油水氣三相計(jì)量裝置在油田的應(yīng)用

劉 旸

（中國(guó)石化集團(tuán)有限公司 物資裝備部，北京 100728）

0 引言

油井產(chǎn)量是油田開(kāi)發(fā)的重要數(shù)據(jù)，是油田企業(yè)生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)，是地質(zhì)分析和采油工藝的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，基于三相計(jì)量的結(jié)果可以對(duì)井下地質(zhì)情況進(jìn)行分析，對(duì)采用的采油工藝是否合適做出判斷，為優(yōu)化采油工藝提供數(shù)據(jù)支撐。對(duì)于提高原油產(chǎn)液量、降低投資、節(jié)約成本具有重要的意義。

隨著國(guó)內(nèi)油田大部分油井進(jìn)入開(kāi)采末期，采油工藝上注水、注氣、注聚等技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)出液氣油比變化也越來(lái)越大，對(duì)油田各個(gè)部門(mén)來(lái)說(shuō)，能夠準(zhǔn)確計(jì)量油井的油、氣、水三相的產(chǎn)量，可以準(zhǔn)確掌握油井的開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)，可以準(zhǔn)確判斷油井和底層的變化，從而采取合理的工藝措施，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。

1 油田采油三相計(jì)量的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

1.1 人工計(jì)量方式

傳統(tǒng)采油三相計(jì)量最初采用分離器人工計(jì)量，特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，投資少，通過(guò)人工定時(shí)倒流程，對(duì)分離器內(nèi)液位的記錄從而推算產(chǎn)量。但隨著人工成本的增加和自動(dòng)化水平要求的提高，再加上人工計(jì)量對(duì)人員技術(shù)水平要求高，而且計(jì)量為間斷取樣計(jì)量，總體計(jì)量準(zhǔn)確度差，這種方式已經(jīng)基本淘汰。

1.2 稱重計(jì)量方式

又稱翻斗計(jì)量[1]，采用重力式原理進(jìn)行計(jì)量，液體進(jìn)入計(jì)量容器內(nèi)，在達(dá)到一定重量時(shí)容器失去重心自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)量過(guò)程，容器復(fù)位后進(jìn)入下一個(gè)計(jì)量周期，通過(guò)這種方式在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)次數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)量，該類型由于是可動(dòng)部件計(jì)量，故障率較高，且對(duì)油沫大和含蠟高的介質(zhì)無(wú)法正常使用，在計(jì)量容器掛蠟后每次翻轉(zhuǎn)比原設(shè)計(jì)要少很多，在油沫多的工況下，由于油沫含量大，單位容積下原油質(zhì)量小無(wú)法到達(dá)翻轉(zhuǎn)重量，其中的液體以油沫形式流走，造成無(wú)法計(jì)量。同時(shí)缺少氣液分離的過(guò)程，無(wú)法對(duì)氣體進(jìn)行計(jì)量。這種計(jì)量方式誤差較大，并且浪費(fèi)較大且易造成環(huán)境危害。

1.3 雙容積計(jì)量方式[2]

采用兩個(gè)計(jì)量罐，兩個(gè)計(jì)量罐內(nèi)循環(huán)進(jìn)液，當(dāng)一個(gè)計(jì)量罐內(nèi)滿液后，通過(guò)控制系統(tǒng)，將進(jìn)液自動(dòng)切換進(jìn)入另一個(gè)計(jì)量罐，此時(shí)滿液計(jì)量罐的液體通過(guò)泵或者氣壓排空，此過(guò)程進(jìn)行循環(huán)，通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)計(jì)量罐滿液排空次數(shù)，控制系統(tǒng)計(jì)算兩個(gè)計(jì)量罐排空總?cè)莘e和排空次數(shù)乘積從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量。對(duì)產(chǎn)量波動(dòng)大或者介質(zhì)粘度大的工況，由于計(jì)量罐內(nèi)液體在排空過(guò)程中排出緩慢，此時(shí)另一個(gè)計(jì)量罐內(nèi)已經(jīng)滿液而原先計(jì)量罐還沒(méi)排空，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)故障。由于故障頻繁且原油介質(zhì)含量復(fù)雜，此計(jì)量方式的計(jì)量精度較差。

1.4 功圖計(jì)量方式[3]

依據(jù)油井采油泵各個(gè)參數(shù)與油井產(chǎn)液量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算產(chǎn)量。通過(guò)對(duì)整個(gè)抽油裝置中采油部分的數(shù)據(jù)收集，主要為采油裝置功率、抽油桿抽程、壓力等數(shù)據(jù)，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐建立一個(gè)特定的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而得出單井的產(chǎn)量。隨著目前油井末期地質(zhì)條件和工藝的變化，油品中其它成分含量變化劇烈，而且含氣量不穩(wěn)定，壓力波動(dòng)大，而數(shù)據(jù)模型無(wú)法及時(shí)更新，造成計(jì)量誤差偏差加劇，部分現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)徹底失去計(jì)量精度造成系統(tǒng)癱瘓。

圖1 三相計(jì)量裝置工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of three-phase metering device

2 新型三相計(jì)量裝置的應(yīng)用

針對(duì)傳統(tǒng)三相計(jì)量方式存在的問(wèn)題，為更好解決油田末期采油作業(yè)中介質(zhì)流量波動(dòng)大甚至不連續(xù)、油水氣三相變化大等問(wèn)題，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，開(kāi)發(fā)出新型油氣水三相計(jì)量裝置，并得到良好應(yīng)用，大幅提高了油井生產(chǎn)管理水平。

2.1 新型三相計(jì)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

充分考慮并結(jié)合目前油田采油工藝和地質(zhì)情況，采用先進(jìn)的分離和計(jì)量技術(shù)，在改進(jìn)分離器提升分離效果的前提下，設(shè)計(jì)了介質(zhì)測(cè)量和計(jì)量計(jì)算及控制系統(tǒng)，利用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x表技術(shù)，通過(guò)使用高精度質(zhì)量流量計(jì)、氣體超聲波流量計(jì)分別實(shí)現(xiàn)了液相油品和氣相介質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)量和精確計(jì)算。其基本原理如圖1 所示。

原油混合物在分離器內(nèi)進(jìn)行氣液分離，然后根據(jù)液位壓力等儀表讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)自動(dòng)化程序進(jìn)行下一步的計(jì)量。計(jì)量采用方式為液體科氏質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量液態(tài)產(chǎn)液，氣體超聲波流量計(jì)計(jì)量分離出的氣體。科氏質(zhì)量流量計(jì)同時(shí)作為一種高精度的密度測(cè)量?jī)x器，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合油水密度的差異，采用密度法計(jì)算出實(shí)時(shí)含水率，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，而且對(duì)于間歇產(chǎn)液的工況也能夠準(zhǔn)確計(jì)量，并可實(shí)現(xiàn)24h 不間斷計(jì)量。同時(shí)，在數(shù)據(jù)處理方面實(shí)現(xiàn)無(wú)線自動(dòng)傳輸，進(jìn)入油田現(xiàn)有的數(shù)據(jù)控制和生產(chǎn)管理系統(tǒng)，并對(duì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)記錄和分析，能得到各類型產(chǎn)量變化情況，并且利用歷史數(shù)據(jù)，對(duì)不同氣液比的原油建立數(shù)據(jù)庫(kù)，形成原油氣液比曲線，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，采用先進(jìn)的曲線自動(dòng)識(shí)別智能技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控原油的油水氣三相狀況，依據(jù)三相變化可對(duì)采油工藝改進(jìn)提出指導(dǎo)性的意見(jiàn)。

2.2 氣液分離系統(tǒng)的改進(jìn)

根據(jù)不同的采油工況，在氣液分離方面可選用合適的氣液分離方式，傳統(tǒng)的旋流、碰撞分離方式，針對(duì)間斷型采油工藝，可使用新型的流態(tài)突變分離方式[4]，通過(guò)分離管徑的變化，實(shí)現(xiàn)氣液介質(zhì)的速度差異，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣液分離，在氣液分離效果上達(dá)到98%以上。

2.3 新型三相計(jì)量系統(tǒng)性能提升

隨著質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，已廣泛用于原油三相計(jì)量。井口原油經(jīng)分離后，液態(tài)采用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，氣態(tài)采用超聲波流量計(jì)測(cè)量，大幅提高了原油三相計(jì)量精度?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)采用DSP 技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地處理數(shù)據(jù)，該流量計(jì)無(wú)可動(dòng)部件，適用于井口原油介質(zhì)工況復(fù)雜的情形，不易卡堵；同時(shí)質(zhì)量流量計(jì)還具備含水率測(cè)量功能，可實(shí)現(xiàn)一表雙功能，即流量計(jì)量和含水率測(cè)量，計(jì)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.1 級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油、水兩相的分別精確計(jì)量；超聲波流量計(jì)在計(jì)量單井氣量上有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，量程比范圍廣，最高可達(dá)1:30，適合單井產(chǎn)氣量不穩(wěn)定、變化大的工況，同時(shí)采用檢測(cè)超聲波信號(hào)計(jì)算流量，流量管內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件和任何的阻礙件，量程比大、壓損小、流通能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。同時(shí)單井產(chǎn)氣通常含有部分的液體，而超聲波流量計(jì)具備濕氣計(jì)量的功能，計(jì)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.5 級(jí)，非常適合在單井上進(jìn)行氣體的計(jì)量。這兩種流量計(jì)的使用，使得計(jì)量裝置在油田原油和伴生氣計(jì)量上的效果提升明顯，計(jì)量準(zhǔn)確度和適應(yīng)性均大大提升，滿足了油田三相計(jì)量的計(jì)量要求，并且計(jì)量控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化可以較好滿足現(xiàn)在油田生產(chǎn)管理數(shù)字化建設(shè)的要求，系統(tǒng)開(kāi)放、兼容，易接入油田管理系統(tǒng)。

技術(shù)指標(biāo)均得到大幅提升，可以達(dá)到以下指標(biāo)：

① 計(jì)量精度。液相相對(duì)誤差：≤0.5%；含水率相對(duì)誤差：≤3%；氣相相對(duì)誤差：≤1%。

② 測(cè)量范圍。液相測(cè)量范圍0m3/d ～5000m3/d ；氣相測(cè)量范圍：0m3/d ～9000m3/d ；含水率：0%～100%；含氣率0%～100%。

③ 介質(zhì)流型：所有流型。

④ 液相粘度：≤5000mPa.s。

⑤ 壓損：≤0.1 Mpa。

⑥ 介質(zhì)溫度：0℃～100℃。

⑦ 工作壓力： ≤6.3MPa。

⑧ 環(huán)境溫度： -40℃～+55℃。

⑨ 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理。液、氣、水瞬時(shí)/累計(jì)流量顯示，控制系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x表實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

⑩ 通訊方式：MODBUS RS485。

3 使用效果

新型三相計(jì)量裝置井口安裝使用后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)計(jì)量裝置標(biāo)定，實(shí)際計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求，并通過(guò)裝置自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，根據(jù)不同油井不同時(shí)間段的產(chǎn)量波動(dòng)變化，分別對(duì)注水量、抽油機(jī)的工作頻率進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合調(diào)整后的產(chǎn)量變化查找規(guī)律，找到最優(yōu)化的注水量和抽油機(jī)工作狀態(tài)，對(duì)產(chǎn)量提高有顯著的作用，并減少了抽油機(jī)低效運(yùn)行的時(shí)間，節(jié)能效果明顯，用電量大大降低，最終實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)節(jié)能的目的。新型三相計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量精度從以往的其他計(jì)量方式的5 級(jí)提升到1 級(jí)，通過(guò)控制注水量，每口井每天可節(jié)約注水1t ～10t，相應(yīng)的電費(fèi)也大大節(jié)約，可降低抽油機(jī)工作頻率，節(jié)約電量在5kW·h ～50kW·h。通過(guò)一次性投入可取得長(zhǎng)久的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型三相計(jì)量裝置測(cè)量精度較其他傳統(tǒng)計(jì)量方式有了明顯提高，并且故障率大幅降低。隨著生產(chǎn)管理要求不斷提高，對(duì)三相計(jì)量裝置的計(jì)量準(zhǔn)確度要求也越來(lái)越高，新型測(cè)量裝置的計(jì)量準(zhǔn)確度得到大幅提高，從而為后續(xù)的指導(dǎo)采油工藝改進(jìn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三相計(jì)量裝置的推廣使用，增產(chǎn)節(jié)能效果顯著，是一項(xiàng)低投資、高經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)性投入，解決了以往油田在井口、站內(nèi)等計(jì)量中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，提高了油田生產(chǎn)管理的水平。