深水油氣田開發水下生產系統中安裝水下多相流量計進行計量，不僅采購成本及安裝費用高昂，而且其日常的校準及維護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行產量計量的虛擬流量計系統。文中介紹了該系統的構成、主要功能、物理模型及計算方法，并分析了該系統計算的準確性。現場應用表明，該系統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，可以滿足一般日常生產的需求。

隨著我國海洋油氣工業的不斷發展，目前深水區域的油氣資源已經逐步開發，同時水下生產系統的應用也越來越多。在深水條件下應用水下生產系統時，安裝多相流量計會導致開發成本的大幅增加，而且其日常的校準、維護及工作的可靠性都會遇到較多難題。

２０世紀９０年代，虛擬流量計系統（ＶｉｒｔｕａｌＭｅｔｅ－ｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＶＭＳ）被提出并首先應用于油氣田開發。該技術的核心是依據油氣田生產系統中已有的主要儀表提供實時的生產參數，并以基礎工藝參數（如組分、井身結構、導熱系數、試井數據等）為依據，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井的分相流量。經過近２０年的不斷發展，該技術已逐漸成熟，不僅較為廣泛地應用于海上油氣田的開發中，還與流動安全保障及管道管理系統有機結合，成為海上油氣開發中非常重要

的技術之一。據報道，２０１２年我國也在某氣田開發中引進了國外的ＶＭＳ系統代替水下多相流量計。

為了填補國內在此項技術上的空白，筆者在參考國外技術的基礎上研制了一套可為多口水下氣井同時提供井口流量數據的虛擬流量計系統。該系統目前已應用于我國南海某水下邊際氣田的開發中，經過一段時間的試運行，其效果良好，達到了設計預期目標。

１.ＶＭＳ系統的研制

１．１ 系統構成及主要功能所研制的 ＶＭＳ系統是一套以油氣田實時生產數據為依據的可用于反映生產流動過程的計算分析系統，主要由軟件系統和硬件系統構成。其中，硬件系統主要完成與現場的分布式控制系統（ＤＣＳ）的數據通信，并作為 ＶＭＳ運行平臺；軟件系統是 ＶＭＳ

的核心，包括數據庫、組態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系統結構示意圖。

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

ＶＭＳ需要的參數分為流體基礎參數、流動系統基礎參數、實時生產數據等３部分，其中流體基礎參數主要是天然氣的組分數據，應盡可能詳細，特別是重組分的含量，這樣才能計算出更準確的氣液相的分相流量；流動系統基礎參數主要包括氣藏油井流入動態數據、井筒的軌跡和結構、地層溫度分布、油嘴開度與閥門流量系數值的對應關系等；實時生產數據主要包括井底、井口及油嘴處的壓力及溫度以及油嘴的開度、采油樹閥門狀態等。

通過 ＶＭＳ的分析計算可以實時得到的數據包括單井的總質量流量、氣油水三相的體積流量（標況）以及氣田生產井的總流量，可提供各個生產井的時、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、溫度分布數據。ＶＭＳ系統所需的硬件設備只是用于獲取實時生產數據的通用數字通信設備，而不需要對原有生產工藝流程及ＤＣＳ做任何改動，獲取實時生產數據的方式可以是被動單向的，因此不會對生產系統產生任何干擾。

１．２ 模型及計算方法圖２為較典型的水下天然氣開發流動系統示意

圖。為了提高 ＶＭＳ計算的準確性及適應性，依據該流動系統中幾個典型的流動過程建立了相應的計算模型來求解其流量。

根據節點分析的原理，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，建立了相應的模型及算法。目前 ＶＭＳ中采用的計算模型所依據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，并且可以獲取相應的數據，也可以據此建立模型。

依據以上提到的4個流動過程可建立4種模型，即油井流入動態（ ）模型、井筒流動模型、油嘴流動模型、組合模型，其中油井流入動態模型的作用是預估產量的上下限，為后續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，根據井下壓力計的參數，依據ＩＰＲ模型估計大致的產量；其次，通過井筒穩態流動計算方法和井筒兩端的壓力及溫度數據進一步求解。根據該算法，建立該流動過程的能量平衡方程和連續性方程，通過迭代即可求出相應的單井流量；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行求解可得到相應的流量，***終的流量可通過加權平均的方法得到。得到單井的混合質量流量之后，利用組分及含水率數據進行閃蒸計算［８］可求出分相流量，***后根據工況參數換算為標準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故障等因素。由于 ＶＭＳ系統流量的計算是完全依靠實時的儀表數據支持，因此在流動過程中某一節點處的儀表失靈后，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的計算準確性也會有差別，比如油嘴模型在大開度時的準確性就會下降，采用多模型的流量求解方式可提高 ＶＭＳ系統的整體準確性。

1.3計算準確性

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

由于 ＶＭＳ計算結果的準確性直接依賴于現場儀表的數據，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系統設計中對從DCS獲取的現場生產數據需要進行一定的有效性判別和處理 所設計的數據有效性判斷模塊主要具有識別生產井的工作狀態 剔除異常參數 修正儀表參數等功能。

2.現場應用

所研制的VMS系統目前已在我國南海某水下邊際氣田的開發中得到應用。該氣田于２０１３年１２月底投產，平均水深185m投產時的2口氣井均采用了水下生產系統，天然氣經管匯進入約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系統的硬件設備安裝于平臺中控室內，軟件安裝在一臺專用的服務器上獨立運行。經過２０１４年１月和２月的試運行，ＶＭＳ系統整體運行平穩，硬件設備未出現故障。經過對該時間段內的數據進行校準，ＶＭＳ系統計算出的單井流量和總流量與平臺上流量計測量的結果吻合較好，氣相流量的相對誤差大多在５％以內，可以滿足一般日常生產的準確性要求。

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平臺段塞捕集器氣相流量計

（即物理流量計）測量結果對比和相對誤差分布統計，可以看出，該時間段內天然氣產量經歷了兩次明顯的調節，產量的總增幅大致為５０％，除去流量計中個別大幅波動的數值外，超過９２％的數據點落在相對誤差為±５％的范圍內。表１為該氣田調產前后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果，可以看出，在產量調整的情況下，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準差沒有發生顯著的變化，總體上能夠適應各種產量下的生產計量需要。

由于實際生產中液相為間歇排放，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，這種比較方式的數據點較少，但是總體上能夠反映 ＶＭＳ對于液相流量計算的準確性。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。對于天然氣產量占據多數的氣田而言，在氣相的計算結果與物理流量計示值幾乎一致的情況下，可以認為 ＶＭＳ所計算出的總質量流量與現場相吻合。造成 ＶＭＳ計算的液相流量偏小的原因主要是：實際產量的氣液比大，總

液量的值較小；液相的總量是根據組分閃蒸計算的結果獲得，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

ＰＶＴｓｉｍ 及 ＯＬＧＡ 軟件計算的結果，如果 Ｃ７ 組分的摩爾百分比比實際偏小０．１％，則每日的液相產量將偏小５ｍ３（標準狀況下）。簡而言之，ＶＭＳ計算的液相流量偏小是由于所獲取的組分數據與實際流體組分存在出入（重組分略少）。另外，根據 ＶＭＳ的設計原理，通過微調組分或是修改氣液比的數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據統計結果作為依據。

３.結束語

在參考國外虛擬流量計應用的基礎上，研制了一套可同時為多口水下氣井提供井口流量數據的虛擬流量計系統。該系統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，可以滿足一般日常生產的需求。初步應用表明，虛擬流量計是一種現實可行的技術，具有配置靈活、部署成本低、安裝維護較簡單等優點，在水下氣田的開發中可以起到部分代替傳統多相計量設備的作用，也可作為實體流量計的補充或是備用方案。當然，我國開展該項技術的研究還剛剛起步，需要在應用中通過數據和經驗的積累不斷完善和提高。從技術的發展來看，虛擬流量計技術也是水下氣田流動安全管理系統的重要組成部分，依托該項技術可以逐步將水合物預測和抑制、嚴重段塞流預測及控制等技術結合起來，從而構建出可用于水下氣田流動系統的在線監測系統。