抽油機(jī)井口產(chǎn)液連續(xù)計(jì)量技術(shù)

馮業(yè)慶，張勝利，梁新坤，陶 野，付 杰，胡燈明，王鳳儀，孟艷敏

1南方石油勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，海南 ?？?/p>

2華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河北 任丘

3華北油田分公司第一采油廠，河北 任丘

1. 引言

油氣井井口的產(chǎn)出物通常為油氣水三相混合物，這種相態(tài)的產(chǎn)出物計(jì)量一直是一個(gè)行業(yè)難題，通常需要對(duì)混合物進(jìn)行先期分離后，計(jì)量單相的介質(zhì)的量。因此，計(jì)量設(shè)備體積相對(duì)很大，計(jì)量的連續(xù)性也難以保證，隨著油氣田開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，油氣井的產(chǎn)液波動(dòng)愈加頻繁，為了及時(shí)獲得油氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)管理人員對(duì)連續(xù)計(jì)量的需求更加迫切。

調(diào)研國(guó)內(nèi)的計(jì)量方式，主要有分離器、翻斗流量計(jì)、稱重計(jì)量車和氣液流量計(jì)等分離后計(jì)量方式，另外也有部分井口計(jì)量裝置采用密度法不分離計(jì)量，近年來(lái)，示功圖計(jì)量方式也得到了進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。其主要趨勢(shì)為間接計(jì)量和動(dòng)態(tài)計(jì)量方式發(fā)展普及較快，計(jì)量裝置的自動(dòng)化程度和技術(shù)復(fù)雜度逐年提高，準(zhǔn)確度也得到了大幅度提升。

盡管如此，隨著油氣井生產(chǎn)后期動(dòng)態(tài)變化的加劇，現(xiàn)場(chǎng)急需要一種無(wú)需地面站、工程投資低、能滿足連續(xù)實(shí)時(shí)自動(dòng)分相要求的油井計(jì)量技術(shù)作為主要的計(jì)量手段代替目前的計(jì)量方式。同時(shí)，連續(xù)不間斷計(jì)量還可以為油氣井的智能控制提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中工作制度的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2. 三相計(jì)量技術(shù)現(xiàn)狀

由于油氣水三相流混合液井口流態(tài)的不穩(wěn)定性，加上油氣井產(chǎn)出液成分的復(fù)雜性，導(dǎo)致現(xiàn)有的多相流計(jì)量系統(tǒng)都無(wú)法完全適應(yīng)所有混合液組分和流態(tài)下對(duì)多相流的準(zhǔn)確計(jì)量[1]。

1) 計(jì)量結(jié)果精度差，當(dāng)混合液氣液比 ≥ 60%時(shí)，液相計(jì)量絕對(duì)誤差為 ＜ 20%，氣相計(jì)量絕對(duì)誤差 ＜30%，含水率絕對(duì)誤差 ＜ 20%；

2) 標(biāo)定復(fù)雜，多數(shù)不分離多相流計(jì)量裝置在使用前要獲得如流體的介電常數(shù)等參數(shù)，如果混合液介質(zhì)的特性發(fā)生了變化就要重新對(duì)多相流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，而這種流體的特性在井口混合液計(jì)量中很容易發(fā)生變化，且標(biāo)定系數(shù)并不通用，需要定期一井一標(biāo)[2]；

3) 三相流量計(jì)使用范圍受限，每種多相流量計(jì)的應(yīng)用區(qū)域相對(duì)較窄，高含水油井和含液天然氣井需要使用測(cè)量范圍不同的多相流測(cè)量裝置；

4) 設(shè)備投資高，多相流計(jì)量算法及設(shè)備多采用互相關(guān)法、混合測(cè)量法、核磁共振法等，多應(yīng)用前沿高新技術(shù)，導(dǎo)致計(jì)量設(shè)備加工成本高，難以批量生產(chǎn)。

資料調(diào)研表明：油氣井產(chǎn)出液不分離計(jì)量多采用質(zhì)量流量計(jì)和多相流流量計(jì)[3]。多相流量計(jì)的計(jì)量原理是利用混合液在管道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的與流動(dòng)有關(guān)的隨機(jī)特征值，通過(guò)計(jì)量修正算法獲得計(jì)量對(duì)象的流速與流量值。多相流測(cè)量設(shè)備通過(guò)超聲波、電導(dǎo)、光纖、溫度等儀表測(cè)量值，結(jié)合后期的參數(shù)分析可獲得含水率數(shù)據(jù)。不分離計(jì)量流量計(jì)壓損小、不干擾流體流動(dòng)狀態(tài)，非常適應(yīng)油氣井井口分相產(chǎn)量的測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于可以連續(xù)計(jì)量多相流量和含水率的儀器儀表有迫切的實(shí)際需求[4]。

3. 智能化油田生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)計(jì)量技術(shù)的需求

智能化油田建設(shè)的原則是智能感知、動(dòng)態(tài)決策、實(shí)時(shí)反饋，更傾向于應(yīng)用智能系統(tǒng)代替人工解決現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量管理問(wèn)題，因此，智能化油田建設(shè)對(duì)于單井井口計(jì)量的實(shí)時(shí)性和趨勢(shì)變化更加注重[5]。另外，井口多相流連續(xù)計(jì)量與單井智能控制系統(tǒng)的結(jié)合會(huì)更加緊密，通過(guò)實(shí)時(shí)獲得井口產(chǎn)量的變化情況，反饋給智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)調(diào)參，使舉升系統(tǒng)與油井的產(chǎn)層供液能力協(xié)調(diào)一致；當(dāng)然，最好的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)井口產(chǎn)出液的實(shí)時(shí)分相計(jì)量，區(qū)塊智能控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)單井分相計(jì)量數(shù)據(jù)的AI 模型實(shí)時(shí)計(jì)算，還可以替代地質(zhì)人員進(jìn)行油水井組的動(dòng)態(tài)分析，從而實(shí)現(xiàn)井組或區(qū)塊的智能控制與供采平衡調(diào)整方案，大幅度減少現(xiàn)場(chǎng)管理人員的工作量[6]。

因此，智能化油田生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)單井計(jì)量的需求可以概括為：實(shí)時(shí)、連續(xù)、分相計(jì)量系統(tǒng)，且該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低成本單井配套，其采集結(jié)果可完全嵌入現(xiàn)有A11 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4. 抽油機(jī)單井連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)油田隨著地面流程的簡(jiǎn)化，地面集輸多采用油井串聯(lián)流程，單井產(chǎn)液量井口無(wú)計(jì)量設(shè)備，大部分油田推廣應(yīng)用功圖法計(jì)量技術(shù)進(jìn)行抽油機(jī)井的單井計(jì)量，該項(xiàng)技術(shù)目前針對(duì)產(chǎn)液量高于一定范圍正常功圖的計(jì)算結(jié)果計(jì)量準(zhǔn)確性較高，對(duì)于低產(chǎn)液量和特殊工況示功圖計(jì)算產(chǎn)量與真實(shí)產(chǎn)量誤差較大，計(jì)量結(jié)果還受到傳感器信號(hào)漂移、數(shù)據(jù)傳輸丟點(diǎn)等影響，不能保證低產(chǎn)、漏失、稠油及特殊工況井口計(jì)量精度的需要。

因此，結(jié)合前述的需求分析，本文擬通過(guò)抽油機(jī)井口的液體流動(dòng)傳感器結(jié)合軟件計(jì)算的方式，獲得井口產(chǎn)液量的連續(xù)計(jì)量曲線和累計(jì)計(jì)量值，為抽油機(jī)井口計(jì)量提供一種體積小，方便實(shí)用的井口計(jì)量方式。其主要內(nèi)容為：抽油機(jī)井井口單流閥開(kāi)關(guān)的時(shí)間記錄及氣體標(biāo)定方法和井口產(chǎn)液量的計(jì)算方法，以及這種軟硬件結(jié)合的抽油機(jī)井井口產(chǎn)液量的計(jì)量裝置組合設(shè)計(jì)方案。

本設(shè)計(jì)所采用的技術(shù)方案是：通過(guò)安裝在抽油機(jī)井口的單流閥開(kāi)啟時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，發(fā)送一個(gè)電信號(hào)給產(chǎn)量計(jì)算單片機(jī)程序，記錄井口三相流體開(kāi)始流動(dòng)和停止流動(dòng)的時(shí)間值，計(jì)量軟件通過(guò)安裝在管柱底部抽油泵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)抽油機(jī)井口產(chǎn)出液量進(jìn)行計(jì)算，從而獲得抽油機(jī)井井口的真實(shí)產(chǎn)液量變化數(shù)據(jù)。計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。

Figure 1. Structure diagram of wellhead metering system圖1. 井口計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

抽油機(jī)井口產(chǎn)液量流動(dòng)開(kāi)關(guān)由單流閥和開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)量模塊以及遠(yuǎn)程通訊模塊組成，由于井下抽油泵是循環(huán)脈動(dòng)工作模式，同時(shí)井口產(chǎn)出液需要高于系統(tǒng)干壓才能排出，所以單井的井口每沖程產(chǎn)液量和單流閥的開(kāi)閉時(shí)間是正相關(guān)關(guān)系。然后只需要標(biāo)定不同含水率和含氣量的產(chǎn)出液在不同壓力下的體積系數(shù)就可以準(zhǔn)確計(jì)量井口的產(chǎn)液量。

井口產(chǎn)液量計(jì)算工作原理：抽油泵正常工作情況下，只有上行程給泵上管柱內(nèi)的混合液增壓排液，柱塞下行程是泵筒內(nèi)下部液體被增壓通過(guò)游動(dòng)凡爾進(jìn)入柱塞上部泵筒的過(guò)程，因此，井口單流閥只在柱塞上行程開(kāi)啟排液，其排液時(shí)間可被流動(dòng)傳感器記錄，同時(shí)，因泵筒內(nèi)液體不可壓縮，其排量跟井下泵柱塞的截面積和運(yùn)行速度相關(guān)，因此，通過(guò)采集上述參數(shù)即可計(jì)算獲得井口產(chǎn)出液量。

井口產(chǎn)量的計(jì)算公式：

其中：Q——日產(chǎn)液量(m3)；

S——沖程(m)；

N——沖次(次/分鐘)；

d——泵徑(m)；

η——泵排液系數(shù)(%)。

測(cè)試單流閥的開(kāi)啟時(shí)間數(shù)據(jù)，通過(guò)位移傳感器獲得上沖程的工作時(shí)間，即可確定與井口產(chǎn)出液相關(guān)聯(lián)的泵排液系數(shù)。

體積計(jì)量最大的干擾因素是氣體，由于氣體在不同的壓力條件下體積變化量非常大，所以計(jì)量系統(tǒng)需要在單流閥兩端安裝高精度壓力傳感器記錄通過(guò)單流閥的含氣混合液的壓力變化，在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)調(diào)整不同的氣體含量制作梯度壓力條件下的含氣混合液體積修正系數(shù)表(表1)，計(jì)量軟件根據(jù)氣體體積修正系數(shù)表用插值法準(zhǔn)確計(jì)算含氣混合液的體積計(jì)量值。

Table 1. Correction table for gas-containing volume coefficient of metering device表1. 計(jì)量裝置含氣體積系數(shù)修正表

現(xiàn)有采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)井口產(chǎn)液量的不間斷連續(xù)計(jì)量、存儲(chǔ)，還可以根據(jù)用戶需要繪制日曲線以及周曲線、月曲線等，并計(jì)算累積產(chǎn)液量數(shù)據(jù)。

計(jì)量裝置可選配數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊，實(shí)時(shí)傳輸計(jì)量結(jié)果到上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和展示，方便其他技術(shù)及生產(chǎn)管理部門及時(shí)了解油井的產(chǎn)液變化情況。

控制面板人機(jī)交互界面的顯示設(shè)計(jì)采用10 組帶刻度玻璃管的設(shè)計(jì)形式，可以直觀的顯示每一沖程的井口產(chǎn)液量變化情況，使技術(shù)人員可以隨時(shí)觀察井口產(chǎn)液量的變化結(jié)果。

實(shí)時(shí)獲得的井口產(chǎn)液量可以作為單井智能控制的反饋參數(shù)，支持控制系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)節(jié)油井的工作制度，實(shí)現(xiàn)供采協(xié)調(diào)的理想工作模式，進(jìn)一步提高油井的工作效率和壽命。

5. 抽油機(jī)單井連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)的試驗(yàn)應(yīng)用

2020 年該計(jì)量系統(tǒng)在吉林油田進(jìn)行了對(duì)比應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)井原計(jì)量方式為翻斗計(jì)量方式，與井口實(shí)時(shí)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行同步計(jì)量對(duì)比，相同的時(shí)間內(nèi)對(duì)比誤差分別為2.97%和0.92%。當(dāng)然由于翻斗計(jì)量液量存在±1%左右的計(jì)量誤差，不排除該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存此誤差的影響，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

Table 2. Synchronous comparison of liquid production data between tipping bucket metering and wellhead continuous metering表2. 翻斗計(jì)量與井口連續(xù)計(jì)量產(chǎn)液量數(shù)據(jù)同步對(duì)比

6. 結(jié)論

1) 本文通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)需求，明確了井口三相流連續(xù)計(jì)量是技術(shù)發(fā)展的主要方向，并分析評(píng)價(jià)了現(xiàn)有三相流計(jì)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

2) 結(jié)合抽油機(jī)井智能控制的需求，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了適用于智能調(diào)參的井口三相流連續(xù)計(jì)量技術(shù)方案，使用簡(jiǎn)單傳感器結(jié)合室內(nèi)標(biāo)定圖版及產(chǎn)量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了井口三相流的連續(xù)實(shí)時(shí)計(jì)量。

3) 隨著井口三相流連續(xù)計(jì)量技術(shù)的不斷完善，該項(xiàng)技術(shù)可以從趨勢(shì)計(jì)量逐步向精確計(jì)量方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)井口三相流連續(xù)計(jì)量的低成本普及應(yīng)用。