空气流量计的现状以及发展趋势

　　0 引言

　　 随着石油工业的发展，油井的开发及生产管理开始迈向智能化和全自动化。“智能井"，“智能油藏管理系统”等智能油田技术在油气田开发中得到越来越广泛的应用与发展，而井下流量控制技术已成为智能油田技术不可缺少的重要分支技术。这一技术的实现主要是通过安装在井下的空气流量计来完成。通过调整流量控制器的开合状态来控制每个产层的流量，从而达到终优化产量，提高采收率，减少能源消耗[1]。

　　1 空气流量计的发展现状

　　 自20世纪80年代开始研究多相流计量技术以来，多相流计量技术已进入一个相对成熟的阶段。空气流量计不仅在陆上油田而且在海洋平台及水下采油等方面都得以运用。目前，新的空气流量计技术的研究和开发活动继续有增无减。

　　 近年来，供应商在研发方面投入了大量资金以找到计量多相流的新方法，这在提率方面有巨大的潜力，而且能够给用户带来很大的经济效益。部分井下流量计量设备已安装分离器，使其能够将气体从流动的液体中分离出来，在一定程度上提高了井下流量计量的精度。

　　 每种技术都是有利有弊的，它们的适用性如何取决于油井的条件、位置和产量。空气流量计使用非常的技术，标价大约325000美元。它使用多种测量技术比如对混合物用伽马射线进行密度测量，度很高，但出于对环境方面的考虑[2]，有些用户不愿使用含有放射性材料的设备。

　　1.1 完全分离技术

　　 完全分离器也称作试井分离器。这是一个巨大的容器，里面装有大量开采出来的油、水、气混合物的样本。一旦容器里装满了样本，天然气就从上面排出，水下沉到底部，油浮到水的表面，和容器相连的污水流量计就可以分别测量出天然气、石油和水的体积。试井分离具有很高的准确性，在工业领域受到普遍认可，但其庞大底座限制了它在海上平台和水下的使用。完全离析器需要依靠重力来把不同的流动物体分离开，这一过程需要几小时甚至很长的时间，取决于石油有多重，因此经营者只能测定某一特定时期的平均流量，时效性极差。完全离析器的平均售价是650000美元，且使用成本和维护成本都很高，每次使用后都需要对离析器进行清洁以备下次使用。

　　1.2 部分分离技术

　　 部分分离器也叫做沉降旋风分离器，如图1所示，其基本原理是通过将天然气与油水分离来解决多相流的问题。油、气、水以一定的角度进入到一个特殊的圆柱体，此过程产生的离心力将液体推出圆柱体外，里面只留下气体，气体升到顶部的时候，通过气体流量计对其进行计量，然后油水混合物通过含水率计或者其它的天然气流量计进行了计量。

　　图1 部分分离流量计

　　 从而可以及时地判断一座井是否被充分地开采。部分分离器的成本也低，大约250000美元，其底座比完全分离器的小得多，甚至可随身携带，经营者能够定期对可能产量不足的老井进行测量，验证投资一套完全分离器是否值得。然而，部分分离器对测量稠油来说，可能不是一个理想的选择，因为稠油很难通过离心进行分离。

　　1.3 不分离技术

　　 文丘里管比重流量计[3]只包含3个传感器，能在没有滑移模型甚至在高偏斜、回流的情况下，对多相流速和相分率进行测量。该设备是由标准文丘里管和伽马射线比重计的简单组合而成，比重计的放射性源极低（<10uci），用来测量混合物的密度。这2个装置（文丘里管和比重计）的共生机能提高了测试的效用和精度，其关键因素在于文丘里管在计量过程中产生搅拌的功能，伽马射线比重计在文丘里管的下游，多相流被均匀的混合之后，在滑移消失的地方对流体进行计量，如图2所示。因此，文丘里管比重流量计能够较为准确地对井下多相流进行计量。

　　图2 概念图

　　 文丘里比重流量计是新一代的设备，如图3所示，其性能可靠、结构简单、易于安装，从中可以提取重要的数值，特别是当流量计的安装与一个好的实时数据获取和控制系统结合在一起时，可以安全地向远地点传送高质量的数据并能进行事件报告和对井场功能控制的远程建议。空气流量计都要依靠物理流量参数，比如说文丘里管的测试段（喉管），需要稳定的流体流过其截面，还需要进行流量校准。

　　图3 文丘里管比重流量计的执行图

　　2 空气流量计的发展趋势

　　2.1

　　空气流量计向着服务于重油开发的方向发展

　　 经勘探表明：重油和超重油已占世界总油田储量的50%以上。很多大的石油公司已经花费很大的人力物力在克服重油开发的各种难题上，新的设备和新的理论都用来克服重油开发技术上的难题和流量监测的挑战上，各大石油公司要通过油、气、水各自的流量来确定油藏的各层含油量。在这种具有挑战性的情况下，试用了各种空气流量计计量后，他们发现文丘里-伽马射线流量计（如图4所示），能够解决其它形式的流量计不能解决的问题[4]。

　　 这种多相流技术克服了混相流量测试系统的精度问题，试验模拟以及现场使用证明该空气流量计的不确定度低于2%。几年之前，人们认为重油油藏不是好的经济来源。如今，石油公司为了提高世界范围内的能源需求，通过研究提出：重油是石油行业的未来。同时，生产重油需要在技术上大量的投入，为了获得清楚的多相流数据，也需要在空气流量计上花大量的功夫。

　　图4

　　多相流技术的原理

　　2.2

　　向服务于智能井发展的井下污水流量计

　　 智能油田开发系统是一种能在多层段、多分支油井中，从地面控制、分析和管理油井的完井系统，它包括井内监测、数据评估、模拟及遥控流量等工作。其中对油、气、水三相流量在线实时计量，是智能油田开发系统中的一个重要环节，目前主要的研究是在三相混合物相态理论指导下，利用各类精密传感器在油、气、水混合的条件下，同时计量油、气、水的单相流量。国内在此领域的研究也已开展近十年，在相关理论与技术方面取得了重要进展。井下文丘里流量计就是一种新型的、能适应井下复杂环境的装置，测量精度高，适合井下流量计量与控制。

　　 井下文丘里流量计如图5所示。井下多相流体流经均相混合器之后，可以近似认为是混合均匀的流体，当管路中流体流经文丘里管时，液流断面收缩，在收缩断面处流速增加，压力降低，使文丘里管前后产生压差，再根据测得的压差计算流速。后结合计算得到的各相相分率便可以得到各相流量。由于地描述流体运动十分困难，因此，通常是利用某些在假定基础上成立的简单关系，推导并建立出实际可用的描述流体运动理论公式。节流流量计的原理就是由伯努利方程和连续性方程导出的。

　　图5 新型文丘里流量计的文丘里管结构

　　 文丘里流量计设计的主要目的是在石油开发井的任何位置都能进行监测，控制相应的工具进行动作；同时，为了满足井下测量装置污水流量计量以及复杂环境方面的要求，必须研制用于高温高压情况下的传感器。

　　3 结束语

　　 随着电子工业的发展，传感器技术也日臻完善，现在工业生产的传感器能满足各种环境下的要求，并且提供高精度的数据。正是如此，流量计由井面开始向井下发展。由于受到条件的限制，在采重油的过程当中，目前的技术还不足以将流量计放置于井下。对于智能井完井系统而言，早有文献记载可以将伽马射线和文丘里管结合来计量流量，而文丘里管流量计则因其独特的结构和低廉的造价，势必成为智能完井系统的计量设备。