[導讀] 闡述了井下多相流量測量技術發展現狀，介紹了流量計的發展方向，以此來優化產量，實現更好的制定油田的采油工藝，確定最有價值信息，以及對油藏管理做出更迅速的反應，對重油開發和智能完井具有指導意義。
0 引言
隨著石油工業的發展，油井的開發及生產管理開始邁向智能化和全自動化。“智能井"，“智能油藏管理系統”等智能油田技術在油氣田開發中得到越來越廣泛的應用與發展，而井下流量控制技術已成為智能油田技術不可缺少的重要分支技術。這一技術的實現主要是通過安裝在井下的多相流量計來完成。通過調整流量控制器的開合狀態來控制每個產層的流量，從而達到最終優化產量，提高采收率，減少能源消耗[1]。
1 多相流量計的發展現狀
自20世紀80年代開始研究多相流計量技術以來，多相流計量技術已進入一個相對成熟的階段。多相流量計不僅在陸上油田而且在海洋平臺及水下采油等方面都得以運用。目前，新的多相流量計技術的研究和開發活動繼續有增無減。
近年來，供應商在研發方面投入了大量資金以找到計量多相流的新方法，這在提高效率方面有巨大的潛力，而且能夠給用戶帶來很大的經濟效益。部分井下流量計量設備已安裝分離器，使其能夠將氣體從流動的液體中分離出來，在一定程度上提高了井下流量計量的精度。
每種技術都是有利有弊的，它們的適用性如何取決于油井的條件、位置和產量。多相流量計使用非常尖端的技術，標價大約325000美元。它使用多種測量技術比如對混合物用伽馬射線進行密度測量，精確度很高，但出于對環境方面的考慮[2]，有些用戶不愿使用含有放射性材料的設備。
1.1 完全分離技術
完全分離器也稱作試井分離器。這是一個巨大的容器，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，和容器相連的流量計就可以分別測量出天然氣、石油和水的體積。試井分離具有很高的準確性，在工業領域受到普遍認可，但其龐大底座限制了它在海上平臺和水下的使用。完全離析器需要依靠重力來把不同的流動物體分離開，這一過程需要幾小時甚至很長的時間，取決于石油有多重，因此經營者只能測定某一特定時期的平均流量，時效性極差。完全離析器的平均售價是650000美元，且使用成本和維護成本都很高，每次使用后都需要對離析器進行清潔以備下次使用。
1.2 部分分離技術
部分分離器也叫做沉降旋風分離器，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、水以一定的角度進入到一個特殊的圓柱體，此過程產生的離心力將液體推出圓柱體外，里面只留下氣體，氣體升到頂部的時候，通過氣體流量計對其進行計量，然后油水混合物通過含水率計或者其它的多相流量計進行了計量。
圖1 部分分離流量計
從而可以及時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，其底座比完全分離器的小得多，甚至可隨身攜帶，經營者能夠定期對可能產量不足的老井進行測量，驗證投資一套完全分離器是否值得。然而，部分分離器對測量稠油來說，可能不是一個理想的選擇，因為稠油很難通過離心進行分離。
1.3 不分離技術
文丘里管比重流量計[3]只包含3個傳感器，能在沒有滑移模型甚至在高偏斜、回流的情況下，對多相流速和相分率進行測量。該設備是由標準文丘里管和伽馬射線比重計的簡單組合而成，比重計的放射性源極低（<10uci），用來測量混合物的密度。這2個裝置（文丘里管和比重計）的共生機能提高了測試的效用和精度，其關鍵因素在于文丘里管在計量過程中產生攪拌的功能，伽馬射線比重計在文丘里管的下游，多相流被均勻的混合之后，在滑移消失的地方對流體進行計量，如圖2所示。因此，文丘里管比重流量計能夠較為準確地對井下多相流進行計量。
圖2 概念圖
文丘里比重流量計是新一代的設備，如圖3所示，其性能可靠、結構簡單、易于安裝，從中可以提取重要的數值，特別是當流量計的安裝與一個好的實時數據獲取和控制系統結合在一起時，可以安全地向遠地點傳送高質量的數據并能進行事件報告和對井場功能控制的遠程建議。多相流量計都要依靠物理流量參數，比如說文丘里管的測試段（喉管），需要穩定的流體流過其截面，還需要進行流量校準。
圖3 文丘里管比重流量計的執行圖
2 多相流量計的發展趨勢
2.1 多相流量計向著服務于重油開發的方向發展
經勘探表明：重油和超重油已占世界總油田儲量的50%以上。很多大的石油公司已經花費很大的人力物力在克服重油開發的各種難題上，新的設備和新的理論都用來克服重油開發技術上的難題和流量監測的挑戰上，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。在這種具有挑戰性的情況下，試用了各種多相流量計計量后，他們發現文丘里-伽馬射線流量計（如圖4所示），能夠解決其它形式的流量計不能解決的問題[4]。
這種多相流技術克服了混相流量測試系統的精度問題，試驗模擬以及現場使用證明該多相流量計的不確定度低于2%。幾年之前，人們認為重油油藏不是好的經濟來源。如今，石油公司為了提高世界范圍內的能源需求，通過研究提出：重油是石油行業的未來。同時，生產重油需要在技術上大量的投入，為了獲得清楚精確的多相流數據，也需要在多相流量計上花大量的功夫。
圖4 多相流技術的原理
2.2 向服務于智能井發展的井下流量計
智能油田開發系統是一種能在多層段、多分支油井中，從地面控制、分析和管理油井的完井系統，它包括井內監測、數據評估、模擬及遙控流量等工作。其中對油、氣、水三相流量在線實時計量，是智能油田開發系統中的一個重要環節，目前主要的研究是在三相混合物相態理論指導下，利用各類精密傳感器在油、氣、水混合的條件下，同時計量油、氣、水的單相流量。國內在此領域的研究也已開展近十年，在相關理論與技術方面取得了重要進展。井下文丘里流量計就是一種新型的、能適應井下復雜環境的裝置，測量精度高，適合井下流量計量與控制。
井下文丘里流量計如圖5所示。井下多相流體流經均相混合器之后，可以近似認為是混合均勻的流體，當管路中流體流經文丘里管時，液流斷面收縮，在收縮斷面處流速增加，壓力降低，使文丘里管前后產生壓差，再根據測得的壓差計算流速。最后結合計算得到的各相相分率便可以得到各相流量。由于精確地描述流體運動十分困難，因此，通常是利用某些在假定基礎上成立的簡單關系，推導并建立出實際可用的描述流體運動理論公式。節流流量計的原理就是由伯努利方程和連續性方程導出的。
圖5 新型文丘里流量計的文丘里管結構
文丘里流量計設計的主要目的是在石油開發井的任何位置都能進行監測，控制相應的工具進行動作；同時，為了滿足井下測量裝置精確計量以及復雜環境方面的要求，必須研制用于高溫高壓情況下的傳感器。
3 結束語
隨著電子工業的發展，傳感器技術也日臻完善，現在工業生產的傳感器能滿足各種環境下的要求，并且提供高精度的數據。正是如此，流量計由井面開始向井下發展。由于受到條件的限制，在采重油的過程當中，目前的技術還不足以將流量計放置于井下。對于智能井完井系統而言，早有文獻記載可以將伽馬射線和文丘里管結合來計量流量，而文丘里管流量計則因其獨特的結構和低廉的造價，勢必成為智能完井系統的首選計量設備。