孔板流量計(jì)誤差分析與改進(jìn)措施

鄭 武

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 孔板流量計(jì)工作原理

孔板流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便、使用可靠性高等特點(diǎn)，是海上油田油氣井計(jì)量時(shí)最常用的流量計(jì)。它是由節(jié)流裝置(孔板)、取壓裝置、緊固裝置和附件組成?？装辶髁坑?jì)的工作原理是利用流體節(jié)流的原理，也就是當(dāng)充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，流體將在節(jié)流件處形成局部收縮，從而使流體的流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓力差。由于其與流量存在著一定的函數(shù)關(guān)系，流體的流速越大，產(chǎn)生的壓差也越大，可通過(guò)孔板前后兩端的取壓裝置將差壓信號(hào)傳送給差壓變送器，再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，通過(guò)遠(yuǎn)程的流量計(jì)算儀，實(shí)現(xiàn)流體流量的計(jì)量(圖1)。

這種測(cè)量流量的方法以水力學(xué)的能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ)。

圖1 孔板工作原理Fig.1 Working principle of orifice

天然氣質(zhì)量流量計(jì)算基本公式：

式中：mq為天然氣質(zhì)量流量；1ρ為天然氣在操作條件下上游取壓孔處的密度，可通過(guò)計(jì)算或?qū)崪y(cè)得出；C 為流出系數(shù)；β 為直徑比，/dDβ=；d為操作條件孔板開(kāi)孔直徑；D為操作條件上游測(cè)量管內(nèi)徑；ε為可膨脹性系數(shù)；pΔ為上下游取壓孔位置上所取得的靜壓力差。

按天然氣在操作條件下和在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下密度與其溫度、壓力的關(guān)系，并引入與干空氣的相對(duì)性推導(dǎo)計(jì)算實(shí)用公式。

天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量計(jì)算實(shí)用公式：

式中：qvn為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量；Avn為體積流量計(jì)量系數(shù)(其值視計(jì)量單位而定，秒體積流量(m3/s)計(jì)量系數(shù)為 3.179×10-6)；E 為漸近速度系數(shù)；FG為相對(duì)密度系數(shù)；FZ為超壓縮系數(shù)；FT為流動(dòng)溫度系數(shù)；P1為孔板上游側(cè)取壓孔氣流絕對(duì)靜壓。

由上述公式可以看出，氣體的體積流量 qvn與孔板開(kāi)孔直徑d、上下游取壓孔位置上所取得的靜壓力差Δp有著密切的關(guān)系。

2 計(jì)量誤差的原因分析

2.1 流量計(jì)安裝不合理

孔板流量計(jì)的安裝應(yīng)符合相應(yīng)的安裝規(guī)范。根據(jù) GB/T 21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，節(jié)流裝置應(yīng)安裝在2段具有等直徑的圓形橫截面的直管段之間，毗鄰孔板的上、下游直管段應(yīng)符合一定的技術(shù)要求。一般情況下，海上油田孔板安裝要求為：毗鄰孔板的上游直管段長(zhǎng)度應(yīng)為 10D(D為測(cè)量管內(nèi)徑)，下游直管段長(zhǎng)度應(yīng)為 5D。在實(shí)際安裝的過(guò)程中基本可以滿足要求，但往往一些細(xì)節(jié)問(wèn)題會(huì)被忽視，也會(huì)造成安裝誤差，如：直管段內(nèi)壁粗糙度不符合要求，引起誤差；施工人員領(lǐng)料、用料不符合規(guī)范，實(shí)際安裝管道與設(shè)計(jì)要求不符等。

2.2 取壓與氣流異常

從地層中開(kāi)采出的原油進(jìn)入油井計(jì)量分離器進(jìn)行油氣水三相分離，這一過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)天然氣氣液分離效果不好或分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件(波紋板、捕霧器)故障破損時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生不利的影響因素。如：①會(huì)使導(dǎo)壓管路、測(cè)量腔室在長(zhǎng)時(shí)間使用中產(chǎn)生積水、積油現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況下原油中的油泥及顆粒也會(huì)進(jìn)入導(dǎo)壓管，發(fā)生堵塞，從而影響計(jì)取壓的準(zhǔn)確性，造成計(jì)量誤差(圖2)；②在冬季，環(huán)境氣溫較低時(shí)，有可能會(huì)使積液產(chǎn)生凍堵，此時(shí)流量計(jì)也不能真實(shí)地反映出孔板的前后壓差，造成計(jì)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；③儀表變送器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的零點(diǎn)漂移，造成測(cè)量數(shù)據(jù)偏差。

圖2 孔板油泥污垢Fig.2 Orifice fouling

依據(jù) GB/T 21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，氣流通過(guò)孔板的流動(dòng)應(yīng)保持亞音速，是穩(wěn)定或僅隨時(shí)間緩慢變化的，應(yīng)避免脈動(dòng)氣流。當(dāng)不能滿足孔板安裝直管段的長(zhǎng)度要求時(shí)，應(yīng)安裝阻流件及流動(dòng)調(diào)整器，以確保氣流的穩(wěn)定。

2.3 測(cè)量范圍選擇不合理

在正常生產(chǎn)中，由于油藏屬性、地層能量、開(kāi)采方式等的不同，每口油井的生產(chǎn)狀態(tài)與產(chǎn)量也會(huì)不同。單一開(kāi)口尺寸的孔板流量計(jì)的計(jì)量范圍是固定的，一般情況下常用孔板的量程比為1∶3。實(shí)際操作中，應(yīng)根據(jù)油井的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)方案中的預(yù)測(cè)產(chǎn)氣量或已知產(chǎn)氣量選擇與之相適應(yīng)的孔板進(jìn)行油井的計(jì)量。

2.4 人員操作及維護(hù)不當(dāng)

對(duì)高產(chǎn)井與低產(chǎn)井的計(jì)量，由于其產(chǎn)氣量的范圍會(huì)超出測(cè)量范圍，不可避免的工作就是更換不同孔徑的孔板，以確保計(jì)量的準(zhǔn)確性。人員的一些操作失誤會(huì)直接導(dǎo)致計(jì)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。對(duì)于該項(xiàng)操作有著相應(yīng)的嚴(yán)格要求：①孔板喇叭口的朝向應(yīng)為管線下游方向；②安裝拆卸孔板不能使用蠻力或尖銳工具，避免孔板變形和工作面劃傷；③安裝密封圈應(yīng)檢查有無(wú)破損情況；④更換下來(lái)的孔板應(yīng)妥善保存，防生銹、防擠壓，運(yùn)送途中避免磕碰。

如果單一孔板能夠滿足計(jì)量范圍的要求，則更應(yīng)該注意定期的檢查與維保。孔板長(zhǎng)時(shí)間未更換，受工藝介質(zhì)沖刷、腐蝕、雜質(zhì)堆積等因素的干擾，其工作面易產(chǎn)生沖刷磨損、孔板變形、工作面結(jié)垢等。對(duì)此人員未能及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)，也會(huì)造成計(jì)量數(shù)據(jù)的偏差。

3 提高計(jì)量精度的措施

3.1 優(yōu)化流程減少操作失誤

以某海上油田為例，該油田共有油井?dāng)?shù) 23口，其單井產(chǎn)氣量分布由低到高的范圍約為(3×102)～(9×104)m3/d。由于該油田油井產(chǎn)氣量范圍波動(dòng)較大，單一開(kāi)口尺寸孔板的滿刻度量程無(wú)法滿足單井計(jì)量要求(表 1)，需要頻繁更換孔板。人員技能水平的差異，將不可避免地帶來(lái)操作失誤的情況，影響計(jì)量精度。為此通過(guò)對(duì)計(jì)量分離器生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，擴(kuò)大孔板流量計(jì)的測(cè)量范圍以減少人員直接接觸所引起的操作失誤。

表1 孔板尺寸及滿刻度流量表Tab.1 Orifice size and full scale flow

通過(guò)在原油井計(jì)量分離器氣相出口增加 1路氣相計(jì)量管線和高級(jí)一體化孔板流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同氣量的油井在不拆卸更換孔板的情況下，利用切換流程使用相對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍的孔板進(jìn)行計(jì)量。

此次改造后，將2臺(tái)高級(jí)一體化孔板流量計(jì)分別裝入 1.0658in(27.071mm)及 2.531in(64.287mm)尺寸的孔板，以實(shí)現(xiàn)大孔板和小孔板對(duì)該油田全部油井產(chǎn)氣量測(cè)量范圍的全覆蓋，操作人員只需開(kāi)關(guān)閥門(mén)，即可完成大小孔板的流程切換，避免了頻繁更換孔板造成損壞。在減少人員工作量與工作強(qiáng)度同時(shí)，有效提升了孔板流量計(jì)的計(jì)量精度(圖3、圖4)。

圖3 改造流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of transformation process

3.2 定期檢查與維保

針對(duì)上述產(chǎn)生計(jì)量誤差的原因分析中可以看出，通過(guò)對(duì)孔板流量計(jì)的維護(hù)，可以消除大部分的影響因素。例如：①定期對(duì)取壓管線以及流量計(jì)腔室的積液排放；②通過(guò)拆檢可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)孔板及測(cè)量腔室淤泥污垢并及時(shí)進(jìn)行清理；③入冬季前相關(guān)管線、儀表附件等的保溫檢查；④儀表變送器定期檢查、排放、標(biāo)定，消除零點(diǎn)漂移等因素造成的誤差。在管理制度上，應(yīng)建立相關(guān)的程序(周檢、月檢、年檢)，并及時(shí)更新，加強(qiáng)相關(guān)技能培訓(xùn)，增強(qiáng)員工責(zé)任心。

圖4 孔板參數(shù)設(shè)置圖Fig.4 Orifice parameter setting diagram

4 結(jié) 論

對(duì)于新投產(chǎn)施工投用的流量計(jì)，其測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因多是安裝不規(guī)范或錯(cuò)誤安裝所致。對(duì)于已長(zhǎng)時(shí)間投用的流量計(jì)，測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因多是維護(hù)不及時(shí)、操作失誤或工藝方面的原因所致。綜上所述，通過(guò)相關(guān)的分析找出流量計(jì)測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因并采取改善措施，才能保障生產(chǎn)正常運(yùn)行?！?/p>