某海上油田多相流量計含水率儀換型改造

彭遠志

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057）

海上油田多采用滾動開發(fā)模式，依托老油田設(shè)施減少新油田投資的方式是開采邊際油田的一種常用手段，因此上游新建平臺的工藝流程一般不設(shè)油水分離，油水混相輸送至下游進行油水分離處理。

油田產(chǎn)出物的計量是油藏開發(fā)研究的重要數(shù)據(jù)，取全取準油氣水計量數(shù)據(jù)是關(guān)系到油田滾動開發(fā)效果好壞的一個重要因素。不設(shè)油水分離的上游平臺一般配置多相流量計，以定期測定每口油氣井的油、氣、水的含量，以便合理進行配產(chǎn)。

某平臺是大型油田群上游的一個高產(chǎn)平臺，產(chǎn)量約占油田群產(chǎn)量的10%，該平臺產(chǎn)量準確度將較大程度影響整個油田群開發(fā)研究。平臺采用GLCC（Gas Liquid Cylindrical Cyclone，柱狀旋流式氣-液分離器）多相流量計系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于GLCC原理設(shè)計。其在海洋平臺的應用中具有體積小、重量輕、計量效果好及安全性高等優(yōu)勢，特別是對于氣液比波動大的特殊工況有著其他多相流量計無可比擬的優(yōu)勢，是適合在海洋工程中推廣使用的計量設(shè)備。

GLCC多相流量計系統(tǒng)基于GLCC柱狀旋流式氣-液分離器原理，完全克服了傳統(tǒng)分離器體積大、重量大的缺點，同時又具有較大的氣液比跨度、測量精度高、無放射源等優(yōu)點。

GLCC多相流量計系統(tǒng)通過分離器對上游的兩相流進行氣液分離，然后采用單相流儀表對氣、液分別進行計量，并通過含水分析儀計算出油、水的產(chǎn)量及累積量，從而達到單井監(jiān)測的功能。

GLCC分離器工作原理如圖1所示，分離器由傾角向下的管道沿特定角度的切線方向與鉛垂管道相連，多相流經(jīng)入口段預分離后進入主分離器。在主分離器中，由于離心力、重力和浮力的作用形成一個倒圓錐型的渦流面。密度大的液相沿鉛垂管道的管壁流到分離器底部，密度小的氣相沿渦旋的中央上升至渦面并流至分離器頂部，最終氣相和液相分別從分離器的頂部和底部排出。并通過控制閥調(diào)整液位和壓力，實現(xiàn)兩相充分分離。

圖1

該系統(tǒng)裝置由三大部分組成：GLCC氣液兩相分離器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和計量系統(tǒng)。

多相流量計系統(tǒng)工藝流程為：油氣水多相流經(jīng)多路選擇閥切換，由多相流量計入口進入GLCC高效分離器，通過旋流將氣、液兩相完全分離；GCV（Gas Control Valve氣相控制閥）和LCV（Liquid Control Valve液相控制閥）通過“優(yōu)化控制”方法控制GLCC內(nèi)液位，使其保持恒定。分離后的氣液兩相通過氣相和液相流量計分別計量，根據(jù)質(zhì)量流量計的密度輸出數(shù)據(jù)，通過計算可以得到液相中的含水率，從而計算出油氣水三相流量。

1 系統(tǒng)瓶頸

該平臺多相流量計系統(tǒng)含水率儀采用導納傳感原理[2]，含水率儀將導納傳感探頭深入到石油管道中，傳感器對被測含水原油的介電常數(shù)敏感，含水原油的介電常數(shù)隨含水率變化，敏感探頭將含水率的變化轉(zhuǎn)化成探頭的導納量的變化，使導納傳感器輸出一個和含水率對應變化的電信號，從而測出含水原油的含水率。介電常數(shù)是電介質(zhì)的一種特性，原油的介電常數(shù)（40℃）經(jīng)試驗測定為2.21～2.26。而純水的介電常數(shù)為80，油與水的介電常數(shù)相差如此之大，含水率微小的變化即可引起介電常數(shù)的變化。當含水率不同的流體流過電容的兩電極時，電極間介質(zhì)的介電常數(shù)就會發(fā)生變化，導致電容值發(fā)生變化，通過檢測電路將電容值的微小變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，由于油水混合液的介電常數(shù)是含水率的函數(shù)，從而實現(xiàn)了原油含水率的檢測。

將傳感器探頭置于含水原油中，當電容傳感器探頭的結(jié)構(gòu)及外形尺寸一定時，電容量滿足：

C=Kε

式中：ε為原油的混合介電常數(shù)；K為常數(shù)，由電容探頭的結(jié)構(gòu)、尺寸確定。原油中含水量不同，則電容探頭的電容值就不同，這樣就可以把介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電容的變化，實現(xiàn)了上述原理。

導納傳感器的功能是測量原油中含水率，根據(jù)流體介電常數(shù)隨原油含水率不同而規(guī)律性變化，探測裝置將該介電常數(shù)的變化信號傳送到信號處理器。經(jīng)處理、放大、線性校正后輸出一個隨油中含水率而變化的標準電信號。同時，相變探測單元的作用是進行流體相變（油包水或水包油）的判別檢測，以確定合適的信號解析方案。

該類型含水率儀準確度取決于標準電信號，標準電信號的準確度取決于儀器標定時手工化驗含水率準確性，因此，手工化驗人為因素和原油乳化程度將對最終結(jié)果形成二次影響，造成單井含水測試誤差大。含水率儀雖然標稱測量范圍為0-100%含水率，但實際使用時，基本含水在40%以上就無法保證測量精度，依賴于使用化驗含水進行反向標定。

多相流量計經(jīng)過一段時間調(diào)試運行，含水測量偏差約±20%，無法滿足油藏需求，且平臺空間及結(jié)構(gòu)受限，整體更換改造難度較大。為保障油藏研究和合理進行配產(chǎn)，必須盡快采取措施，提高含水率儀的準確度，滿足油藏產(chǎn)量測試需求，該油田實施了含水率儀換型改造。

2 含水率儀選型

改造的思路主要是通過更換新含水儀替換原有含水率儀，實現(xiàn)獨立的含水測試功能。在線測量原油含水的儀表很多[1]，按其原理有四種：（1）采用短波吸收原理；（2）應用低能射線與物質(zhì)的相互作用的透射與散射原理；（3）電容測量原理；（4）射頻導納原理。

平臺有17口井，每口井的井況不一，主要分為“高氣油比井”、“中氣油比井”和“低氣油比井”三類，高氣油比井含氣率約75.09%，中氣油比井含氣率約41.39%，低氣油比井含氣率約27.86%。每口井含水率從0～100%范圍較大。

射頻、微波和電容等測量原理的含水率儀均無法全面覆蓋本平臺含氣和含水范圍，唯有采用伽馬射線法，尤其是雙能伽馬射線法特別適合單井含水率測量或匯管含水率測量。

伽馬射線法利用物質(zhì)對伽馬射線的吸收來測量氣和液的相分率以及液相的相分率。當一束伽馬射線從介質(zhì)穿過時，其強度會因介質(zhì)的吸收而減弱，這種衰減規(guī)律可用下式來表示。

Nx=N0·exp-(μwdw+μoso+μgdg)

不同的物質(zhì)對射線的吸收是不同的。當被測介質(zhì)為油、氣、水混合物時，可以利用兩種不同能量的射線去照射混合介質(zhì)并測量射線被吸收后的強度，即可確定混合介質(zhì)中的含水率與含氣率。

采用伽馬射線法，相變、乳化液和礦化度對測量結(jié)果均無影響，結(jié)蠟對測量結(jié)果影響通過標定基本可消除。

3 放射源選擇

放射源發(fā)射出來的射線具有一定的能量，它可以破壞細胞組織，從而對人體造成傷害，國際原子能機構(gòu)根據(jù)放射源對人體可能的傷害程度，將放射源分為5級。在綜合考慮測量效果、安全以及后續(xù)管理，本次含水率儀選用即滿足測量精度的豁免級源Ba-133，與傳統(tǒng)的雙能伽馬含水率儀主要不同在于：本次豁免源含水率儀使用一顆Ba-133作為放射源，由于Ba-133能同時產(chǎn)生80keV（高能）和30keV（低能）這兩個能級的γ射線，因此只需一顆源即可滿足同時測量含氣和含水的需求，適用含氣率范圍0-90%。

Ba-133核素的半衰期為10.551年，鑒于豁免級Ba133放射源活度很低，因此豁免源在設(shè)備上的使用壽命與Am241相比很短，5～6年后需要更換新源。由于活度很低，探頭采集到的計數(shù)率不高，當水的礦化度較高時對低能射線的吸收比較嚴重，導致低能的計數(shù)率偏低，不太適合管徑較大的設(shè)備。本次含水率儀選擇豁免源核素為Ba-133(900kBq)，使用的源活度為9×105Bq，經(jīng)第三方檢測，含水儀的輻射劑量接近于自然本底。經(jīng)過進一步核算，其半衰期及計數(shù)率均滿足現(xiàn)場使用要求。

4 調(diào)試運行

當被測介質(zhì)是相對比分未知的油、氣、水的混合物時，需要同時測量穿過混合介質(zhì)的兩束伽馬射線的強度，即可確定混合介質(zhì)中的含水率和含氣率?；砻庠春治鰞x必須經(jīng)過標定才能使用。標定油和水必須是從被測的混合介質(zhì)中分離出來的、有代表性的單一介質(zhì)?；砻庠聪喾致蕶z測儀在運行中，如果遇到被測介質(zhì)中的油和水的性質(zhì)（油的成分、密度，水的礦化度等）和標定時相比有重大變化時，則需要重新標定。

空管標定：設(shè)備電源通過連接檢查完畢后，在標定空管前檢查含水分析儀通徑內(nèi)是否有異物，并進行清理。在上位機軟件上設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后可進行空管標定，標定時間為15～20min，最終的空管數(shù)據(jù)取這15～20組數(shù)據(jù)的平均值。

水樣標定：因為分離的全水樣品有限，標定時使用防水隔板或者其他東西堵住含水分析儀的上游進口，將水樣從下游出口倒入含水分析儀內(nèi)，液位高度以適當淹沒射線穿過的范圍為宜。標定時間為15～20min，最終的水樣標定數(shù)據(jù)取這15～20組數(shù)據(jù)的平均值。

油樣標定：全水標定完成后，將含水分析儀內(nèi)部管壁擦拭干凈后倒入油樣，液位高度以適當淹沒射線穿過的范圍為宜。標定時間為15～20min，最終的油樣標定數(shù)據(jù)取這15～20組數(shù)據(jù)的平均值。

氣體標定：因為GLCC設(shè)備的氣液分離并不徹底，因此液相中會存在一定的氣體，將含水分析儀安裝完畢后進行氣體標定，氣體標定的數(shù)據(jù)使用油樣標定的結(jié)果，并對氣體的密度進行更新。

分離化驗得到多個井的油樣與水樣密度，使用上位機軟件對每口井進行配置；選擇對應的油井開始標定該井分離出來的油樣和水樣，標定完畢對標定結(jié)果進行保存。將每口井的產(chǎn)出液進行分離，分離后的油水倒入含水分析儀進行標定，標定所得參數(shù)保存在對應的油井中。這種方法配置的參數(shù)最具有代表性。井況相似油井配置相同參數(shù)，這種方法只需要進行有限次的標定即可完成對所有油井的參數(shù)配置，但配置參數(shù)的代表性會弱一些。

5 結(jié)論及建議

新含水率儀主要由探頭、本體、豁免級放射源和表頭DAU組成，能夠?qū)崟r在線測量流經(jīng)管道流體的含水率與含氣率，可測量在GVF＜90%時，WLR范圍為0～100%的液體的含水率，測試的液體流量范圍為0～2000m3/d，在含氣率低于10%時含水分析儀的含水測量偏差約為±1%；當含氣率為10%～70%時，含水分析儀的含水測量偏差為±3%；當含氣率為70%～90%時，含水測量偏差為±5%?？蓾M足動態(tài)研究及生產(chǎn)管理的需要。

通過含水率儀換型改造，提高含水率儀的準確度，保障油藏研究和合理進行配產(chǎn)，極大促進了油田高效開發(fā)。由于采用能級較低的豁免伽馬源，大大提高了設(shè)備使用安全性，降低了管理成本。在計量設(shè)備問題整改和設(shè)備優(yōu)化選型中可以考慮推廣應用。