一种实现井口产出三相流计量的方法与流程

本发明涉及油气田开发开采工程技术领域，特别是涉及一种实现井口产出三相流计量的方法。

背景技术：

目前，在油田开发领域，油田单井井口产出油气水产量的计量，主要依靠移动式气液分离计量撬，这种方法，不仅装置体积大，测量成本高，而且无法对油井井口产出油、气、水的产量分别进行自动测算，不能实现自动化，人工等综合管理成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的技术问题，提供一种实现井口产出三相流计量的方法。

为此，本发明提供了一种实现井口产出三相流计量的方法，包括以下步骤：

第一步，对于油田单井，通过预设测试装置，实时测量连接管线中流过的包括液油、气和水在内的混合液，输出反映混合液特性的电压值随时间变化的曲线；

第二步，对于反映混合液特性的电压值随时间变化的曲线，将其中受气体影响的任意一段时长△t1内的数值曲线，通过求积分，获得曲线面积s1，然后将曲线面积s1对时长△t1进行求平均计算，获得平均电压值，将该平均电压值作为气体影响状态下的平均电压值f1，对应测量获得此时混合液具有的含水率f1；

第三步，对于反映混合液特性的电压值随时间变化的曲线，将其中受液油和水影响且不受气相影响的任意一段时长△t2内的对应电值的数值曲线(在气体影响状态下，油水混合液对应电值为气体影响波浪线的最小值；混合液不含气时，油水混合液对应电值随时间变化近似直线)，通过求积分，获得油水混合液对应电值曲线面积s2，然后将曲线面积s2对时长△t2进行求平均计算，获得平均电压值，将该平均电压值作为受液油和水影响状态下的平均电压值f(即油水混合液对应的平均电压值f)，对应测量获得此时混合液具有的含水率f；

第四步，将预设测试装置的出液管与输送管线相连接，并通过在预设测试装置6的进液管61上安装的孔板流量计，对混合液进行测量，测量获得包括液油、气和水在内的混合液具有的总体积流量qz；

第五步，根据混合液具有的总体积流量qz，以及含水率f1和含水率f，通过预设的计算公式，计算获得混合液中液油、气和水分别对应的不同体积流量。

其中，油田单井包括套管，套管的内部具有油管；

套管露出底面的部分，安装有安装有采油树；

油管的底端安装有抽油泵；

套管垂直向下伸入到油层中；

油管通过连接管线与预设测试装置的进口端相连；

预设测试装置的出液管，与输送管线相连。

其中，预设测试装置为含水分析仪。

其中，预设测试装置具体包括：含水分析仪外壳；

含水分析仪外壳的左右两侧下部，分别与进液管和出液管相连通；

含水分析仪外壳的内部，安装有测试芯体；

含水分析仪外壳的内部，包括依次相互连通的第一竖直管道、上升斜管道和第二竖直管道；

第一竖直管道的左端与进液管的右端相连；

第二竖直管道的右端，与出液管的左端相连；

测试芯体从上往下插入第一竖直管道中。

其中，经孔板流量计计量的油气水三相混合液的总体积流量为qz，其中：

qz＝qg+qw+qo，公式(1)；

在上面公式中，qz为混合液总体积，qg为混合液中气体含量，qw为混合液中水的体积，qo为混合液中原油含量。

qw/(qw+qo)＝f，公式(2)；

(qg+qw+qo)/(qw+qo)＝f1/f，公式(3)；

由公式(2)可得qo＝(1-f)×qw/f(4)；

由公式(2)以及公式(3)，消掉qw+qo可得：

qg＝(f1/f²-f)×qw，公式(5)；

由上面的公式(4)、公式(5)带入公式(1)中，消掉qg和qo可得：

混合液中水的体积qw＝qz×(f1-f²)/(f1+f-f³)，公式(6)；

由公式(6)带入公式(4)和公式(5)中，可以得到qo和qg与qz的关系如下：

混合液中原油含量qo＝qz×(1-f)(f1-f³)/[f(f1+f-f³)]，公式(7)；

混合液中气体含量qg＝qz×(f1-f³)/(f1+f-f³)，公式(8)。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种实现井口产出三相流计量的方法，其能够在油田单井的井口流程中，安装上预设测试装置和孔板压差流量计，可以实现对井井口产出油、气、水的产量(即体积流量)的分别测量，具有重大的生产实践意义。

此外，对于本发明提供的实现井口产出三相流计量的方法，其还可以结合数据远传通信技术，实现油井产出液油、气、水产量的数字化远程化计量，进而实现了小型化，低成本和自动化。

附图说明

图1为本发明提供的一种实现井口产出三相流计量的方法的流程图；

图2为本发明提供的一种实现井口产出三相流计量的方法中，所涉及的预设测试装置的井场安装状态示意图；

图3为本发明提供的一种实现井口产出三相流计量的方法中，所涉及的预设测试装置的内部结构示意图；

图4为本发明提供的一种实现井口产出三相流计量的方法中，所涉及的预设测试装置的俯视图；

图5为本发明提供的一种实现井口产出三相流计量的方法中，所涉及的测试装置所输出的反映不同情况下混合液特性的电压值随时间变化的曲线示意图。

图6为不同含水率油水混合介质对应高频信号电值的测试原理示意图；

图7为不同的加水量与混合液的电值之间的对应关系示意图；

图8为油水液态混合时的电值mv与含水率f之间的对应关系的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图8，本发明提供了一种实现井口产出三相流计量的方法，包括以下步骤：

第一步，对于油田单井，将预设测试装置6的进液管61通过连接管线7，与套管1内部的油管2相连通，并通过预设测试装置6，实时测量连接管线7中流过的包括液油、气和水在内的混合液，输出反映混合液特性的电压值随时间变化的曲线；

在第一步中，需要说明的是，参见图5所示，当油井产出混合液流过预设测试装置，预设测试装置能够输出反映混合液特性的mv电压值，测试电压值的时间分布曲线简图见图5所示；

第二步，对于反映混合液特性的电压值随时间变化的曲线，将其中受气体(即气相)影响的任意一段时长△t1内的数值曲线，通过求积分，获得曲线面积s1，然后将曲线面积s1对时长△t1进行求平均计算，获得平均电压值，将该平均电压值作为气体影响状态下的平均电压值f1，对应测量获得此时混合液具有的含水率f1(例如通过现有的含水率测试仪，对混合液进行测量获得)；

第三步，对于反映混合液特性的电压值随时间变化的曲线，将其中受液油和水影响且不受气相影响(即油水混合液不含气)的任意一段时长△t2内的对应电值(即电压值)的数值曲线(需要说明的是，在气体影响状态下，油水混合液对应电值为气体影响波浪线的最小值；在油水混合液不含气时，油水混合液对应电值随时间变化近似直线)，通过求积分，获得油水混合液对应电值曲线面积s2，然后将曲线面积s2对时长△t2进行求平均计算，获得平均电压值，将该平均电压值作为受液油和水影响状态下的平均电压值f(即油水混合液对应的平均电压值f)，对应测量获得此时混合液具有的含水率f(例如通过现有的含水率测试仪，对混合液进行测量获得)；

第四步，将预设测试装置6的出液管62与输送管线8相连接，并通过在预设测试装置6的进液管61上安装的孔板流量计9，测量获得包括液油、气和水在内的混合液具有的总体积流量qz；

需要说明的是，孔板流量计，作为现有的流量测量装置，可测量气体、蒸汽、液体及引的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。

第五步，根据混合液具有的总体积流量qz，以及受气相影响的含水率f1和油水混合的混合液的含水率f，通过预设的计算公式，计算获得混合液中液油、气和水分别对应的不同体积流量。

在本发明中，具体实现上，所述孔板流量计9，是差压孔板流量计，具体可以选用北京雅丹石油技术开发有限公司生产的型号为yd-w系列的微差压油井在线计量装置(当然，还可以是其他厂家的产品)。孔板流量计9，用来计量油气水三相混合产出总体积，并符合本发明要求的使用压力，温度等环境条件，以便厂家能根据需求做算法调整和仪表校准。

参见图2、图3所示，对于一个油田单井，其包括套管1，套管1的内部具有油管2，油管2和套管1之间的环形空间为油套环空；

套管1露出底面的部分，安装有安装有采油树5；

油管2的底端安装有抽油泵4；

套管1垂直向下伸入到油层3中。

需要说明的是，在油田开发领域，采油树是自喷井和机采井等用来开采石油的井口装置。

油管2通过连接管线7与预设测试装置6的进口端61相连；

预设测试装置6的出液管62，与输送管线8相连。

在本发明中，具体实现上，预设测试装置6，可以为现有的含水分析仪(即含水率分析仪)，只要能够测量输出反映混合液特性的电压值随时间变化的曲线即可。

具体实现上，参见图3所示，预设测试装置6具体可以包括：含水分析仪外壳60；

含水分析仪外壳60的左右两侧下部，分别与进液管61和出液管62相连通；

含水分析仪外壳60的内部，安装有测试芯体63；

含水分析仪外壳60的内部，包括依次相互连通的第一竖直管道6301、上升斜管道6303和第二竖直管道6302；

第一竖直管道6301的左端与进液管61的右端相连；

第二竖直管道6302的右端，与出液管62的左端相连；

测试芯体63从上往下插入第一竖直管道6301中。

具体实现上，进液管61和出液管62(即进出液管道)，可以为内径50mm，外径60mm的圆管，材质为304不锈钢；进液管61和出液管62上具有不锈钢法兰64；作为含水分析仪的预设测试装置6，通过法兰64与法兰式的孔板流量计9和油井的流程管道连接。

具体实现上，含水仪外壳60为不锈钢的圆柱，由上盖601，外筒602，下盖603三部分构成，上盖604、下盖603与中间的外筒602通过螺纹连接，通过o型的密封圈实现螺纹密封。外筒602的上部设置螺纹进线口6020，可以用于连接现场的防爆挠性管。

具体实现上，含水仪外壳60与进液管61和出液管62(即进出液管道)，通过焊接方式密封固定。

具体实现上，测试芯体63可以选择直径为2.5mm的不锈钢圆棍，芯体外表为热喷涂环氧树脂绝缘层(或热喷四氟乙烯绝缘层)，绝缘层厚度0.2-0.3mm；

具体实现上，测试芯体63与竖直管段的密封：测试芯体63从上至下插入第一竖直管道6301(即中部竖直管段)；

测试芯体63的上下两端部，分别安装有芯体上保护管631和芯体下保护管632，通过螺纹底座和密封垫(例如上端密封垫681和下端密封垫682)的设置，实现测试芯体6的上下两端部与管道局部的连接和密封。

具体实现上，芯体保护管：测试芯体63的上端和下端分别为芯体上保护管631和芯体下保护管632，保护管分内外两层，外层为壁厚1.5～2mm的不锈钢毛细管，内层与测试芯体63紧密接触的为壁厚1.5-2mm的透明弹性硅胶管；其中，外层的不锈钢毛细管一方面起到信号屏蔽作用，另一方面防止流体在弯管部位对测试芯体的冲刷；内层的硅胶管起到支撑隔离和绝缘保护作用，避免安装不锈钢毛细管时划伤绝缘层。测试芯体63，先安装内层硅胶管，再安装外层不锈钢管，确保测试芯体位于上下保护管之间测试芯体63的有效长度可以为150mm,200mm，300mm(或根据情况定制，但尽量短一些使测试设备总体积小一些)，然后在芯体上保护管631的最上部和芯体下保护管632的最下部，与测试芯体之见的间隙灌注树脂固封，以保证芯体保护管和测试芯体之间的密封。

具体实现上，测试芯体63，与一个信号电路板65(集成电路板)相连接(通过同轴屏蔽线69，该同轴屏蔽线69上具有同轴线金属屏蔽层690)。

需要说明的是，对于信号电路板65，其上包括的高频信号发生电路主控芯片，可以采用意法半导体出产的stm32f103作为主控芯片；其上包括的信号发生器可以采用ad9850生成高频信号，用ad8130作为信号放大电路；其上进行检测可以采用ad8302芯片；另外，需要lcd就地显示和485通讯串口，以方便数据就地即时显示和远传分析。详细可以参照西安石油大学姜海潮2018年的硕士论文《射频法原油含水率测量技术研究》第四章内容进行定制设计并生产，设计生产对象可以是高校大学内微电子电路专业教授，也可是专门生产高频信号发生器的厂家。

具体实现上，上升斜管道6303的中部，与一个垂直分布的测试进液管66的下端相连接；

测试进液管66的上端覆盖安装有一个堵头67。

在本发明中，需要说明的是，关于第二步至第五步，对于包括液油、气和水在内的混合液，由于每一段混合液中油气水组分的混合比例不同，其对应的电值也不同，因此，将一段时间△t1内气相gas影响的数值曲线积分面积s1，对时间△t1求平均，得到一个平均电值，为气体影响状态下的平均电值f1，对应测量的受气相影响的混合液中的含水率f1。

此外，主要包含不同油水比例的混合液，受原油和水影响的数值曲线，将一段时间△t2内的数值曲线积分面积s2，对时间△t2求平均，得到一个平均电值，混合测得的电值f，对应测量的油水混合的混合液中的含水率为f,

具体实现上，经孔板流量计计量的油气水三相混合液(即包括液油、气和水在内的混合液)的总体积流量为qz，其中：

qz＝qg+qw+qo，公式(1)；

在上面公式中，qz为混合液总体积，qg为混合液中气体含量，qw为混合液中水的体积，qo为混合液中原油含量。

qw/(qw+qo)＝f，公式(2)；

(qg+qw+qo)/(qw+qo)＝f1/f，公式(3)；

由公式(2)可得qo＝(1-f)×qw/f(4)；

由公式(2)以及公式(3)，消掉qw+qo可得：

qg＝(f1/f²-f)×qw，公式(5)；

由上面的公式(4)、公式(5)带入公式(1)中，消掉qg和qo可得：

混合液中水的体积qw＝qz×(f1-f²)/(f1+f-f³)，公式(6)；

由公式(6)带入公式(4)和公式(5)中，可以得到qo和qg与qz的关系如下：

混合液中原油含量qo＝qz×(1-f)(f1-f³)/[f(f1+f-f³)]，公式(7)；

混合液中气体含量qg＝qz×(f1-f³)/(f1+f-f³)，公式(8)；

需要说明的是，对于本发明，以上气体体积流量qg是在管道带压条加下的体积，如需获得常压条件下的气体体积流量，需要乘以体积膨胀系数k,k＝p/p0，p为差压孔板流量计测得的管道内压力，p0为标准大气压力。

需要说明的是，对于本发明，含水值f的测量方法理论模型来自于西安石油大学姜海潮2018年的硕士论文《射频法原油含水率测量技术研究》，不同的是：为了便于现场安装和室内试验调试，本发明重新设计了含水测试装置的结构如图3所示。

不同含水率油水混合介质对应高频信号电值的测试原理如图6所示，在实验室中测定时，图3的测试设备(即含水测试装置，预设测试装置6)的测试流程如下：

1、打开测试设备上盖(带着集成电路板)，静止悬在设备一侧；

2、现将测试设备左侧进液口用法兰盲板封上；

3、拧开测试进液管的密封堵头；

4、给集成电路板上电，这时就地显示可以采集到空气状态下的一个电值mv；

5、测试进液管放上喇叭状漏斗，用量筒或烧杯缓慢加入纯油(白蜡油或变压器油)，至右侧出液口有液体流出时停止加油，并记录加入纯油的体积v0ml，记录输出相位变化的电值mv；

6、用20ml容积的量筒开始往测试进液管中加水，因密度差的存在，水往下沉，油往上浮，随着水的加入，油逐渐被替换出测试管腔；水采用自来水(或用食盐水配置需要矿化的模拟地层水)，每次加入10ml，并记录每次稳定电值mv和累计加水量ml；

7、当累计加水量达到v0ml，认为最初加入实验设备管道中的纯油全部被水替换，停止加水实验。

8、整理数据，纵坐标为电值mv，横坐标为累计含水量mv，绘制成图如图7所示，当累计加水量达到v1时，记录电值从f0开始降低，当累计加水量达到v2以上后时，记录电值稳定在fw，不再变化；v1体积对应传感器测试芯体有效的最下端，v2体积对应传感器测试芯体有效的最上端，(v2-v1)这一段体积内发生了油被水替换的过程。

9、重新整理数据如图8所示，得出油水液态混合时的电值mv与含水率f对应关系：在(v2-v1)这一体积段内，每加入10ml水，含水率增加[10/(v2-v1)]*100％，重新整理数据，可得传感器测试芯体电值(即电压值)从f0降至fw过程中不同电值对应的含水率f。利用曲线拟合可以得到含水从0％-100％变化对应任意一点的电值f。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种实现井口产出三相流计量的方法，其能够在油田单井的井口流程中，安装上预设测试装置和孔板压差流量计，可以实现对井井口产出油、气、水的产量(即体积流量)的分别测量，具有重大的生产实践意义。

此外，对于本发明提供的实现井口产出三相流计量的方法，其还可以结合数据远传通信技术，实现油井产出液油、气、水产量的数字化远程化计量，进而实现了小型化，低成本和自动化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。