摘要：傘集流器存在非均衡及非線(xiàn)性的油氣水三相流流體漏失，致使傘集流后測量通道內流型復雜多變，建立三相流渦輪流量計物理模型存在困難?；趥慵鳒u輪流量計與放射性密度-持水率計組合儀在油氣水三相流流動(dòng)環(huán)中的動(dòng)態(tài)試驗結果，建立了三相流渦輪流量計統計測量模型，該模型考慮了三相流等效“氣液”滑脫速度及流動(dòng)密度因素，回避了復雜流型對測量模型影響。該模型預測三相流總流量過(guò)程相對簡(jiǎn)單，且具有良好的計算結果收斂特性。檢驗結果表明，傘集流渦輪流量計與放射性密度-持水率計組合測量可以有效地測量油氣水三相流總流量。

為了適應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(lái)皮球集流三相流生產(chǎn)測井組合儀基礎上，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，并將耐壓指標提高到30MPa，耐溫指標提高到125℃，采用遙測技術(shù)實(shí)現了井溫儀、壓力計、渦輪流量計、放射性持水率-密度計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測井解釋方法相比，由于傘集流器存在非均衡及非線(xiàn)性的三相流體漏失，導致集流后過(guò)流通道內油氣水三相流相間滑脫效應及流態(tài)變化復雜。三相流相間界面相互作用機理十分復雜，從理論上難以直接建立傘集流油氣水三相流渦輪流量計測量物理模型。

井下多相流測井解釋模型可分為統計模型、物理模型、*優(yōu)化模型及軟測量模型。統計模型直接從含有幾個(gè)物理量的測量數據出發(fā)，運用回歸分析方法處理這些物理量之間的統計關(guān)系，這種方法在物理量之間關(guān)系不太復雜且已知大量測試樣本數據情況下，能夠較方便地獲取多相流流動(dòng)參量之間的統計結果。物理模型則是從多相流動(dòng)機理出發(fā)，建立已知量與待求量之間的數學(xué)關(guān)系。但是，由于多相流紊流程度高，且流動(dòng)不穩定及流型多變，所以，目前仍無(wú)法在充分考慮各種參數情況下，用較嚴格的多相流體力學(xué)方法精確求解流動(dòng)參量，需對實(shí)際物理過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型與實(shí)際物理過(guò)程之間差異決定了所建模型的可靠程度。20世紀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，這種方法是根據儀器響應方程來(lái)構建實(shí)際測量值與理論值差值大小的誤差函數，并利用優(yōu)化算法尋找待求變量的*優(yōu)解，正確表達傳感器響應方程及采用先進(jìn)計算智能技術(shù)是優(yōu)化方法的關(guān)鍵環(huán)節。郭海敏及鐘興福等曾將該方法應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(dòng)態(tài)響應試驗，本文考察了影響傘集流渦輪流量計測量特性的油氣水三相流參數之間理論關(guān)系，建立了傘集流油氣水三相流渦輪流量計統計測量模型，模型中考慮了影響渦輪流量計響應特性的等效“氣液”滑脫速度及流動(dòng)密度因素，模型試驗結果表明，傘集流渦輪流量計與放射性持水率-密度計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動(dòng)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、持水率-密度計、井溫壓力短節和遙測短節。傘集流器張開(kāi)后，井內流體進(jìn)入測量通道，由渦輪流量計測量體積流量，由持水率-密度計測量密度和持水率，然后流體流出測量通道，井溫壓力計用來(lái)測量井內的溫度和壓力。該儀器仍然采用109 Cd放射源發(fā)射的γ和X射線(xiàn)分別確定三相流平均混合密度和持水率，新設計的持水率-密度計在流道結構、密封準直器結構和放射源結構等方面做了優(yōu)化，改善了其動(dòng)態(tài)響應特性。

傘集流三相流測井組合儀在多相流模擬井中的動(dòng)態(tài)實(shí)驗是在大慶生產(chǎn)測井研究所進(jìn)行的，垂直上升管中三相流流動(dòng)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(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)驗共測取了120組按分相流量配比的三相流實(shí)驗點(diǎn)。

圖1為傘集流條件下渦輪流量計在油氣水三相流條件下渦輪轉速與配比三相流流動(dòng)密度ρn及總流量Qt之間的實(shí)驗關(guān)系。油氣水三相流流動(dòng)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(gè)流動(dòng)密度ρn值，渦輪轉速隨三相流總流量Qt增加而增加，但二者并非是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系；對不同的流動(dòng)密度ρn值，渦輪轉速與總流量Qt變化規律是不同的，且隨著(zhù)流動(dòng)密度ρn增加，渦輪轉速隨總流量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(lái)表示流動(dòng)密度ρn，但是，這二者在實(shí)驗測量關(guān)系上呈現復雜變化關(guān)系(見(jiàn)圖2)，需要從多相流流動(dòng)模型出發(fā)，依托密度-持水率計在模擬井中的動(dòng)態(tài)測量結果，來(lái)建立確定三相流流動(dòng)密度的數學(xué)模型。

2、傘集流三相流渦輪流量計模型建立

2.1傘集流三相流渦輪流量計統計模型

定義傘集流三相流渦輪流量計儀器因子為

式中，系數A與B均隨流動(dòng)密度ρm變化，圖3及圖4給出了其實(shí)驗擬合關(guān)系。為了從方程(4)中求解得到油氣水三相流總流量，需要根據密度-持水率計測量數據確定三相流流動(dòng)密度ρm的數學(xué)模型。

2.2集流后過(guò)流通道內三相流流動(dòng)密度模型及總流量預測

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

考慮到集流后中心過(guò)流通道內油水相間滑脫影響較小，所以，在建立三相流流動(dòng)密度模型時(shí)，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)驗測量數據進(jìn)行考察，發(fā)現含氣率Kg與流動(dòng)密度ρm有良好的線(xiàn)性關(guān)系(見(jiàn)圖5)，即有

Kg=1.00118-1.00241ρn  （11）

聯(lián)立式(10)及式(11)，并結合密度-持水率計在三相流模擬井中實(shí)驗數據，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)驗擬合關(guān)系(見(jiàn)圖6)?？梢钥闯鰧τ谙嗤暮瑲饴蔏g，vs/vm隨著(zhù)混合密度ρm的增大而增大，從物理上可以理解為隨著(zhù)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中數據點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，可得到流動(dòng)密度數學(xué)模型

其中，系數C及D隨含氣率Kg的實(shí)驗擬合關(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算得到三相流流動(dòng)密度值。圖9為計算得到的流動(dòng)密度與模擬井實(shí)驗標定的流動(dòng)密度比較結果?？梢钥闯?，絕大部分實(shí)驗點(diǎn)的流動(dòng)密度預測偏差落在-0.03與0.03誤差線(xiàn)之間(圖9中ρnn表示預測流動(dòng)密度，ρn為模擬井標定流動(dòng)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)驗關(guān)系相比，其三相流流動(dòng)密度的預測精度是令人滿(mǎn)意的。聯(lián)立方程(4)、(10)、(11)及(12)式，采用非線(xiàn)性方程組迭代解法就可以預測得到三相流總流量。圖10為預測總流量誤差結果，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測結果。

3、現場(chǎng)應用實(shí)例

用本文提出的總流量預測模型共處理了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，其解釋結果見(jiàn)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確地確定油井油氣水三相流產(chǎn)出剖面。

4、結論

(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(xiàn)性的三相流流體漏失，致使集流后過(guò)流通道內三相流流型復雜多變。以三相流渦輪流量計測量響應特性為基礎，結合三相流流動(dòng)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測精度的渦輪流量計半理論半經(jīng)驗測量模型，為傘集流三相流渦輪流量計建模提供了借鑒。

(2)集流器的導流性能及漏失程度對集流后測量通道內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雜多變特性有直接關(guān)系，所以密封效果好、導流均衡及力學(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。