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環(huán)中的動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，建立了三相流渦輪流量計(jì)統(tǒng)計(jì)測量模型，該模型考慮了三相流等效“氣液”滑脫速度及流動密度因素，回避了復(fù)雜流型對測量模型影響。該模型預(yù)測三相流總流量過程相對簡單，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)組合測量可以有效地測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)測井需要，大慶油田在原來皮球集流三相流生產(chǎn)測井組合儀基礎(chǔ)上，研制成功了遙測傘集流油氣水三相流生產(chǎn)測井組合儀，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量。與皮球集流油氣水三相流渦輪流量計(jì)測井解釋方法相比，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)測量物理模型。

井下多相流測井解釋模型可分為統(tǒng)計(jì)模型、物理模型、*優(yōu)化模型及軟測量模型。統(tǒng)計(jì)模型直接從含有幾個物理量的測量數(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)雜且已知大量測試樣本數(shù)據(jù)情況下，能夠較方便地獲取多相流流動參量之間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。物理模型則是從多相流動機(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)方法精確求解流動參量，需對實(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)空三相流測井資料解釋。

基于傘集流油氣水三相流測井組合儀在大慶油田多相流模擬裝置上的動態(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量油氣水三相流總流量。

1、傘集流三相流渦輪流量計(jì)動態(tài)測量特性

傘集流油氣水三相流測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)和遙測短節(jié)。傘集流器張開后，井內(nèi)流體進(jìn)入測量通道，由渦輪流量計(jì)測量體積流量，由持水率-密度計(jì)測量密度和持水率，然后流體流出測量通道，井溫壓力計(jì)用來測量井內(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，改善了其動態(tài)響應(yīng)特性。

傘集流三相流測井組合儀在多相流模擬井中的動態(tài)實(shí)驗(yàn)是在大慶生產(chǎn)測井研究所進(jìn)行的，垂直上升管中三相流流動工況范圍：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，對同一個流動密度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；對不同的流動密度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。

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

2.2集流后過流通道內(nèi)三相流流動密度模型及總流量預(yù)測

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

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，在建立三相流流動密度模型時，僅考慮等效“氣液”相間滑脫的影響。

由滑脫速度定義有

對全部120組油氣水三相流實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)含氣率Kg與流動密度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)。可以看出對于相同的含氣率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。

對于圖6中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，可得到流動密度數(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)算得到三相流流動密度值。圖9為計(jì)算得到的流動密度與模擬井實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的流動密度比較結(jié)果。可以看出，絕大部分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的流動密度預(yù)測偏差落在-0.03與0.03誤差線之間(圖9中ρnn表示預(yù)測流動密度，ρn為模擬井標(biāo)定流動密度)，其絕對平均誤差為AD=0.018g/cm³，絕對平均相對誤差為AAPD=3.6%，與圖2所示的實(shí)驗(yàn)關(guān)系相比，其三相流流動密度的預(yù)測精度是令人滿意的。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)測得到三相流總流量。圖10為預(yù)測總流量誤差結(jié)果，其絕對平均誤差為AD=2.639m³/d，絕對平均相對誤差為AAPD=5.8%，取得了較高精度的油氣水三相流總流量預(yù)測結(jié)果。

3、現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

用本文提出的總流量預(yù)測模型共處理了8口含氣油井的三相流測井資料。圖11為北1-2-420井三相流測井資料處理實(shí)例，其解釋結(jié)果見表1。經(jīng)對8口含氣油井的實(shí)際處理效果表明，傘集流三相流測井組合儀可以較準(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)測量響應(yīng)特性為基礎(chǔ)，結(jié)合三相流流動密度及等效“氣液”滑脫速度模型，可以建立具有較高總流量預(yù)測精度的渦輪流量計(jì)半理論半經(jīng)驗(yàn)測量模型，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集流后測量通道內(nèi)三相流流型特征影響很大，而三相流測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井技術(shù)的重要保障。