深水油氣田開發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)中安裝水下多相流量計進(jìn)行計量，不僅采購成本及安裝費(fèi)用高昂，而且其日常的校準(zhǔn)及維護(hù)工作在深水條件下很難操作。針對這一問題，研制了一套可為多口氣井同時進(jìn)行產(chǎn)量計量的虛擬流量計系統(tǒng)。文中介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成、主要功能、物理模型及計算方法，并分析了該系統(tǒng)計算的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在我國南海某水下氣田試運(yùn)行期間計算的氣相流量與流量計測量值吻合較好，相對誤差大多在５％以內(nèi)，可以滿足一般日常生產(chǎn)的需求。

隨著我國海洋油氣工業(yè)的不斷發(fā)展，目前深水區(qū)域的油氣資源已經(jīng)逐步開發(fā)，同時水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越多。在深水條件下應(yīng)用水下生產(chǎn)系統(tǒng)時，安裝多相流量計會導(dǎo)致開發(fā)成本的大幅增加，而且其日常的校準(zhǔn)、維護(hù)及工作的可靠性都會遇到較多難題。

２０世紀(jì)９０年代，虛擬流量計系統(tǒng)（ＶｉｒｔｕａｌＭｅｔｅ－ｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＶＭＳ）被提出并首先應(yīng)用于油氣田開發(fā)。該技術(shù)的核心是依據(jù)油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)中已有的主要儀表提供實時的生產(chǎn)參數(shù)，并以基礎(chǔ)工藝參數(shù)（如組分、井身結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱系數(shù)、試井?dāng)?shù)據(jù)等）為依據(jù)，通過多相流動力及熱力計算方法建立計算模型，***終實時計算得出各生產(chǎn)井的分相流量。經(jīng)過近２０年的不斷發(fā)展，該技術(shù)已逐漸成熟，不僅較為廣泛地應(yīng)用于海上油氣田的開發(fā)中，還與流動安全保障及管道管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，成為海上油氣開發(fā)中非常重要

的技術(shù)之一。據(jù)報道，２０１２年我國也在某氣田開發(fā)中引進(jìn)了國外的ＶＭＳ系統(tǒng)代替水下多相流量計。

為了填補(bǔ)國內(nèi)在此項技術(shù)上的空白，筆者在參考國外技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了一套可為多口水下氣井同時提供井口流量數(shù)據(jù)的虛擬流量計系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于我國南海某水下邊際氣田的開發(fā)中，經(jīng)過一段時間的試運(yùn)行，其效果良好，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。

１.ＶＭＳ系統(tǒng)的研制

１．１ 系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能所研制的 ＶＭＳ系統(tǒng)是一套以油氣田實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)的可用于反映生產(chǎn)流動過程的計算分析系統(tǒng)，主要由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)構(gòu)成。其中，硬件系統(tǒng)主要完成與現(xiàn)場的分布式控制系統(tǒng)（ＤＣＳ）的數(shù)據(jù)通信，并作為 ＶＭＳ運(yùn)行平臺；軟件系統(tǒng)是 ＶＭＳ

的核心，包括數(shù)據(jù)庫、組態(tài)軟件及核心計算軟件，工作于后臺的核心計算軟件完成流量的計算及其他各種分析運(yùn)算。圖１為 ＶＭＳ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖１中虛線以上部分為 ＶＭＳ的軟件部分。數(shù)據(jù)庫軟件用于管理 ＶＭＳ工作所需的各種參數(shù)，同時數(shù)據(jù)庫也保存了所有的流量計算結(jié)果以便用于數(shù)據(jù)的分析和維護(hù)。組態(tài)軟件提供了 ＯＰＣ服務(wù)器和人機(jī)界面功能。工作于后臺的核心計算軟件包括了所有流量算法及數(shù)據(jù)處理過程，為適應(yīng)同時計量多口生產(chǎn)井的要求，采用了多線程的程序開發(fā)技術(shù)。

ＶＭＳ需要的參數(shù)分為流體基礎(chǔ)參數(shù)、流動系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)、實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)等３部分，其中流體基礎(chǔ)參數(shù)主要是天然氣的組分?jǐn)?shù)據(jù)，應(yīng)盡可能詳細(xì)，特別是重組分的含量，這樣才能計算出更準(zhǔn)確的氣液相的分相流量；流動系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)主要包括氣藏油井流入動態(tài)數(shù)據(jù)、井筒的軌跡和結(jié)構(gòu)、地層溫度分布、油嘴開度與閥門流量系數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系等；實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要包括井底、井口及油嘴處的壓力及溫度以及油嘴的開度、采油樹閥門狀態(tài)等。

通過 ＶＭＳ的分析計算可以實時得到的數(shù)據(jù)包括單井的總質(zhì)量流量、氣油水三相的體積流量（標(biāo)況）以及氣田生產(chǎn)井的總流量，可提供各個生產(chǎn)井的時、日、周、月時間范圍的流量的累積值，同時還可提供從管匯至處理平臺的輸氣海管沿程的壓力、溫度分布數(shù)據(jù)。ＶＭＳ系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備只是用于獲取實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的通用數(shù)字通信設(shè)備，而不需要對原有生產(chǎn)工藝流程及ＤＣＳ做任何改動，獲取實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方式可以是被動單向的，因此不會對生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生任何干擾。

１．２ 模型及計算方法圖２為較典型的水下天然氣開發(fā)流動系統(tǒng)示意

圖。為了提高 ＶＭＳ計算的準(zhǔn)確性及適應(yīng)性，依據(jù)該流動系統(tǒng)中幾個典型的流動過程建立了相應(yīng)的計算模型來求解其流量。

根據(jù)節(jié)點分析的原理，從井底至井口的流動存在３種流動形式，即地層中的滲流、井筒中的多相流動及過油嘴的多相流動。利用這三種流量的特點及形式，建立了相應(yīng)的模型及算法。目前 ＶＭＳ中采用的計算模型所依據(jù)的流動過程主要有氣藏至井筒、井底至井口、井口至油嘴后、井底至油嘴后的流動過程。如果在生產(chǎn)的流動過程中還有其他相對較獨(dú)立的部分，并且可以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，也可以據(jù)此建立模型。

依據(jù)以上提到的4個流動過程可建立4種模型，即油井流入動態(tài)（ ）模型、井筒流動模型、油嘴流動模型、組合模型，其中油井流入動態(tài)模型的作用是預(yù)估產(chǎn)量的上下限，為后續(xù)的流量求解提供邊界；井筒流動模型、油嘴流動模型及組合模型則是計算單井的總流量。

ＶＭＳ的計算方法為：首先，根據(jù)井下壓力計的參數(shù)，依據(jù)ＩＰＲ模型估計大致的產(chǎn)量；其次，通過井筒穩(wěn)態(tài)流動計算方法和井筒兩端的壓力及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步求解。根據(jù)該算法，建立該流動過程的能量平衡方程和連續(xù)性方程，通過迭代即可求出相應(yīng)的單井流量；同時，油嘴模型通過油嘴上下游壓力及油嘴特性可計算出相應(yīng)的過油嘴流量，組合模型將以上２個流動過程作為一個整體來考慮并進(jìn)行求解可得到相應(yīng)的流量，***終的流量可通過加權(quán)平均的方法得到。得到單井的混合質(zhì)量流量之后，利用組分及含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行閃蒸計算［８］可求出分相流量，***后根據(jù)工況參數(shù)換算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下各相的體積流量。

ＶＭＳ采用多模型的流量求解方法，主要是考慮到在實際的生產(chǎn)過程中流量存在較大的變化范圍，并且個別儀表也可能出現(xiàn)故障等因素。由于 ＶＭＳ系統(tǒng)流量的計算是完全依靠實時的儀表數(shù)據(jù)支持，因此在流動過程中某一節(jié)點處的儀表失靈后，依賴其他流動過程的計算模型依然可以完成計算。另外，不同的模型在流量的不同范圍內(nèi)的計算準(zhǔn)確性也會有差別，比如油嘴模型在大開度時的準(zhǔn)確性就會下降，采用多模型的流量求解方式可提高 ＶＭＳ系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確性。

1.3計算準(zhǔn)確性

VMS計算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要受到儀表測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)及基礎(chǔ)參數(shù)的準(zhǔn)確性、多相流動計算模型的準(zhǔn)確性等因素的影響。雖然水下儀表一般采用了冗余配置，可以提高其數(shù)據(jù)的可靠性 但儀表的測量誤差和漂移仍會對ＶＭＳ計算結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響 而且隨著天然氣藏的開發(fā) 氣藏的IPR特性會隨時間發(fā)生變化 同時氣體組分特別是含水量也會發(fā)生明顯的變化，這些因素都會明顯影響ＶＭＳ的計算結(jié)果。因此，VMS工作期間的維護(hù)工作主要是需要對可能改變的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行更新，主要有儀表示數(shù)的漂移、IPR特性、組分與含水率數(shù)據(jù)以及可能因磨損而改變的油嘴流動特性等。

由于 ＶＭＳ計算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接依賴于現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)，為了防止程序異常，提高運(yùn)算效率以及修正儀表變差所造成的影響，在 ＶＭＳ系統(tǒng)設(shè)計中對從DCS獲取的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的有效性判別和處理 所設(shè)計的數(shù)據(jù)有效性判斷模塊主要具有識別生產(chǎn)井的工作狀態(tài) 剔除異常參數(shù) 修正儀表參數(shù)等功能。

2.現(xiàn)場應(yīng)用

所研制的VMS系統(tǒng)目前已在我國南海某水下邊際氣田的開發(fā)中得到應(yīng)用。該氣田于２０１３年１２月底投產(chǎn)，平均水深185m投產(chǎn)時的2口氣井均采用了水下生產(chǎn)系統(tǒng)，天然氣經(jīng)管匯進(jìn)入約１２ｋｍ的海管連入安裝有段塞流捕集器及分相流量計的處理平臺。

ＶＭＳ系統(tǒng)的硬件設(shè)備安裝于平臺中控室內(nèi)，軟件安裝在一臺專用的服務(wù)器上獨(dú)立運(yùn)行。經(jīng)過２０１４年１月和２月的試運(yùn)行，ＶＭＳ系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，硬件設(shè)備未出現(xiàn)故障。經(jīng)過對該時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，ＶＭＳ系統(tǒng)計算出的單井流量和總流量與平臺上流量計測量的結(jié)果吻合較好，氣相流量的相對誤差大多在５％以內(nèi)，可以滿足一般日常生產(chǎn)的準(zhǔn)確性要求。

圖３、４分別為 ＶＭＳ計算的２０１４年２月氣相總流量與該時間段內(nèi)平臺段塞捕集器氣相流量計

（即物理流量計）測量結(jié)果對比和相對誤差分布統(tǒng)計，可以看出，該時間段內(nèi)天然氣產(chǎn)量經(jīng)歷了兩次明顯的調(diào)節(jié)，產(chǎn)量的總增幅大致為５０％，除去流量計中個別大幅波動的數(shù)值外，超過９２％的數(shù)據(jù)點落在相對誤差為±５％的范圍內(nèi)。表１為該氣田調(diào)產(chǎn)前后ＶＭＳ計算的氣相流量與平臺流量計測量的氣相流量相對誤差分析結(jié)果，可以看出，在產(chǎn)量調(diào)整的情況下，相對于物理流量計，虛擬流量計的相對誤差及相對誤差的標(biāo)準(zhǔn)差沒有發(fā)生顯著的變化，總體上能夠適應(yīng)各種產(chǎn)量下的生產(chǎn)計量需要。

由于實際生產(chǎn)中液相為間歇排放，無法直接比較物理流量計與虛擬流量計的瞬時流量，所以采用比較每天的累計量的方式。相對于氣相來說，這種比較方式的數(shù)據(jù)點較少，但是總體上能夠反映 ＶＭＳ對于液相流量計算的準(zhǔn)確性。圖５與圖６分別為該氣田 ＶＭＳ計算與平臺流量計測量的油相、水相累積流量比較結(jié)果，可以看出，ＶＭＳ計算的液相流量比流量計測量值略偏小。對于天然氣產(chǎn)量占據(jù)多數(shù)的氣田而言，在氣相的計算結(jié)果與物理流量計示值幾乎一致的情況下，可以認(rèn)為 ＶＭＳ所計算出的總質(zhì)量流量與現(xiàn)場相吻合。造成 ＶＭＳ計算的液相流量偏小的原因主要是：實際產(chǎn)量的氣液比大，總

液量的值較??；液相的總量是根據(jù)組分閃蒸計算的結(jié)果獲得，受組分中重組分含量的影響非常大，少量的重組分會明顯的提高天然氣的臨界冷凝壓力和臨界冷凝溫度。對于該氣田來說，筆者根據(jù)

ＰＶＴｓｉｍ 及 ＯＬＧＡ 軟件計算的結(jié)果，如果 Ｃ７ 組分的摩爾百分比比實際偏?。埃保ィ瑒t每日的液相產(chǎn)量將偏?。担恚常?biāo)準(zhǔn)狀況下）。簡而言之，ＶＭＳ計算的液相流量偏小是由于所獲取的組分?jǐn)?shù)據(jù)與實際流體組分存在出入（重組分略少）。另外，根據(jù) ＶＭＳ的設(shè)計原理，通過微調(diào)組分或是修改氣液比的數(shù)值都是可以修正液相的計算值，但是否需要修正還需要組分分析和較長時間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果作為依據(jù)。

３.結(jié)束語

在參考國外虛擬流量計應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研制了一套可同時為多口水下氣井提供井口流量數(shù)據(jù)的虛擬流量計系統(tǒng)。該系統(tǒng)在我國南海某水下氣田試運(yùn)行期間計算的氣相流量與平臺流量計測量值吻合較好，相對誤差大多在５％以內(nèi)，可以滿足一般日常生產(chǎn)的需求。初步應(yīng)用表明，虛擬流量計是一種現(xiàn)實可行的技術(shù)，具有配置靈活、部署成本低、安裝維護(hù)較簡單等優(yōu)點，在水下氣田的開發(fā)中可以起到部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)多相計量設(shè)備的作用，也可作為實體流量計的補(bǔ)充或是備用方案。當(dāng)然，我國開展該項技術(shù)的研究還剛剛起步，需要在應(yīng)用中通過數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累不斷完善和提高。從技術(shù)的發(fā)展來看，虛擬流量計技術(shù)也是水下氣田流動安全管理系統(tǒng)的重要組成部分，依托該項技術(shù)可以逐步將水合物預(yù)測和抑制、嚴(yán)重段塞流預(yù)測及控制等技術(shù)結(jié)合起來，從而構(gòu)建出可用于水下氣田流動系統(tǒng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。