油井液量含水自動測量新技術(shù)的應(yīng)用

鄢雨 石彥 馮小剛 蔣軒宇 張紹鵬

中國石油新疆油田分公司準(zhǔn)東采油廠

油井產(chǎn)量的計量是油田生產(chǎn)管理中的一項重要工作，對油井產(chǎn)量進(jìn)行準(zhǔn)確、及時的計量，對掌握油藏狀況、制定生產(chǎn)方案具有重要的指導(dǎo)意義。隨著油田的開發(fā)和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，油井計量技術(shù)和設(shè)備儀表也在不斷地更新改進(jìn)。目前,國內(nèi)油田集輸大多采用“油井-計量接轉(zhuǎn)站-聯(lián)合處理站”的二級布站模式，所以油井計量仍以計量站輪井計量為主，存在著集輸流程長、建設(shè)成本高等諸多問題。在單井在線計量技術(shù)上，只有針對抽油機(jī)井的功圖法計量技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，也在長慶油田、勝利油田等得到較成熟的應(yīng)用[1-6]。近年來，螺桿泵采油和無桿泵采油方式由于其安全性好、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)抽油機(jī)在各油田開始規(guī)模應(yīng)用，但還沒有與之相配套的單井在線計量技術(shù)。為此，針對油井產(chǎn)液量計量，對比分析了目前使用較成熟的容積法計量、質(zhì)量流量計計量、功圖法計量、差壓法計量和稱重法計量等技術(shù)(見表1)[7-12]；對于油井含水率在線測量，對比分析了密度法、電磁電導(dǎo)法、電容法、射線法和微波法等技術(shù)(見表2)。確定稱重法和微波法為研究方向，據(jù)此自主研發(fā)了一種液量含水自動計量撬，能實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)液量、產(chǎn)油量、含水率等數(shù)據(jù)的連續(xù)在線計量。

表1 常見液量計量技術(shù)對比計量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)容積法用于稀油計量,需依托計量站,不適用于單井質(zhì)量流量計測量介質(zhì)廣泛,在充分脫氣的情況下準(zhǔn)確度較高,但成本較高,須依托計量站,不適用于單井功圖法適用于抽油機(jī)井,不適用于無桿泵采油計量差壓法價格便宜,不適用于液量和壓差較小的井稱重法技術(shù)成熟,測量介質(zhì)范圍廣;氣體對測量準(zhǔn)確度影響小;直接計量得到產(chǎn)液質(zhì)量,減少換算工作

表2 常見含水測量技術(shù)對比測量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)密度法易受含砂、含氣等情況影響,適用油水兩相模型測量電磁電導(dǎo)法不適用于低含水期和特高含水期的測量電容法易受溫度影響,引起溫度漂移,測量范圍小,不適用于我國油井產(chǎn)出液含水較高的現(xiàn)狀射線法準(zhǔn)確度高,但存在放射性安全問題微波法準(zhǔn)確度較高,不接觸流體,不會對流程產(chǎn)生干擾,測量范圍廣

1 液量含水自動計量撬的研制

1.1 計量撬組成

液量含水自動計量撬由稱重計量系統(tǒng)、含水測量系統(tǒng)、動力排液系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)組成(見圖1)。

1.1.1稱重計量系統(tǒng)

稱重計量系統(tǒng)包括稱重缸體、稱重傳感器等部件。3個稱重傳感器分別置于撬裝裝置底部，呈三角形布局，其主要功能為實(shí)時地對計量撬包括其中的產(chǎn)出液進(jìn)行稱重，稱重數(shù)據(jù)參與計量結(jié)果的計算。稱重傳感器的測量范圍為：0～1 500 kg，最小分辨力為0.1 kg，最大允許誤差為0.3%。

稱重缸體為計量撬儲液空間，油井產(chǎn)出液通過進(jìn)液口進(jìn)入稱重缸體內(nèi)稱重計量后，再由出液口排出進(jìn)入集輸系統(tǒng)。計量撬可實(shí)現(xiàn)帶壓測量，適用于0～2.5 MPa的壓力范圍，滿足國內(nèi)各油田單井測量需求。對于不同產(chǎn)量油井的稱重計量需要選用不同型號尺寸的稱重缸體。

1.1.2含水測量系統(tǒng)

采用微波法含水儀實(shí)現(xiàn)原油含水率的在線測量，其原理是根據(jù)微波在油氣水三相中傳播速度的不同來測定含水率。儀器內(nèi)部使用光滑材料鍍層，減少探頭粘附原油。能同時采集瞬時含水率、1 min平均含水率、1 h平均含水率等，計算平均含水率時首先舍棄異常突變值，剩余數(shù)據(jù)再采用正態(tài)分布的方式參與計算，使得結(jié)果更穩(wěn)定。

1.1.3動力排液系統(tǒng)

系統(tǒng)由活塞、支撐套筒、支撐座、減速箱、伺服電機(jī)等組成，伺服電機(jī)提供動力，通過絲桿帶動活塞往復(fù)運(yùn)動的方式解決稱重缸體內(nèi)的排液問題。在稱重缸體內(nèi)進(jìn)液達(dá)到設(shè)定值后，活塞開始運(yùn)動，將稱重缸體內(nèi)產(chǎn)出液排出，以便進(jìn)行下一次稱重計量。通過外力排液的方式，解決了傳統(tǒng)翻斗式稱重裝置對氣量小的油井無法排液的問題，使得該裝置不受油井氣量的影響。

1.1.4測量控制系統(tǒng)

測量控制柜RTU單元為該系統(tǒng)核心，能實(shí)時采集遠(yuǎn)傳計量撬各項運(yùn)行參數(shù)，具備壓力、運(yùn)行電流等參數(shù)報警及緊急停止保護(hù)功能，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停、參數(shù)設(shè)置，保證計量撬正常運(yùn)行，參數(shù)控制界面見圖2。

1.1.5數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)

編制了一套科學(xué)的程序計算方法，采用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算后，輸出日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量、日綜合含水率等結(jié)果，并對接油井生產(chǎn)日報系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、計算與輸出。計算日綜合含水率時將油井階段產(chǎn)液量和對應(yīng)階段的含水率結(jié)合起來，使得結(jié)果更接近油井實(shí)際值(見圖3)。

圖3中油井產(chǎn)液日綜合含水率計算見式(1):

=37.4%

(1)

式中：f為日綜合含水率，%。

若采用簡單的算術(shù)平均算法，其計算結(jié)果為50%，而采用式(1)計算得到的油井日綜合含水率為37.4%，更真實(shí)可靠。

1.2 計量撬原理

計量撬采用稱重的方式實(shí)現(xiàn)對油井液量的計量，稱重傳感器進(jìn)行實(shí)時在線稱重，并記錄稱重數(shù)據(jù)。當(dāng)液體經(jīng)過進(jìn)液口進(jìn)入稱重缸體時，此時記錄一個稱重初始值W1和初始時間T1，當(dāng)稱重缸體內(nèi)進(jìn)液量達(dá)到設(shè)定值后，再記錄一個稱重結(jié)束值W2和結(jié)束時間T2，油井產(chǎn)量可由稱重結(jié)束值和初始值的差值與對應(yīng)的進(jìn)液時間差計算得到。當(dāng)稱重缸體內(nèi)進(jìn)液量達(dá)到設(shè)定值后，由伺服電機(jī)控制活塞運(yùn)動進(jìn)行稱重缸體的排液，排液完成后再繼續(xù)下一次的計量。油井伴生氣通過上部單流閥進(jìn)入集輸管線，保證缸體內(nèi)不會憋壓。

產(chǎn)液量q可由W1、W2、T1、T2計算得到，見式(2)：

(2)

式中：W1、W2為稱重缸體初始質(zhì)量和排液質(zhì)量，kg；T1、T2為稱重缸體初始質(zhì)量和排液質(zhì)量所對應(yīng)的時間，s；q為計量撬單次計量產(chǎn)液量，t/d。

根據(jù)油井的實(shí)際情況，可制定出適合需求的計量模式，設(shè)置計量撬每天計量次數(shù)，每次計量會得到一個產(chǎn)液量q值，日產(chǎn)液量Q液可由多次計量q值加權(quán)計算得出，見式(3)：

(3)

式中：w1、w2、wn分別為第1次、第2次、第n次計量進(jìn)液時間內(nèi)質(zhì)量增加值，kg；t1、t2、tn分別為第1次、第2次、第n次計量對應(yīng)的進(jìn)液時間，s；q1、q2、qn為第1次、第2次、第n次計量產(chǎn)液量，kg/s；Q液為油井日產(chǎn)液量，t/d。

油井日綜合含水率計算見式(4)：

(4)

式中：q1、q2、qn分別為第1次、第2次、第n次計量液量，t/d；f1、f2、fn分別為第1次、第2次、第n次計量對應(yīng)含水率，%；f日為油井日綜合含水率，%。

油井日產(chǎn)油量計算見式(5)：

Q油=Q液×(1-f日)

(5)

式中：Q油為油井日產(chǎn)油量，t/d；Q液為油井日產(chǎn)液量，t/d；f日為油井日綜合含水率，%。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢

(1) 撬裝化，連接簡單，安裝方便，尺寸小，僅為1.8 m×0.8 m×0.8 m。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸方便，支持通用采集協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括modbus、RS485、以太網(wǎng)，操作人員在中控室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

(3) 自動化程度高，可以實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量、日綜合含水率的24 h自動連續(xù)計量。

(4) 計量范圍廣，可以根據(jù)油井產(chǎn)量選擇不同量程范圍的計量撬。

(5) 適用油品范圍廣，無論是稀油、稠油、頁巖油，均能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快捷的計量。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)方案設(shè)計，研制形成了工業(yè)化產(chǎn)品，在經(jīng)過嚴(yán)格的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)后，計量撬能實(shí)現(xiàn)液量、含水率的在線檢測，且測量準(zhǔn)確度較高。同時,也針對不同區(qū)塊油井開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了計量撬在不同原油黏度、不同含蠟量、不同產(chǎn)液量、不同氣油比等條件下的測量準(zhǔn)確度和運(yùn)行可靠性。

現(xiàn)場應(yīng)用時，液量含水自動計量撬安裝在單井井口回壓閥門之后。計量撬每往復(fù)運(yùn)行1次，計算得到1次產(chǎn)量數(shù)據(jù)。標(biāo)定時，將計量撬出口管線接入標(biāo)定桶內(nèi)，采用經(jīng)過校驗(yàn)的電子秤用直接稱重的方式對計量撬排入至標(biāo)定桶的油水介質(zhì)進(jìn)行稱重，并將此稱重值折算成日產(chǎn)量數(shù)據(jù)與計量撬計算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。將微波法測量值與實(shí)驗(yàn)室蒸餾法、離心法進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證含水率測量誤差。目前，已進(jìn)行了現(xiàn)場20口井的試驗(yàn)應(yīng)用(見圖4)。其中，2口無桿泵采油井?dāng)?shù)據(jù)對比情況見表3、表4。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比，計量撬液量計量誤差達(dá)到±10%以內(nèi)，含水率測量誤差達(dá)到±5%以內(nèi)，滿足Q/SY 06002.2-2016《油氣田地面工程油氣集輸處理工藝設(shè)計規(guī)范》的要求。 同時，計量撬在-40～60 ℃的環(huán)境溫度下運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定，長期運(yùn)行也能保證測量準(zhǔn)確度。

3 效益分析

液量含水自動計量撬的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了油井的在線計量，且對于螺桿泵、無桿泵采油方式都能很好地應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)單井在線計量及數(shù)據(jù)自動遠(yuǎn)傳后，可取消油田集輸流程中的計量站環(huán)節(jié)，縮短油田集輸管線，降低地面建設(shè)費(fèi)用，同時也可以降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。以準(zhǔn)東油田北10區(qū)塊無桿泵采油示范區(qū)為例，按照56口井計算。若按傳統(tǒng)計量站模式建設(shè)，須建設(shè)5座計量站才能滿足集輸計量需求。且單井在線計量方案相比于計量站方案會節(jié)約20%左右的集輸管線，還可大幅度降低生產(chǎn)運(yùn)行成本(主要是人工巡井成本)。總體來講，實(shí)現(xiàn)單井在線計量將節(jié)約地面建設(shè)費(fèi)用28.4萬元，節(jié)約運(yùn)行成本168萬元/年(見表5)。

表3 北408井計量數(shù)據(jù)序號日產(chǎn)液量日綜合含水率日產(chǎn)油量計量值/(t·d-1) 標(biāo)定值/(t·d-1) 差值/%測量值/%標(biāo)定值/%差值/%計量值/(t·d-1)標(biāo)定值/(t·d-1)差值/% 14.494.54-1.11.93.2-1.34.404.390.225.015.12-2.12.32.7-0.44.894.98-1.734.624.88-5.31.92.9-1.04.534.74-4.444.924.763.42.14.5-2.44.824.556.054.264.35-2.12.23.5-1.34.174.20-0.765.104.5911.12.13.2-1.14.994.4412.474.684.464.92.33.8-1.54.574.296.684.814.506.92.14.3-2.24.714.319.3平均值4.744.651.92.13.5-1.44.644.493.4

表4 ST2369井計量數(shù)據(jù)序號日產(chǎn)液量日綜合含水率日產(chǎn)油量計量值/(t·d-1)標(biāo)定值/(t·d-1)差值/%測量值/%標(biāo)定值/%差值/%計量值/(t·d-1)標(biāo)定值/(t·d-1)差值/%13.603.532.036.228.08.22.302.54-9.6 23.994.10-2.734.327.17.22.622.99-12.3 34.113.963.836.535.21.32.612.571.7 43.823.751.935.025.79.32.482.79-10.9 54.134.21-1.937.741.0-3.32.572.483.6 63.783.663.336.136.00.12.422.343.1 72.983.26-8.637.238.0-0.81.872.02-7.4 82.773.01-8.036.936.50.41.751.91-8.6 平均值3.653.69-1.136.233.42.82.332.46-5.2

表5 經(jīng)濟(jì)效益分析類別項目單位傳統(tǒng)計量站方案單井在線計量方案地面建設(shè)費(fèi)用計量站建設(shè)萬元4000集輸管線敷設(shè)萬元588470.4征地萬元255.8185單井在線計量萬元0560合計萬元1 243.81 215.4生產(chǎn)運(yùn)行成本含人工巡井、化驗(yàn)、油耗等萬元/年21042

4 結(jié)論

(1) 通過對現(xiàn)有計量技術(shù)的研究分析，篩選出適合螺桿泵、無桿泵采油井單井計量的計量技術(shù)。

(2) 研制出液量含水自動計量撬，測量準(zhǔn)確度高，滿足規(guī)范要求。

(3) 液量含水自動計量撬采用稱重的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量計量，體積小，計量不受氣體影響，適用范圍廣泛。

(4) 液量含水自動計量撬解決了針對螺桿泵、無桿泵等采油方式無有效單井在線計量方法的難題，填補(bǔ)了技術(shù)空白。

(5) 實(shí)現(xiàn)單井在線計量、數(shù)據(jù)自動遠(yuǎn)傳，能簡化油田集輸工藝，減少現(xiàn)場員工巡井工作量，降低地面建設(shè)費(fèi)用和生產(chǎn)運(yùn)行成本。