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)器上獨立運行。經(jīng)過２０１４年１月和２月的試運行，ＶＭＳ系統(tǒng)整體運行平穩(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

液量的值較小；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?，則每日的液相產(chǎn)量將偏小５ｍ３（標(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)。