質(zhì)量流量計(jì)在線計(jì)量礦產(chǎn)原油含水率的含氣影響及解決方法

趙維恭，龔爭(zhēng)輝，張愛(ài)興，蔡玲玲 （中石化勝利油田分公司孤島采油廠，山東東營(yíng)257231）

目前礦產(chǎn)原油的含水率在線檢測(cè)是一個(gè)制約油氣計(jì)量的瓶頸問(wèn)題，特別是高含水率期油田對(duì)含水率的測(cè)量精度要求較為苛刻，以國(guó)產(chǎn)質(zhì)量流量計(jì)為基礎(chǔ)的含水率測(cè)量模式難以達(dá)到高精度要求［1，2］。

以 “油井多相連續(xù)分測(cè)裝置”為例，它是在氣液旋流分離和自力式液位控制的基礎(chǔ)上，分別用流量?jī)x表對(duì)液體和氣體進(jìn)行計(jì)量，其中液體計(jì)量采用質(zhì)量流量計(jì)。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是可做多參數(shù)測(cè)量，既能以質(zhì)量計(jì)量的方式計(jì)量油井產(chǎn)液量，又能同時(shí)進(jìn)行液體密度測(cè)量，并由此派生出測(cè)量總液的含水率。該裝置近幾年來(lái)在孤島采油廠進(jìn)行了一些試驗(yàn)性的應(yīng)用，從使用效果來(lái)看該裝置對(duì)液量含水率的在線計(jì)量與人工化驗(yàn)結(jié)果相差大 （一般在－2%），不能滿足高含水率油井的原油計(jì)量。

針對(duì)該裝置計(jì)量礦產(chǎn)原油含水率誤差大的問(wèn)題展開(kāi)了專項(xiàng)研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，影響質(zhì)量流量計(jì)在線測(cè)量含水率準(zhǔn)確度的根本原因是油水混合液 （介質(zhì)）中所含的微量氣體。為此，創(chuàng)新了質(zhì)量流量計(jì)含水率測(cè)算方法，修正了含氣影響，經(jīng)驗(yàn)證明符合生產(chǎn)實(shí)際，在線含水率測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0．1%，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

1 原裝置含水率計(jì)量初期試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇

孤島油田屬于后期開(kāi)發(fā)的老油田，其顯著特點(diǎn)是：高含水率、油稠、油密度大、油表面張力大、存在油包氣現(xiàn)象、油氣分離難度大，對(duì)含水率的測(cè)量精度要求較為苛刻。試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇應(yīng)充分體現(xiàn)孤島油田的這一顯著特點(diǎn)，孤一油藏經(jīng)營(yíng)管理區(qū)注采103站中3-1北計(jì)量間就具備這樣的特點(diǎn)，是一個(gè)較好的試驗(yàn)地點(diǎn)。該計(jì)量間開(kāi)油井7口，日產(chǎn)液量554t，日產(chǎn)油量17t，綜合含水率97%左右，純油標(biāo)準(zhǔn)密度化驗(yàn)值為948．7kg／m3左右。

1.2 計(jì)量工藝流程

中3-1北計(jì)量間計(jì)量工藝流程如圖1所示。在計(jì)量間匯管處安裝油氣分離裝置及氣、液計(jì)量?jī)x表，分別對(duì)計(jì)量站總產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量進(jìn)行24h連續(xù)計(jì)量，液量計(jì)量?jī)x表選用質(zhì)量流量計(jì)，從而可間接測(cè)量出綜合含水率參數(shù)，并由此可獲得油量參數(shù)。

1.3 原裝置對(duì)含水率計(jì)量的不準(zhǔn)確性分析

為驗(yàn)證計(jì)量系統(tǒng)對(duì)含水率計(jì)量的精度，采取人工化驗(yàn)含水率數(shù)據(jù)與計(jì)量含水率數(shù)據(jù)相對(duì)比的方法。現(xiàn)場(chǎng)錄取6組84個(gè)樣的對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果表明，每組中計(jì)量系統(tǒng)所測(cè)得的平均含水率比實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)的平均含水率低0．74%。但對(duì)于綜合含水率為97%左右的中3-1北計(jì)量間產(chǎn)液來(lái)說(shuō)，0．74%的綜合含水率誤差即約3．7t的油量誤差，中3-1北計(jì)量間日產(chǎn)油量大約為17t，油量的輸送誤差為21．8%。由此可見(jiàn)，提高含水率的計(jì)量準(zhǔn)確性就成為該裝置能否得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

圖1 中3-1北計(jì)量間計(jì)量工藝流程

2 含水率間接測(cè)量數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量流量計(jì)通過(guò)測(cè)量液體密度來(lái)間接測(cè)量液體含水率。計(jì)量間7口井的總液，經(jīng)過(guò)旋流分離器進(jìn)行了氣、液分離，但旋流分離器不可能100%地將氣、液徹底分離，分離后的混合液 （介質(zhì)）中含有部分氣體，且這部分氣體的體積含氣率不是一個(gè)固定值，它隨時(shí)間是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化量。由此可見(jiàn)含氣量動(dòng)態(tài)計(jì)算就成為質(zhì)量流量計(jì)在線測(cè)量混合液 （介質(zhì)）含水率的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 含氣混合液 （介質(zhì)）的簡(jiǎn)化模型

中3-1北計(jì)量間的工況條件是：壓力0．36MPa（表壓），溫度48℃，水密度988．93kg／m3，油密度931．80kg／m3，氣體密度2．946kg／m3。

工況條件下，將油氣水混合液 （介質(zhì)）模型簡(jiǎn)化，不考慮溶解氣，即假設(shè)所有氣體都是游離氣。油氣水混合液 （介質(zhì)）密度計(jì)算公式如下：

式中：ρL2為有氣體影響情況下的混合液 （介質(zhì)）密度，kg／m3；ρL1為不含氣的純液密度，kg／m3；ρg為氣體密度，kg／m3；fg為油氣水混合液 （介質(zhì)）中體積含氣率，1。

2.2 回歸法估算總含氣量

在工況條件下，質(zhì)量流量計(jì)只能提供介質(zhì)密度ρL2參數(shù)，而不可能提供純液密度ρL1參數(shù)。利用基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以回歸的方法建立起fg與ρL2之間的一元線性關(guān)系。

通過(guò)技術(shù)論證，以理論試驗(yàn)的方法建立起不同比例的油氣水混合液 （介質(zhì)）中有關(guān)fw（體積含水率）、fg、ρL1、ρL2之間關(guān)系的10組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立回歸方程式為：

式中：fge（xi）為含氣量的回歸估計(jì)值，1；xi＝f （ρL2）是與介質(zhì)密度ρL2、油密度ρo、水密度ρw相關(guān)的量，1。

2.3 溶解氣體積含氣率估算及其穩(wěn)定性依據(jù)

實(shí)際工況條件下，壓力0．36MPa（表壓）下部分氣體必然會(huì)溶于油 （或水）中。于是總含氣量就由2部分組成：溶解氣和游離氣。含氣對(duì)油水混合液密度及含水率的影響主要來(lái)自油水混合液所攜帶的游離氣，但工況條件下游離氣體積含氣率不是一個(gè)固定值，它隨時(shí)間是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化量，求解困難。

2．3．1 溶解氣體積含氣率抽樣估算

取樣化驗(yàn)得到20℃時(shí)無(wú)氣影響的混合液質(zhì)量含水率為ψw，20，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，ψw，20就等于工況條件下無(wú)氣影響理想混合液的質(zhì)量含水率ψw，根據(jù)混合液密度ρL1可求出實(shí)際游離氣體積含氣率fgd。計(jì)算公式如下：

式中：fgd為實(shí)際游離氣體積含氣率，1。

2．3．2 溶解氣體積含氣率在混合液 （介質(zhì)）中是穩(wěn)定值

首先壓力對(duì)溶解氣體積含氣率有直接影響，但工況條件下壓力穩(wěn)定在0．36MPa左右，因此壓力對(duì)溶解氣體積含氣率的影響基本上是恒定的。其次油水混合液作為溶劑對(duì)溶解氣體積含氣率有直接影響，天然氣較易溶于油中，也可溶于水中，雖然天然氣溶于水中的溶解能力比溶于油中的溶解能力小10倍左右，但在混合液含水率較高時(shí)，水溶解天然氣的作用便不可忽略，在特定的含水率范圍內(nèi)，混合液（介質(zhì)）中的溶解氣體積含氣率可視為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

總液中溶解氣體積含氣率測(cè)試試驗(yàn)共5次，溶解氣體積含氣率的相對(duì)穩(wěn)定值為0．05%。將人工取樣化驗(yàn)含水率與模型測(cè)量含水率的試驗(yàn)對(duì)比，數(shù)據(jù)如表1所示。模型測(cè)量含水率與化驗(yàn)含水率最大誤差不超過(guò)0．09%，準(zhǔn)確度比儀表原始測(cè)量含水率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可滿足高含水率原油的計(jì)量要求 （0．1%），達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表1 3種含水率測(cè)量方法的數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 結(jié)論

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明，工況條件下含水率測(cè)量值必須修正，以消除微量氣體影響。

2）建立含水率間接測(cè)量數(shù)學(xué)模型，含水率的測(cè)量精度大幅度提高 （最大誤差為0．09%），完全達(dá)到了高含水率期對(duì)含水率誤差要控制在0．1%以內(nèi)的測(cè)量要求。

［1］張琪 ．采油工程原理與設(shè)計(jì) ［M］．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006．

［2］李穎川 ．采油工程 ［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2002．