射頻鎖相陣列式油井三相計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠

在油田生產(chǎn)中，油井含水率、產(chǎn)液量是油田最基本的生產(chǎn)參數(shù)，需要精準(zhǔn)計(jì)量。油井的產(chǎn)量計(jì)量對(duì)于分析油田生產(chǎn)運(yùn)行動(dòng)態(tài)、制定科學(xué)的油田開發(fā)及調(diào)整方案、檢驗(yàn)各種油田開發(fā)技術(shù)措施的效果、實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理績(jī)效的量化考核，使油田企業(yè)實(shí)現(xiàn)效益經(jīng)營(yíng)的目的都具有重要意義[1]。目前，油井計(jì)量裝置向著小型化[2]、精確化[3-5]、自動(dòng)化[6-7]、智能化[8]、連續(xù)化[9]發(fā)展。

大慶老區(qū)油田大部分采用計(jì)量分離器計(jì)量產(chǎn)液量，在井口取樣化驗(yàn)含水率。為保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，每天都需要按照相關(guān)規(guī)定對(duì)單井進(jìn)行產(chǎn)液量和含水率的測(cè)量與化驗(yàn)，當(dāng)含水率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，還需重復(fù)取樣化驗(yàn)，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大[10]。為滿足未來數(shù)字化油田發(fā)展需要，對(duì)基于射頻鎖相陣列式油井三相計(jì)量裝置進(jìn)行了適用性和穩(wěn)定性研究，并相應(yīng)地開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，射頻鎖相陣列式油井三相計(jì)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)量，配套無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量間的數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)無人值守。同時(shí)發(fā)現(xiàn)室外的環(huán)境溫度對(duì)計(jì)量裝置無影響，進(jìn)入計(jì)量裝置的采出液溫度高于20 ℃時(shí)，可以滿足計(jì)量精度要求。

1 計(jì)量試驗(yàn)裝置

1.1 儀器和設(shè)備

儀器和設(shè)備包括計(jì)量罐（氣液分離倉、量油倉、水倉）、含水分析儀陣列、電動(dòng)快開三通球閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥、管道油泵、溫度變送器、壓力變送器及測(cè)控系統(tǒng)等（圖1）。其中計(jì)量罐與含水分析儀陣列是設(shè)備的核心部分。計(jì)量罐呈啞鈴型結(jié)構(gòu)，是采出液實(shí)現(xiàn)快速分離的主要單元，具體結(jié)構(gòu)見圖2。含水分析儀陣列是三相計(jì)量裝置的計(jì)量單元，由高頻電磁波發(fā)射接收單元、反射電極、數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)處理單元等組成，具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1 射頻鎖相陣列式油井三相計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of radio frequency phaselocked array oil well three-phase metering device

圖2 計(jì)量罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the inner structure of measuring tank

油井采出液自集氣室進(jìn)入計(jì)量罐后，借助油井產(chǎn)出液自身的動(dòng)能，經(jīng)過分離傘的碰撞分散后，通過波紋板的遲滯摩擦，將較大的油包水和油包氣顆粒轉(zhuǎn)化成便于氣液分離、油水分離的較小顆粒，達(dá)到氣液的初步分離。分離的氣泡快速上升進(jìn)入集氣室，油、水則進(jìn)入量油倉，量油倉設(shè)有旋流槽，油水混合液在重力旋流的作用下快速分離，油停留在量油倉，水進(jìn)入水倉。

圖3 含水分析儀陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the array structure of water analyzer

1.2 計(jì)量原理

1.2.1 產(chǎn)液量的計(jì)量

產(chǎn)液量主要采用容積法計(jì)量，即計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)量罐的液量。采出液主要由油和水組成，因油和水存在密度差，為了更準(zhǔn)確地計(jì)量出單井的產(chǎn)液量，含水分析儀陣列將計(jì)量罐分為34 個(gè)薄層，利用高頻電磁波發(fā)生器發(fā)射電磁波信號(hào)，信號(hào)遇到水后衰減，通過衰減率計(jì)量單層中油和水的體積。最終分別將油、水體積乘以相應(yīng)的密度得出油、水的質(zhì)量，再除以進(jìn)液時(shí)間，計(jì)算出單井產(chǎn)液量。具體計(jì)算公式為

式中：Vl為采出液體積，m3；Vo為采出液中油相體積，m3；Vw為采出液中水相體積，m3；ρo為油的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；Si為第i層的橫截面積，m2；hi為第hi層的厚度，m；T為計(jì)量罐的進(jìn)液時(shí)間，s；ml為單井產(chǎn)液量，kg/s。

1.2.2 含水率的計(jì)量

含水率是水的質(zhì)量與采出液質(zhì)量的比值。由于油和采出液的質(zhì)量已在產(chǎn)液量計(jì)量過程中計(jì)算完成，所以含水率的具體計(jì)算公式為

式中：η為含水率；mo為采出液中油的質(zhì)量，kg。

1.2.3 產(chǎn)氣量的計(jì)量

產(chǎn)氣量的計(jì)量主要采用排液法，即單位時(shí)間內(nèi)排出計(jì)量罐的液量，相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)量罐的氣量體積（轉(zhuǎn)換為標(biāo)況下的產(chǎn)氣量）。排液前利用公式計(jì)算出初始的罐內(nèi)液體積Vl1，然后開始進(jìn)氣排液；排液結(jié)束后，再利用公式計(jì)算出排液后的罐內(nèi)液體積Vl2，初始體積減去排液后的體積計(jì)算出進(jìn)罐的工況下氣體體積Vg；根據(jù)單位進(jìn)氣時(shí)間t內(nèi)的進(jìn)氣量，計(jì)算出標(biāo)況下的單井日產(chǎn)氣量。具體計(jì)算公式為

式中：Vl1為排液前初始罐內(nèi)液體積，m3；Vl2為排液結(jié)束罐內(nèi)液體積，m3；Vg為進(jìn)罐的采出液中氣相體積，m3；Qg為單井標(biāo)況日產(chǎn)氣量，m3；86 400為時(shí)間常數(shù)，24×3 600 s；A為溫度校正系數(shù)，把不同溫度下的產(chǎn)氣量校正到標(biāo)況下的產(chǎn)氣量所用的系數(shù)，A=273.15/（工作溫度+273.15）；p為計(jì)量罐排液時(shí)平均分壓，Pa；t為排液時(shí)間，s；ρ為混合液的密度，kg/m3。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性、可靠性、最佳測(cè)量時(shí)間、油井產(chǎn)出液含水率、溫度等參數(shù)對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響，對(duì)不同油井分別進(jìn)行射頻鎖相陣列式量油和玻璃管量油試驗(yàn)，并對(duì)兩種方法的計(jì)量結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定。在開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，為了保證試驗(yàn)裝置計(jì)量的準(zhǔn)確性，在石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行標(biāo)定，確保試驗(yàn)裝置達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)和精度要求。同時(shí)，在標(biāo)定結(jié)束后，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)計(jì)量的理論標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行標(biāo)定，確保試驗(yàn)裝置適應(yīng)不同區(qū)塊原油物性的含水率計(jì)量精度。通過上述工作，為現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置在老區(qū)油田計(jì)量的準(zhǔn)確性及適應(yīng)性，分別在水驅(qū)、聚驅(qū)系統(tǒng)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過對(duì)第六采油廠的地質(zhì)開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，選擇喇北西塊二區(qū)的兩座計(jì)量間（喇2710#計(jì)量間和喇2704#計(jì)量間）開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容要求，首先在喇2710#計(jì)量間開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。因該計(jì)量間屬于水驅(qū)計(jì)量間，單井產(chǎn)液量相對(duì)較高，因此在分析人工計(jì)量與試驗(yàn)裝置計(jì)量誤差的同時(shí)，適時(shí)開展試驗(yàn)裝置產(chǎn)液量上限計(jì)量的準(zhǔn)確性試驗(yàn)。然后在喇2704#計(jì)量間開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該計(jì)量間屬于聚驅(qū)計(jì)量間，產(chǎn)液量較低，且安排在10 月份開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，有利于檢測(cè)溫度對(duì)試驗(yàn)裝置的影響程度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工藝流程如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工藝流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of field test process flow

產(chǎn)液量計(jì)量分析包括試驗(yàn)前單井產(chǎn)液量變化情況分析、人工計(jì)量產(chǎn)液量與試驗(yàn)裝置計(jì)量產(chǎn)液量對(duì)比分析、試驗(yàn)裝置的產(chǎn)液量誤差分析。

含水率計(jì)量分析包括試驗(yàn)前單井含水率變化情況分析、人工計(jì)量含水率與試驗(yàn)裝置計(jì)量含水率對(duì)比分析、試驗(yàn)裝置的含水率誤差分析、人工計(jì)量含水率與試驗(yàn)裝置計(jì)量含水率波動(dòng)情況分析。

產(chǎn)氣量計(jì)量分析包括人工計(jì)量產(chǎn)氣量與試驗(yàn)裝置計(jì)量產(chǎn)氣量對(duì)比分析、試驗(yàn)裝置的產(chǎn)氣量誤差分析。

3 結(jié)果分析

以喇6-26 井為例，該井隸屬于喇2710#計(jì)量間（水驅(qū)），對(duì)其人工計(jì)量產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量、含水率與試驗(yàn)裝置計(jì)量產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量、含水率進(jìn)行對(duì)比分析。共計(jì)計(jì)量生產(chǎn)數(shù)據(jù)13 組，對(duì)試驗(yàn)單組數(shù)據(jù)取平均值后與人工計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出試驗(yàn)裝置計(jì)量數(shù)據(jù)與人工計(jì)量數(shù)據(jù)的誤差。

圖5 試驗(yàn)前喇6-26井產(chǎn)液量變化Fig.5 Liquid production change of La 6-26 Well before the test

由圖5可以看出，該井整體液量較為平穩(wěn)，產(chǎn)液量在205 t/d 左右波動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)喇6-26井共計(jì)計(jì)量產(chǎn)液量13 組，對(duì)單組數(shù)據(jù)取平均值后與人工計(jì)量產(chǎn)液量進(jìn)行對(duì)比分析（圖6）。從圖6可看出，人工計(jì)量值與試驗(yàn)裝置計(jì)量值變化趨勢(shì)較為一致。以人工計(jì)量的產(chǎn)液量為標(biāo)準(zhǔn)值，用試驗(yàn)裝置計(jì)量的產(chǎn)液量與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出試驗(yàn)裝置計(jì)量的產(chǎn)液量與人工計(jì)量產(chǎn)液量的相對(duì)誤差（圖7）。從圖7 可以看出，由試驗(yàn)裝置所計(jì)量的13組產(chǎn)液量數(shù)據(jù)中，誤差在-2.61%～1.51%之間，均滿足誤差 ±10%的指標(biāo)要求。

圖6 喇6-26井產(chǎn)液量對(duì)比Fig.6 Liquid production comparison of La 6-26 Well

圖7 喇6-26井產(chǎn)液量誤差Fig.7 Liquid production error of La 6-26 Well

為了直觀、準(zhǔn)確地分析單井含水率的變化情況，對(duì)該井試驗(yàn)前30 天的含水率情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過調(diào)查井史，該井試驗(yàn)前30 天的含水率變化呈上升趨勢(shì)，階段時(shí)間內(nèi)比較平穩(wěn)。從圖8 可看出，人工計(jì)量值與試驗(yàn)裝置計(jì)量值變化趨勢(shì)較為一致。從圖9可以看出，波動(dòng)誤差均 3%。從圖10可以看出，人工計(jì)量含水率與試驗(yàn)裝置計(jì)量的含水率波動(dòng)較為一致。

圖8 喇6-26井含水率對(duì)比Fig.8 Moisture content comparison of La 6-26 Well

圖9 喇6-26井含水率誤差Fig.9 Moisture content error of La 6-26 Well

圖10 喇6-26井含水率波動(dòng)Fig.10 Moisture content fluctuation of La 6-26 Well

圖11 喇6-26井產(chǎn)氣量對(duì)比Fig.11 Gas production comparison of La 6-26 Well

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)喇6-26 井共計(jì)計(jì)量產(chǎn)氣量10組，對(duì)單組數(shù)據(jù)取平均值后與人工計(jì)量產(chǎn)氣量進(jìn)行對(duì)比分析。從圖11 可看出，人工計(jì)量值與試驗(yàn)裝置計(jì)量值變化趨勢(shì)較為一致。以人工計(jì)量的產(chǎn)氣量為標(biāo)準(zhǔn)值，用試驗(yàn)裝置計(jì)量的產(chǎn)氣量與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出試驗(yàn)裝置計(jì)量的產(chǎn)氣量與人工計(jì)量產(chǎn)氣量的相對(duì)誤差（圖12）。從圖12可以看出，由試驗(yàn)裝置所計(jì)量的9組產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)中，誤差在-1.8%～9.3%之間，均滿足誤差 ±10%的指標(biāo)要求。

圖12 喇6-26井產(chǎn)氣量誤差Fig.12 Gas production error of La 6-26 Well

依次對(duì)喇2710#計(jì)量間11 口單井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將人工計(jì)量與試驗(yàn)裝置計(jì)量的1 031 組產(chǎn)液量、768 組產(chǎn)氣量、787 組含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)裝置計(jì)量的產(chǎn)液量與計(jì)量分離器計(jì)量的產(chǎn)液量進(jìn)行對(duì)比，誤差為-7.76%～9.00%，達(dá)到了油田公司要求的產(chǎn)液量誤差 ±10%的指標(biāo)要求。試驗(yàn)裝置計(jì)量的產(chǎn)氣量與計(jì)量間氣表計(jì)量的產(chǎn)氣量進(jìn)行對(duì)比，誤差率為-8.97%～9.3%，達(dá)到了油田公司要求的產(chǎn)氣量誤差 ±10%的指標(biāo)要求。試驗(yàn)裝置計(jì)量的含水量與人工取樣化驗(yàn)的含水率進(jìn)行對(duì)比，波動(dòng)范圍為-2.8%～2.97%，達(dá)到了油田公司要求的含水率波動(dòng)范圍 ±3%的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

（1）在石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所對(duì)基于射頻鎖相陣列式油井三相計(jì)量裝置進(jìn)行性能測(cè)試標(biāo)定表明，該裝置的計(jì)量準(zhǔn)確性符合計(jì)量規(guī)范要求。

（2）在喇2710#計(jì)量間、喇2704#計(jì)量間開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，共計(jì)計(jì)量28 口油井，將人工計(jì)量產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量及含水率與試驗(yàn)裝置自動(dòng)計(jì)量產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量、含水率進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性。從對(duì)比分析數(shù)據(jù)中可以看出，產(chǎn)液量計(jì)量誤差達(dá)到 ±10%的指標(biāo)要求，含水率波動(dòng)范圍達(dá)到±3%的指標(biāo)要求，產(chǎn)氣量計(jì)量誤差達(dá)到 ±10%的指標(biāo)要求。

射頻鎖相陣列式油井三相計(jì)量裝置的適應(yīng)性和穩(wěn)定性良好，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量間產(chǎn)液量、含水率、產(chǎn)氣量的自動(dòng)計(jì)量，大幅度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了量油效率，為油田計(jì)量向自動(dòng)化、數(shù)字化方向發(fā)展探索了新途徑，為計(jì)量間無人值守奠定了基礎(chǔ)。