空氣流量計(jì)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)

0 引言
    隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油井的開發(fā)及生產(chǎn)管理開始邁向智能化和全自動(dòng)化。“智能井"，“智能油藏管理系統(tǒng)”等智能油田技術(shù)在油氣田開發(fā)中得到越來越廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，而井下流量控制技術(shù)已成為智能油田技術(shù)*的重要分支技術(shù)。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是通過安裝在井下的空氣流量計(jì)來完成。通過調(diào)整流量控制器的開合狀態(tài)來控制每個(gè)產(chǎn)層的流量，從而達(dá)到終優(yōu)化產(chǎn)量，提高采收率，減少能源消耗[1]。
1 空氣流量計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀
    自20世紀(jì)80年代開始研究多相流計(jì)量技術(shù)以來，多相流計(jì)量技術(shù)已進(jìn)入一個(gè)相對(duì)成熟的階段。空氣流量計(jì)不僅在陸上油田而且在海洋平臺(tái)及水下采油等方面都得以運(yùn)用。目前，新的空氣流量計(jì)技術(shù)的研究和開發(fā)活動(dòng)繼續(xù)有增無減。
    近年來，供應(yīng)商在研發(fā)方面投入了大量資金以找到計(jì)量多相流的新方法，這在提率方面有巨大的潛力，而且能夠給用戶帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。部分井下流量計(jì)量設(shè)備已安裝分離器，使其能夠?qū)怏w從流動(dòng)的液體中分離出來，在一定程度上提高了井下流量計(jì)量的精度。
    每種技術(shù)都是有利有弊的，它們的適用性如何取決于油井的條件、位置和產(chǎn)量。空氣流量計(jì)使用非常的技術(shù)，標(biāo)價(jià)大約325000美元。它使用多種測(cè)量技術(shù)比如對(duì)混合物用伽馬射線進(jìn)行密度測(cè)量，度很高，但出于對(duì)環(huán)境方面的考慮[2]，有些用戶不愿使用含有放射性材料的設(shè)備。
1.1 *分離技術(shù)
    *分離器也稱作試井分離器。這是一個(gè)巨大的容器，里面裝有大量開采出來的油、水、氣混合物的樣本。一旦容器里裝滿了樣本，天然氣就從上面排出，水下沉到底部，油浮到水的表面，和容器相連的污水流量計(jì)就可以分別測(cè)量出天然氣、石油和水的體積。試井分離具有很高的準(zhǔn)確性，在工業(yè)領(lǐng)域受到普遍認(rèn)可，但其龐大底座限制了它在海上平臺(tái)和水下的使用。*離析器需要依靠重力來把不同的流動(dòng)物體分離開，這一過程需要幾小時(shí)甚至很長(zhǎng)的時(shí)間，取決于石油有多重，因此經(jīng)營(yíng)者只能測(cè)定某一特定時(shí)期的平均流量，時(shí)效性極差。*離析器的平均售價(jià)是650000美元，且使用成本和維護(hù)成本都很高，每次使用后都需要對(duì)離析器進(jìn)行清潔以備下次使用。
1.2 部分分離技術(shù)
    部分分離器也叫做沉降旋風(fēng)分離器，如圖1所示，其基本原理是通過將天然氣與油水分離來解決多相流的問題。油、氣、水以一定的角度進(jìn)入到一個(gè)特殊的圓柱體，此過程產(chǎn)生的離心力將液體推出圓柱體外，里面只留下氣體，氣體升到頂部的時(shí)候，通過氣體流量計(jì)對(duì)其進(jìn)行計(jì)量，然后油水混合物通過含水率計(jì)或者其它的天然氣流量計(jì)進(jìn)行了計(jì)量。

圖1 部分分離流量計(jì)    
    從而可以及時(shí)地判斷一座井是否被充分地開采。部分分離器的成本也低，大約250000美元，其底座比*分離器的小得多，甚至可隨身攜帶，經(jīng)營(yíng)者能夠定期對(duì)可能產(chǎn)量不足的老井進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證投資一套*分離器是否值得。然而，部分分離器對(duì)測(cè)量稠油來說，可能不是一個(gè)理想的選擇，因?yàn)槌碛秃茈y通過離心進(jìn)行分離。
1.3 不分離技術(shù)
    文丘里管比重流量計(jì)[3]只包含3個(gè)傳感器，能在沒有滑移模型甚至在高偏斜、回流的情況下，對(duì)多相流速和相分率進(jìn)行測(cè)量。該設(shè)備是由標(biāo)準(zhǔn)文丘里管和伽馬射線比重計(jì)的簡(jiǎn)單組合而成，比重計(jì)的放射性源極低（<10uci），用來測(cè)量混合物的密度。這2個(gè)裝置（文丘里管和比重計(jì)）的共生機(jī)能提高了測(cè)試的效用和精度，其關(guān)鍵因素在于文丘里管在計(jì)量過程中產(chǎn)生攪拌的功能，伽馬射線比重計(jì)在文丘里管的下游，多相流被均勻的混合之后，在滑移消失的地方對(duì)流體進(jìn)行計(jì)量，如圖2所示。因此，文丘里管比重流量計(jì)能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)井下多相流進(jìn)行計(jì)量。

圖2 概念圖
    文丘里比重流量計(jì)是新一代的設(shè)備，如圖3所示，其性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝，從中可以提取重要的數(shù)值，特別是當(dāng)流量計(jì)的安裝與一個(gè)好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)結(jié)合在一起時(shí)，可以安全地向遠(yuǎn)地點(diǎn)傳送高質(zhì)量的數(shù)據(jù)并能進(jìn)行事件報(bào)告和對(duì)井場(chǎng)功能控制的遠(yuǎn)程建議?？諝饬髁坑?jì)都要依靠物理流量參數(shù)，比如說文丘里管的測(cè)試段（喉管），需要穩(wěn)定的流體流過其截面，還需要進(jìn)行流量校準(zhǔn)。

圖3 文丘里管比重流量計(jì)的執(zhí)行圖   
2 空氣流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)
2.1　空氣流量計(jì)向著服務(wù)于重油開發(fā)的方向發(fā)展
    經(jīng)勘探表明：重油和超重油已占世界總油田儲(chǔ)量的50%以上。很多大的石油公司已經(jīng)花費(fèi)很大的人力物力在克服重油開發(fā)的各種難題上，新的設(shè)備和新的理論都用來克服重油開發(fā)技術(shù)上的難題和流量監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)上，各大石油公司要通過油、氣、水各自的流量來確定油藏的各層含油量。在這種具有挑戰(zhàn)性的情況下，試用了各種空氣流量計(jì)計(jì)量后，他們發(fā)現(xiàn)文丘里-伽馬射線流量計(jì)（如圖4所示），能夠解決其它形式的流量計(jì)不能解決的問題[4]。
    這種多相流技術(shù)克服了混相流量測(cè)試系統(tǒng)的精度問題，試驗(yàn)?zāi)M以及現(xiàn)場(chǎng)使用證明該空氣流量計(jì)的不確定度低于2%。幾年之前，人們認(rèn)為重油油藏不是好的經(jīng)濟(jì)來源。如今，石油公司為了提高世界范圍內(nèi)的能源需求，通過研究提出：重油是石油行業(yè)的未來。同時(shí)，生產(chǎn)重油需要在技術(shù)上大量的投入，為了獲得清楚的多相流數(shù)據(jù)，也需要在空氣流量計(jì)上花大量的功夫。

圖4　多相流技術(shù)的原理
2.2　向服務(wù)于智能井發(fā)展的井下污水流量計(jì)
    智能油田開發(fā)系統(tǒng)是一種能在多層段、多分支油井中，從地面控制、分析和管理油井的完井系統(tǒng)，它包括井內(nèi)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)評(píng)估、模擬及遙控流量等工作。其中對(duì)油、氣、水三相流量在線實(shí)時(shí)計(jì)量，是智能油田開發(fā)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前主要的研究是在三相混合物相態(tài)理論指導(dǎo)下，利用各類精密傳感器在油、氣、水混合的條件下，同時(shí)計(jì)量油、氣、水的單相流量。國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究也已開展近十年，在相關(guān)理論與技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。井下文丘里流量計(jì)就是一種新型的、能適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境的裝置，測(cè)量精度高，適合井下流量計(jì)量與控制。
    井下文丘里流量計(jì)如圖5所示。井下多相流體流經(jīng)均相混合器之后，可以近似認(rèn)為是混合均勻的流體，當(dāng)管路中流體流經(jīng)文丘里管時(shí)，液流斷面收縮，在收縮斷面處流速增加，壓力降低，使文丘里管前后產(chǎn)生壓差，再根據(jù)測(cè)得的壓差計(jì)算流速。后結(jié)合計(jì)算得到的各相相分率便可以得到各相流量。由于地描述流體運(yùn)動(dòng)十分困難，因此，通常是利用某些在假定基礎(chǔ)上成立的簡(jiǎn)單關(guān)系，推導(dǎo)并建立出實(shí)際可用的描述流體運(yùn)動(dòng)理論公式。節(jié)流流量計(jì)的原理就是由伯努利方程和連續(xù)性方程導(dǎo)出的。

圖5 新型文丘里流量計(jì)的文丘里管結(jié)構(gòu)
    文丘里流量計(jì)設(shè)計(jì)的主要目的是在石油開發(fā)井的任何位置都能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制相應(yīng)的工具進(jìn)行動(dòng)作；同時(shí)，為了滿足井下測(cè)量裝置污水流量計(jì)量以及復(fù)雜環(huán)境方面的要求，必須研制用于高溫高壓情況下的傳感器。
3 結(jié)束語
    隨著電子工業(yè)的發(fā)展，傳感器技術(shù)也日臻完善，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的傳感器能滿足各種環(huán)境下的要求，并且提供高精度的數(shù)據(jù)。正是如此，流量計(jì)由井面開始向井下發(fā)展。由于受到條件的限制，在采重油的過程當(dāng)中，目前的技術(shù)還不足以將流量計(jì)放置于井下。對(duì)于智能井完井系統(tǒng)而言，早有文獻(xiàn)記載可以將伽馬射線和文丘里管結(jié)合來計(jì)量流量，而文丘里管流量計(jì)則因其*的結(jié)構(gòu)和低廉的造價(jià)，勢(shì)必成為智能完井系統(tǒng)的計(jì)量設(shè)備。