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1、井下光纤多相流量计的研究 一.研究背景及意义 实时获取井下多相流量数据，对于优化采油，特别是对于高昂的深水油井开发 及复杂的多分支生产，具有重要的价值。过去，一般主要通过测量井下压力和温度 来对油井进行长期监控，最近几年，永久井下监控系统的安装和应用有了明显的增 加，特别是在高风险复杂完井方式的井上，比如多分支水平井和海上油井中的应用 明显增加。井下流量计问世后，流体的流量及各相流体所占的比例也能得到准确的 测量。井下多相流量计的研制与应用增加了井下流体流量和相组成的测量项目。实 时、连续的井下流量测量资料用途很广，主要包括以下方面： （1）油层产量分配：在多油层完井的油井中，井下流量计测得的
2、资料可以用 来分配各单层的产量。该资料即可由安装每一油层上部的流量计获得，也可以在油 层之间安装流量计，通过地面上测得的总流量来获得上部的油层的产量。 （2）识别并确定产能异常部位：一个或多个井下流量计置于水平分支的造斜部位 可以帮助定位生产异常，即可以确定某一分支的流量是否正常，确定水淹或气窜的 位置，进而可以最终确定油井的增产措施或其它处理措施以提高单井产能。 （3）直接确定采油指数：实时井下流量和压力资料能够在任意时间不需等待就 可以确定油井产能指数。 （4）实施多层合采：可靠的井下流量资料为多油层油井的合采提供了可能。 （5）减少地面试井：实时井下流量资料可以减少确定单井产能的地面试井
3、作业 次数。 （6）减少地面设备：井下流量测量能够取消地面测试对分离器的需求，因而极 大地减少海上平台的设备数量。 井下流量测量与地面测量相比有很多好处，由于油气的生产过程存在复 杂的流态变化，井下高压条件下流体含气量低，呈现出较好的均质流特征， 基本上不存在滑脱现象，在该条件下多相流的测量要比地面更加有利。因此 ，井下多相流计的研制与应用受到石油开采业的重视。 一.研究背景及意义 二.井下流量计的发展与研究现状 发展历史： （1）20世纪70-80年代，能源危机推动石油公司开发海洋石油，常规计 量分离器不适合在海洋平台及海底使用促使开发研制结构紧凑的多相 流量计。美国的TULSA大学、BP和
4、TEXACO石油公司。 （2）20世纪90年代，在各大石油公司的支持下，多相流量计研制、开 发和商业化得到迅速发展。 （3）20世纪末的几年里，是多相流量计的快速增长期。 （4）进入21世纪，多相流量计在国内外各油田得到广泛应用。 Eg：Framo多相流量计在欧洲北海石油平台(North Sea)与爱尔 兰石油平台（Irish Sea）批量应用，GLCC多相流量计在加州 Bakersfield以西油田批量应用，西安交通大学的TFM-500型多相流量 计在我国胜利油田、冀东油田批量应用。 二.井下流量计的发展与研究现状 传统的流量测量技术： （1）完全分离技术（试井分离器）：是个大容 器，装有开
5、采出来的油、气、水样本，装满后 ，气从上面排出，水下沉到底部，油在水的表 面；和容器相连的流量计分别测出油、气 、 水的体积； 优点：准确性高，在工业领域普遍认可 缺点：容器底座大，不利于海上平台使用；分离 油气水时间过长，时效性极差；售价65万美元 ，且使用和维护成本高；每次使用完要清洁 传统的流量测量技术： （2）基本原理：气与油水分离。 油气水进入特殊圆柱体，产生 离心力将油水液体推出，气体在 圆柱体升到顶部，气体流量计对 其测量；油水液体通过含水率计 及其他流量计计量 优点：分离快；成本低（25万美元）；底座小， 安装和携带方便 缺点：测量稠油困难 传统的流量测量技术： （3）不分离技
6、术： 标准文丘里管和伽马 射线比重计组合而成 优点：性能可靠；结构简单；易于安装；精度高；能适 用于井下复杂环境 缺点：用伽马射线进行密度测量，对环境有污染 三.井下多相流量计存在问题 （1）大多数多相流量计需要测量若干数据后，根据数据计算出各相流量 ，使测量精度受到很大影响，目前市场上多相流量计各相流量误差为 10%。 （2）所有目前用于多相计量的技术都需要掌握流体特性，如介电常数， 介质吸收系数等，流体特性出现变化或多相流量计用于多井计量，必 须频繁评价和标定多相流量计的传感器。 （3）目前市场上的几种主要多相流量计最高适用含气率为90%-100%， 随着含气率的增加，液相的剂量精度会受到
7、影响。 （4）多相流量计普遍采用像微波等辐射源，有关法规对辐射源有严格限 制。 （5）现有的多相流量计标定设施只能较好的标定组分测量仪器，而对流 速测量尚未有满意的标定方法。 四、井下光纤多相流量计 1.Weatherford公司研制的 井下光纤多相流量计原理 ：井下光纤多相流量计可 以对流动液体进行两种基 本测量,即体积流速和混 合液体的声波速度测量。 根据测量温度和压力下单 相流体的密度和声波速度 就可以确定两相系统中的 某一相流体的流量。 四、井下光纤多相流量计 （1）声波速度测量：为测量混合液体的声波速度,流量计应用了不稳定 压力测量技术,使用1束光学传感器来获取管柱内由于生产引起的噪
8、声 传播。这些噪声可能来源于任何跟生产有关的声源,包括通过射孔孔 眼或井下节流阀的流体流动、气泡的破裂、井下电潜泵和气举阀的工 作等等。但是,人工举升引起的噪声都不可用,需要排除。不稳定压力 测量可在仪器内多个方位获得测量数据,另外还在空间和时间上作了 充分的分析,从而确定生产流体的声波速度。 （2）体积流速测量：光纤流量计应用了交叉相关技术确定体积流速,这 主要靠流体对流引起的随时间变化流体性质的轴向转换测量,目前大 多数商用多相流量计都使用了交叉相关技术。实际上,来自下游传感 器的信号要比上游传感器的信号滞后,轴向转换信号之间的时间滞后 决定了由体积流量推算出来的流速。这种方法在这里应用了
9、压力传递 干扰的交叉相关原理,并且已经被证实完全可用于单相流或理想多相 流中。 （3）流量计应用测量声波速度来确定两相混合物的相组成。两相混合物 声波速度和相组成之间可以建立很好的关联。混合物的声速能够与单 相声速和单相组分的密度建立解析关系 四、井下光纤多相流量计 （4）相流量的确定理想的混合流 四、井下光纤多相流量计 2.基于自补偿的光纤单相流量系统 3.基于光强调制的光纤流量传感 五、研究方案 1.设计基于传统结构和光学方法结合的光纤 流量计（单相流） 2.对设计的流量计进行实验研究（单相） 3.对油气井下的流体环境进行分析，对设计 的流量计结构进行改进，满足流体测量要 求 4.设计光纤多相流传感器，进行理论分析和 实验研究
