，油气水都为混相流动，流动形态复杂，流量测量难度较大。油田生产过程中，常规做法是在井口处利用车载三相分离器，将油气水进行分离并分别计量，也就是业内常用的试油方式。另外，利用油气处理站内的固定三相分离器对混相进行分离，获取含水等信息。然而，这些工艺工作量较大，费用较高，且无法实现连续计量。因此，可靠的在线三相计量装置的研制和应用对油田开发和生产非常必要[1-2]。

1 三相流量计的发展现状

国外的在线三相流量计研究起步较早，美国、英国、挪威和加拿大在多相流流动参数测量方面做了大量的研究[3-4]，并拥有一系列较为经典的三相流量计产品，比如，挪威FRAMO公司设计制造，由在线静态混合器、多源伽马组分计、文丘里管三部分组成的MPFM型三相流量计；美国海默公司设计研制的MFM2000-NG三相流量计，利用文丘里管测量流量，并利用低能源放射吸收技术确定油、气、水组份；英国JISKOOT公司设计的Mixmeter三相流量计，设计精巧，用差压变送器测定流量,并用双能级伽马源相分率计标定含水率、气油比等参数。

国内三相流量计研发起步较晚，且受制于国外流量检测技术垄断，以及受国内混相流动检测技术的瓶颈限制，尚没有较为知名的民族品牌，国内外市场份额仍然被国外品牌所占据。此外，目前市场上主流三相流量计产品多采用文丘里管和伽马密度计的组合形式。其中，伽马密度计利用伽马射线在不同密度介质中的衰减速率不同估算混合流体的密度，该技术存在放射源对环境和人体健康不友好、成本较高等缺陷。

2 新型在线三相流量计的研发

2.1 研发背景

自2016年以来，由于低油价的情况，降本增效成了油田可持续开发的关键。利用在线三相流量计替代传统三相分离器测量油井产量，是降本增效的有力手段，并可实时测量并获取数据，对地质开发部门及时做出方案调整和决策也起到了较好的支持作用。此外，为了打破国外技术垄断，把能源饭碗牢牢端在自己手中，我国自主研发出可靠的在线三相流量计就凸显出更深层的战略意义。

在此背景下，一种新型三相流量计被设计和研制出来，如图1所示，该流量计集智能化、小型化、非辐射、低成本等优点于一身。我们通过自主研发，突破了软、硬件技术瓶颈，填补了国内低成本、不分离三相流在线计量检测的技术空白。

图1 在线三相流量计实物图

2.2 技术原理

新型在线三相流量计，主要由四个模块组成：文丘里测量模块、微波检测模块、电学层析成像模块、数据处理及通讯模块[5-6]。

（1）文丘里测量模块

该模块利用双差压文丘里流量计测量气、液两相总流量。差压式流量计模块包括文丘里管，文丘里管上设置有差压传感器、压力传感器和温度传感器，它们可与数据采集处理模块连接。

（2）微波含水率检测模块

微波传感器包括传输线、密封圈和绝缘介质，其中传输线设置于密封圈内，密封圈设置于绝缘介质内，绝缘介质设置于管体内。微波含水率模块包括若干微波传感器，每个微波传感器空间位置方向和角度不同。总路微波含水率模块利用微波相位的平均值来测定水在三相中的相含率。

该模块通过检测微波在流体中的功率衰减和相位角的偏移，结合含水率计算模型求解出液体中的含水率。不同于传统的射频导纳技术的传感器，此方法测量更为精准，且受含矿化度影响更小。

（3）电磁测量成像及显示模块

该模块以电学层析成像技术为基础，通过对混相流体施加电激励，检测边界值变化，利用数学手段逆推混相流体内部的电特性参数分布，从而得到分布情况。显示模块与数据采集处理模块连接，用于显示输出数据采集处理模块的流量计算结果。

（4）数据处理分析和通讯模块

数据处理模块用来接收差压式流量计输出的均相流的压差信号，并将均相流的压差信号与体积流量代入多相流经验模型计算得到均相流的平均密度，同时能够根据差压式流量计采集到的压力、温度信号和油气水三相流中气相的组分，计算出工况气相密度。

此外，数据处理模块通过联立均相流的平均密度、平均介电常数和相含率之间的相互关系的线性方程组，求解得到油、气、水三相流量，并通过通讯系统上传至系统，供油田各相关部门查询和使用。

2.3 设备功能

该实时在线三相流量计通过软硬件配合可准确获取井口及管道内油气水三相流量，替代了传统三相分离器的测试方法，减少了工程投入和人工成本。

此外，该设备将油气物联网技术与三相流量计产品深度融合，并通过物联网平台软件提供多种测量参数的可视化界面，具有流型流态展示、流体成分、流量、压力等参数动态展示以及系统累计计量展示等多种功能。

3 现场应用

新型在线三相流量计产品下线后，在国内某油田开展了现场试验，试验主要有以下四个目的：

（1）验证实时在线三相流量计在油田环境下的工作性能；

（2）获取实时在线三相流量计的工况适用范围与计量精度数据；

（3）验证实时在线三相流量计在极端环境条件下的稳定性；

（4）针对产品使用效果，对设备进行更新迭代，以满足在各油田进行技术推广的需求。

在所属X油田先后部署15台设备，覆盖区块计量、单井计量，涉及抽油机井、电潜泵井等多种井型，液量范围15-200吨/天、气量范围2000-10000标方/天、含水率范围0-100%，基本覆盖了油田所有计量场景和井型井况。

该新型三相流量计通过灵活搭配的方式，与油田现有的计量标定车、翻斗计量、质量流量计、旋进漩涡流量计等设备，开展井/站内气液两相精度对比验证工作。

其中进行液相验证的12台设备，5台相对误差低于3%，7台相对误差低于5%。期间在X-121做了为期一个月的连续监测比对，对比数据见图2，三相流量计与质量流量计测量日产液趋势总体一致，其设备性能和稳定性得到验证。

图2 X-121站油井日产液跟踪比对

利用10台设备进行气相验证，结果显示设备相对误差均低于5%。随后，利用其中8台设备进行含水率验证，结果显示6台设备绝对误差小于3%，2台设备绝对误差小于5%，设备表现出了良好的性能。

以上测试结果显示，该新型三相流量计在液量、气量和含水率三个计量指标的精度上均能够满足油田生产需求，同时稳定性较高，能够满足油田的实际生产需要。

4 结论

（1）新型在线三相流量计，通过差压式流量计模块和总路微波含水率模块采集得到文丘里差压信号和微波幅值、相位信号，并通过数据采集处理模块计算得到气、液两相流量。该新型流量计通过加装集液器模块和液路微波含水率模块计算得到含水率，并通过结合总路微波含水率模块测量得到的体积含水率，进而联立求解得到油气水三相流量，是一种非分离、非放射的三相流检测系统。相比现有的三相分离式检测技术，该新型流量计实现了实时在线检测，具有结果准确、效率高的优点；相比现有的文丘里+伽马密度计的三相流量计组合形式，该新型流量计具有无放射性、对环境和人体健康友好的特点。

（2）新型在线三相流量计设计新颖、性能可靠，能够秒级实时在线获取油、气、水流量数据，可帮助油田用户更有效地判断油气井产量趋势和变化，为油田生产管理提供了可靠依据。

（3）新型在线三相流量计产品，支持多种标准通讯协议（Modbus TCP、ModbusRTU、A11 GRM等），并具备多种接口（以太网、RS485、无线Zigbee），可以和油田物联网、数字化建设深度融合。

（4）现场精度验证结果显示，新型在线三相流量计在液量、气量和含水率等参数计量的精度上完全能够满足油田生产需求，具备较高的稳定性和复杂工况下的工作能力，可满足油田各工况流量测量需要，并具备在国内外油田扩大应用的条件。

作者简介：

高  亮（1991-），男，中级工程师，硕士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，主要从事油气物联网方面的研究。

参考文献：

[1] 蔡珂盈, 黄琬曦, 郭碧清, 韩旭, 王宇, 张兴凯. 油气水三相流量计发展现状[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2018, 38 (24) : 92 - 93.

[2] 穆乃刚. 低产液油井三相计量的研究[D]. 大庆: 东北石油大学, 2013.

[3] 张瑞萍, 刘彤, 杨敏, 党峰. 三相流量计的发展状况分析[J]. 石油仪器, 2009, 23 (05) : 30 - 33 + 100.

[4] 言伯祥, 李宗乾. 一种新型的三相流量计[J]. 国外油田工程, 1992, (02) : 54.

[5] 史鹏涛, 李宏宏, 欧阳雪峰, 刘长远. 三相流量计自动倒井计量的研究[J].自动化博览, 2021, 38 (09) : 80 - 83.

[6] 陈冰, 闵利昆, 张雅楠, 刘星. 基于实时在线三相流量计的倒井一体化装置[J]. 仪器仪表户, 2020, 27 (12) : 5 - 7.

摘自《自动化博览》2023年3月刊