[摘要]基于皮球及傘集流渦輪流量計(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)測(cè)量結(jié)果，建立了預(yù)測(cè)三相流總流量的渦輪流量計(jì)物理模型及軟測(cè)量模型，給出了具有精度高的三相流總流量預(yù)測(cè)結(jié)果，表明利用皮球及傘集流型渦輪流量計(jì)仍然可以有效地測(cè)量油氣水三相流總流量。
眾所周知，油氣水三相流測(cè)井技術(shù)是目前油田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中迫切需要解決的難題之一。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，大慶油田與吉林大學(xué)合作最早提出了用于自噴井中的集流型放射性低能源測(cè)量油氣水三相流流量方法"。隨著大規(guī)模的油井轉(zhuǎn)抽，大慶油田在原來(lái)三相流測(cè)井技術(shù)基礎(chǔ)上又研制成了皮球及傘集流型環(huán)空三相流測(cè)井儀[2-5),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)多種傳感器的組合。在該項(xiàng)三相流測(cè)井技術(shù)中，渦輪流量計(jì)在三相流總流量測(cè)量中扮演了重要角色，如何將渦輪流量計(jì)與其它密度及持水率測(cè)井信息進(jìn)行有效組合以實(shí)現(xiàn)總流量測(cè)量是油氣水三相流分相流量測(cè)量的重要基礎(chǔ)。
盡管渦輪流量計(jì)在三相流測(cè)井技術(shù)中已取得--定應(yīng)用效果，但是，對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量三相流總流量的理論認(rèn)識(shí)還仍有局限性，近年來(lái)的三相流測(cè)井實(shí)踐表明，采用不同集流程度的集流器后，其三相流測(cè)井解釋模型會(huì)發(fā)生較大變化，在一定程度上制約了渦輪流量計(jì)在三相流測(cè)井中的應(yīng)用效果。鑒于目前對(duì)發(fā)展油氣水三相流測(cè)井技術(shù)的迫切性，本文對(duì)皮球集流渦輪流量計(jì)從三相流流動(dòng)特性與測(cè)量特性相結(jié)合角度進(jìn)行了綜合考察，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)渦輪流量計(jì)測(cè)量油氣水三相流機(jī)理，并為今后三相流測(cè)井解釋技術(shù)發(fā)展提供借鑒。
1油氣水三相流測(cè)井組合儀
1.1皮球集流三相流測(cè)井組合儀
如圖1所示，皮球集流環(huán)空三相流測(cè)井組合儀自下而上是皮球集流器、渦輪流量計(jì)、持水率-密度計(jì)、井溫壓力計(jì),其中渦輪流量計(jì)放置在集流后過(guò)流通道內(nèi)，由于集流器的集流效果，使得測(cè)量通道內(nèi)油氣水三相流流型相對(duì)變得均勻，可改善渦輪流量計(jì)測(cè)量效果。密度-持水率采用放射性低能源測(cè)量方法。
1.2傘集流三相流測(cè)井組合儀
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.壓力短接和遙測(cè)短接(圖2)。傘集流器張開(kāi)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(lái)測(cè)量井內(nèi)的溫度和壓力。
持水率-密度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。放射源在測(cè)量流道內(nèi)居中放置，被測(cè)量的三相流體繞過(guò)放射源進(jìn)入測(cè)量區(qū)域，放射源發(fā)射的x射線(xiàn)和γ射線(xiàn)通過(guò)被測(cè)流體后，經(jīng)過(guò)密封準(zhǔn)直器使射線(xiàn)準(zhǔn)直通過(guò)，之后進(jìn)入由Nal(TI)晶體和光電倍增管(PMT)組成的閃爍探測(cè)器。Nal(TI)晶體將每個(gè)x和γ(光子轉(zhuǎn)換成為多個(gè)可見(jiàn)光子，可見(jiàn)光子的數(shù)量正比于到來(lái)光子的能量;然后由光電倍增管將這些可見(jiàn)光子轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，信號(hào)的輸出幅度正比于射線(xiàn)的能量，供后續(xù)電路處理。新設(shè)計(jì)的傳感器在流道結(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。
2皮球集流渦輪流量計(jì)在油氣水三相流中測(cè)量特性
皮球集流渦輪流量計(jì)在三相流模擬井中動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)是在大慶生產(chǎn)測(cè)井研究所進(jìn)行的，垂直上升管中油氣水三相流流動(dòng)工況范圍如下:水流量為0~60m³/d;油流量為0~45m³/d;氣流量為0~125m³/d;含氣率為0~80%;含水率為0~90%;含油率為0~85%，實(shí)驗(yàn)共測(cè)取了86組組合儀測(cè)量數(shù)據(jù)。圖4為.皮球集流渦輪流量計(jì)在不同流動(dòng)密度ρn時(shí)的測(cè)量響應(yīng)特性。從圖4中可以看出:對(duì)同一ρn值，渦輪轉(zhuǎn)速TRPM隨三相流總流量增加而增加;隨流動(dòng)密度ρn增加，渦輪流量計(jì)測(cè)量靈敏度增加。流動(dòng)密度ρn定義為:
圖5給出了流動(dòng)密度ρn與測(cè)量混合密度ρm之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系，由于三相流相間存在滑脫效應(yīng)及流型的非均勻分布，其二者之間還存在較大差異。理論上無(wú)滑脫均勻混相流體的流動(dòng)密度ρn與混合密度ρm應(yīng)相等。如果單從氣液兩相流動(dòng)考察，流動(dòng)密度ρn與混合密度ρm之間數(shù)學(xué)關(guān)系，即:
式中:ρt為液相密度，C。為相分布系數(shù)，Vgj為氣相漂移速度，Vm為氣液兩相流混合速度。由(2)式可以看出，相間滑脫及相分布特性是影響流動(dòng)密度ρn與混合密度ρm差別的主要因素。顯然，若混相流體均勻混合且無(wú)相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則有:Co=1，Vgj=0,也就是ρn=ρm，ρn有時(shí)稱(chēng)為無(wú)滑脫密度就是由此而得。但是，在一般情況下，混相流體并非完全均勻混合的,且存在著相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以有:Co≠1,Vgj≠0，也就是ρn≠ρm。由此看到，正確確定Co及Vgj是表達(dá)ρn與ρm之間關(guān)系的關(guān)鍵。
基于油氣水三相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用兩相流漂移模型，可得到圖6及圖7所示相分布系數(shù)C。及漂移速度Vgj的關(guān)系曲線(xiàn)，可以看出，集流通道內(nèi)油氣水三相流流型是復(fù)雜多變的。
3傘集流渦輪流量計(jì)在油氣水三相流中測(cè)量特性
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)工況范圍如下: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8(a)為傘集流條件下渦輪流量計(jì)在全油及全水中的測(cè)量特性，其線(xiàn)性擬合響應(yīng)方程分別為:
式中:rRPS為渦輪轉(zhuǎn)速，r/s，Qw、Q。分別為水相及油相流量，m³/d。可以看出，在單相油及單相水中傘集流的渦輪流量計(jì)響應(yīng)特性基本上是穩(wěn)定的，其儀器因子為:Kw=K。=1.1r/s·d·m-3。圖8(b)為傘集流條件下渦輪流量計(jì)在油水兩相流中的測(cè)量特性，其線(xiàn)性擬合響應(yīng)方程為:
在油水兩相流中儀器因子為:Kow=1.12(r/s·d·m-3),該值基本上與單相流的儀器因子相同，表明油水兩相流中傘集流渦輪流量計(jì)仍具有單相流的穩(wěn)定響應(yīng)特性。
圖9為傘集流渦輪流量計(jì)在油氣水三相流中測(cè)量特性。圖中Qv/Qw為油水流量之比，ρn為流動(dòng)密度�？梢钥闯�:對(duì)同一個(gè)ρn值，渦輪每秒轉(zhuǎn)速rRPS隨三相流總流量增加而增加;另外，隨著Q。/Qw比值增加，渦輪轉(zhuǎn)速rRes受Q。/Q。比值影響也隨之增大，當(dāng)Q。/Qw≥4.0時(shí)影響尤為顯著。
根據(jù)在多相流模擬井動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的氣相流型特征，我們分ρm>ρn及ρm<ρn兩種情況給出如圖10中所示的氣相流型隨流動(dòng)參數(shù)變化情況。可以看出，正是持氣率Hg小于0.425時(shí)，出現(xiàn)了較多的不穩(wěn)定段塞流流型。測(cè)量通道內(nèi)較多段塞流流型工況的出現(xiàn)，對(duì)總流量及分相含率測(cè)量影響很大。
4皮球集流渦輪流量計(jì)測(cè)量油氣水三相流總流量模型
定義在三相流中渦輪流量計(jì)儀表因子K為:.
結(jié)合(6)~(10)式，就可以預(yù)測(cè)三相流總流量Qi。圖11為預(yù)測(cè)的油氣水三相流總流量結(jié)果，其中，絕對(duì)平均誤差為:δAD=3.976m³/d,絕對(duì)平均相對(duì)誤差為:δAApD=8.69%，可以看出，總流量的預(yù)測(cè)效果還是比較好的。
5傘集流渦輪流量計(jì)測(cè)量油氣水三相流總流量模型
由傘集流三相流測(cè)井組合儀可以測(cè)量得到:渦輪轉(zhuǎn)速rRps、混合密度m、持油率H、持氣率Hg持水率Hw;氣相密度ρg、油相密度ρo及水相密度ρw，可以由測(cè)量得到的溫度與壓力參數(shù)通過(guò)儲(chǔ)層PVT相關(guān)式計(jì)算得到。三相流總流量及分相含率軟測(cè)量模型如圖12所示，其中總流量預(yù)測(cè)采用基于誤差反向傳播的多層前饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)均為三層，輸人層均有五個(gè)變量(rRrs、ρm、H。Hg及Hw)。隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇為10,總流量輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為單輸出(Qt)，在實(shí)際訓(xùn)練中激活函數(shù)選用雙曲正切函數(shù)tanh(x)。選用Levenbery-Marquardt(非線(xiàn)性阻尼最小乘法)優(yōu)化算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行總流量訓(xùn)練學(xué)習(xí)。
實(shí)驗(yàn)共采集到120組三相流測(cè)量樣本數(shù)據(jù)，在總流量的預(yù)測(cè)過(guò)程中選取92組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，28個(gè)組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證。對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的總流量與實(shí)際標(biāo)定的總流量數(shù)值進(jìn)行了比較，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖13所示。對(duì)總流量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析,圖13中δAD為絕對(duì)平均誤差,δAAPD為絕對(duì)平均相對(duì)誤差，其定義式分別為:
得到總流量的預(yù)測(cè)結(jié)果為δAD,=2.44m³/d,δAAPD)=5.48%，取得了較高的總流量預(yù)測(cè)效果。
6結(jié)束語(yǔ)
(1)皮球集流渦輪流量計(jì)與放射性密度-持水率計(jì)組合，在油氣水三相流條件下，采用物理模型仍可以給出精度高總流量預(yù)測(cè)結(jié)果。在如此復(fù)雜的油氣水三相流測(cè)井技術(shù)中，集流型渦輪流量計(jì)仍不失為測(cè)量三相流總流量的有效方法。
(2)在油氣水三相流流動(dòng)條件下，盡管傘集流器傘筋間存在混相流體的非線(xiàn)性漏失，且集流后測(cè)量通道內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律異常復(fù)雜，但是，傘集流渦輪流量計(jì)與放射性密度-持水率計(jì)組合,基于多參數(shù)測(cè)量結(jié)果的軟測(cè)量模型仍可以給出具有精度高的三相流總流量預(yù)測(cè)結(jié)果。
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