文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）10-080-04中图分类号：TP216

★张雅楠，刘淼，陈冰，韩宏志，宋子平（昆仑数智科技有限责任公司，北京102206）

关键词：三相流量计；在线检测；迭代创新；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、温度及产量数据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。在油田生产过程中，通常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计量；另外，就是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。这些工艺工作量较大、费用高，且无法实现连续计量。因此，油田开发和生产急需可靠的在线三相计量装置来降低投资，提升测量效率。

通过在油田部署三相流量计，可实现单井、区块的油、气、水产量数据的在线自动采集，并可优化油气田企业地面工艺流程，降低建设和运行成本，提高生产管理和地质油藏分析的准确度和及时性，为企业数字化转型提供了支撑。

然而，利用三相流量计对多相流流动进行测试的过程非常复杂。油、气、水在不同的流量（液相、气相流速）、气-液比例下所形成的流型流态，对于横管，包含有层流、泡状流、段塞流、雾状流等，影响因素高，测量难度大，测量精度与传统三相分离器测量结果相比，通常存在较大的误差，也成为限制三相流量计大面积应用的技术瓶颈[1-2]。行业内通常是通过将三相流量计不断进行现场试验，利用迭代创新的方法，通过持续改进提高测量结果，从而让三相流量计能够更准确地获取油气水流量，满足油田生产管理及油藏动态分析要求。

1　在线三相流量计研发历程与存在问题

1.1　试验平台及一代机研发过程

本文研究的在线三相流量计依托国内顶尖多相流实验室，从油田现场实际需要出发，以打破国外技术垄断、实现三相流量计完全自主研发、最终完成国内油田同类产品全部国产替代为科研目标。

图1 在线三相流量计外型结构图

2017年底，第一代在线三相流量计产品样机研发成功（如图1所示）。该产品基于多传感器的紧凑型集成测量解决方案，在软件和硬件技术实现完全自主研发及国产化，具备测量过程中绿色无辐射、安全可靠、高精确度、模块化设计维护成本低等多项优势（如图2所示），填补了国内低成本、不分离三相流在线计量的技术空白。2018年，该产品完成在石油工业计量测试研究所的测试工作。

图2 三相流量计技术特点

第一代样机通过测试评估后，三相流量计产品进入现场试验环节，并按照先试点、再规模推广的方式开展后续工作。项目组迅速成立多个现场试验小组，挑选国内五家具有代表性的油田同时开展现场试验，在单井井口、计量间倒井计量、区块计量等场景部署三相流量计设备百台套，对油、气、水产量开展不分离、在线自动采集作业（见图3）。

图3 油田井场三相流量计测试流程图

1.2　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、电学层析成像模块和数据处理及通讯模块[3-5]。

（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，它们均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，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。此方法不同于传统的射频导纳技术的传感器，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

电磁测量成像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，并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。

1.3　设备功能

该实时在线三相流量计通过软硬件配合能够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，该三相流量计与油气物联网技术深度融合，可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。

1.4　设备局限性分析

第一个试验阶段评价显示一代三相流量计在液量、气量和含水率三相计量精度方面能够满足油田生产需求，在多个工况下具有较好的稳定性，但同时也暴露出如硬件设计与现场工况不匹配、软件平台数据查询功能不友好、标定样本数量不足影响测量精度等一系列问题。

2　性能提升及产品升级

通过总结一代机的技术问题，科研人员借助迭代创新的思路，在不同的试验场地开展相关对策研究，对产品的硬件设计、软件功能、核心模型上进行了持续改进、攻关升级，形成二代产品，使其在环境适用性、工作稳定性和性能指标上都得到了较大提升，如表1所示。

表1 三相流量计迭代创新升级内容

二代样机出厂后，迅速进入多个油田矿区开展现场试验评价。其针对单井计量，覆盖自喷井、抽油机井、电泵井等多种开采方式，测试井况从西北某油田的15~50吨/天、气产量0~15000标方/天、含水率50%~99%的高含气、高含水工况，到东北某油田的10~15吨/天的低产气、高含水井况，验证了三相流量计在多个产液范围内的适用性。该产品支持提供秒级在线流量数据，可帮助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　结论

（1）迭代创新不仅是实现产品更高价值的主要动力因素，更是一个高科技企业项目管理能力和技术创新变革的智慧源泉。

（2）三相流量计通过不断的现场试验测试，发现问题，寻找解决思路，不断提升产品可靠性和测量精度，逐步完成三相流量计从一代向二代的升级，实现了国内典型油田0-100吨/天流量检测，从高含气低含水到低含气高含水的工况全覆盖，测试精度从15%误差率逐步提升为10%误差率以内。

（3）目前第二代三相流量计已经完成中试阶段工作，正在准备进入第二阶段大面积推广应用。三代概念机的研发正在开展，该项研究主要聚焦物联网技术与三相流量计的深度融合，通过AI技术的全面升级，进一步提升设备的适用性和检测精度，实现真正意义上的在线监测与无人值守，打造出较国外产品更加适合国内油田井况的国产民族品牌。

作者简介：

张雅楠（1986-），男，河北张家口人，工程师，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相关科研及产品推广工作。

参考文献：

[1] 蔡珂盈, 黄琬曦, 郭碧清, 等. 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] 张瑞萍, 刘彤, 杨敏, 等. 三相流量计的发展状况分析[J]. 石油仪器, 2009, 23 (05) : 30 - 33 + 100.

[3] 史鹏涛, 李宏宏, 欧阳雪峰, 等. 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.

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

[5] 申洪源, 马亮, 张雅楠, 等. 基于多传感器和SVR算法的油田多相流实时计量技术研究[J]. 仪器仪表用户, 2019, 10 (15) : 15 - 20.

摘自《自动化博览》2023年10月刊