關(guān)于質(zhì)量流量計(jì)測量誤差的分析與改進(jìn)對策

仝家林，姜春起，張鳴翔，鄭天為，劉自江

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

1 測試分離器在運(yùn)行中遇到的實(shí)際問題

某平臺(tái)為油井試采平臺(tái)，“測試分離器”是測量單井產(chǎn)量的主要設(shè)備，其原油流量測量的準(zhǔn)確性對于評價(jià)油井產(chǎn)量極其重要。質(zhì)量流量計(jì)安裝在測試分離器液相出口處，是測量油井產(chǎn)量的重要儀表[1]。

平臺(tái)投產(chǎn)前，由于無法真實(shí)模擬現(xiàn)場原油生產(chǎn)的復(fù)雜介質(zhì)工況，所以建造期間僅對測試分離器質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行了“水聯(lián)運(yùn)”試運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)測試分離器質(zhì)量流量計(jì)偏差過大的問題(在“水聯(lián)運(yùn)”中由于運(yùn)行的介質(zhì)是水，密度及黏度與實(shí)際生產(chǎn)中的原油介質(zhì)區(qū)別很大)。在實(shí)際生產(chǎn)期間，發(fā)現(xiàn)測試分離器液相質(zhì)量流量計(jì)及線油水分析儀在實(shí)際運(yùn)行中均會(huì)產(chǎn)生較大的測量偏差，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不符。測試分離器計(jì)量的流量值與量艙產(chǎn)生的實(shí)際值偏差＞30%以上，嚴(yán)重影響試采數(shù)據(jù)的采集。

在對埕海1-1油田1#井的實(shí)際測量中，通過與2019年10月6日—10月20日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，流量計(jì)測量值與儲(chǔ)存原油的量艙產(chǎn)量偏差相差30%以上，具體數(shù)值見圖1。

圖1 單井產(chǎn)量測量對比圖 Fig.1 Comparison of single well production measurement

為保障某平臺(tái)完成試采、生產(chǎn)作業(yè)的數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確，針對測試分離器質(zhì)量流量計(jì)FIT-1301A存在的問題，儀表專業(yè)小組決定對質(zhì)量流量計(jì)存在的測量偏差展開研究。

2 測試分離器及質(zhì)量流量計(jì)工作原理

2.1 測試分離器原理介紹

某平臺(tái)生產(chǎn)流程中，通過“測試分離器”來完成測量單井產(chǎn)量的功能，其工作原理是通過測量“測試分離器”氣相出口和液相出口的兩相流量后進(jìn)行累加計(jì)算，取得油井產(chǎn)量的總體數(shù)據(jù)。

柱狀旋流式氣-液分離器(GLCC)是一種小型高效分離器，依靠旋流、聚結(jié)和多相流體動(dòng)力進(jìn)行氣液分離[2]。由于其體積小(相同處理量體積僅為傳統(tǒng)分離器的1/10)、重量輕、適用范圍廣，因此，在一些惡劣和極端的環(huán)境下，如沙漠、海洋等，GLCC就成為了氣液分離首選的技術(shù)裝備。

分離器原理如圖2，進(jìn)口由傾角向下的管道沿切線方向與鉛垂管道相接，多相流經(jīng)預(yù)分離后進(jìn)入主分離器。由于旋流作用在主分離器中離心力、重力和浮力形成一個(gè)倒圓錐型渦流面，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。同時(shí)，在分離器的氣相與液相出口均設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)，分別測量氣相與液相的介質(zhì) 流量。

圖2 測試分離器原理圖 Fig.2 Schematic diagram of test separator

2.2 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)原理介紹

流體在旋轉(zhuǎn)的管內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)對管壁產(chǎn)生一個(gè)力，這一現(xiàn)象是科里奧利在1832年研究輪機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，簡稱科氏力。1977年，美國高準(zhǔn)(Micro Motion)公司的創(chuàng)始人根據(jù)此原理發(fā)明了世界上第一臺(tái)可以實(shí)際使用的質(zhì)量流量計(jì)，工作原理如圖3。質(zhì)量流量計(jì)以科氏力為基礎(chǔ)，在傳感器內(nèi)部有2根平行的流量管，中部裝有驅(qū)動(dòng)線圈，兩端裝有檢測線圈，變送器提供的激勵(lì)電壓加到驅(qū)動(dòng)線圈上時(shí)，振動(dòng)管做往復(fù)周期振動(dòng)，工業(yè)過程的流體介質(zhì)流經(jīng)傳感器的振動(dòng)管，就會(huì)在振管上產(chǎn)生科氏力效應(yīng)，使2根振管扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，安裝在振管兩端的檢測線圈將產(chǎn)生相位不同的2組信號(hào)，這2組信號(hào)的相位差與流經(jīng)傳感器的流體質(zhì)量流量成比例關(guān)系[3]，由計(jì)算機(jī)解算出流經(jīng)振管的質(zhì)量流量。不同介質(zhì)流經(jīng)傳感器時(shí)，振管的主振頻率不同，據(jù)此解算出介質(zhì)密度。安裝在傳感器器振管上的鉑電阻可間接測量介質(zhì)的溫度，理論上可以測量油水等復(fù)雜混合介質(zhì)的總體流量。

圖3 質(zhì)量流量計(jì)原理圖 Fig.3 Schematic diagram of mass flow meter

3 質(zhì)量流量計(jì)出現(xiàn)誤差的原因分析

針對測量精度無法保證，且測量值波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄的問題，初步懷疑質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)有臟堵或傳感器管內(nèi)有異物，但現(xiàn)場實(shí)際對質(zhì)量 流量計(jì)拆解后，流量管內(nèi)未發(fā)現(xiàn)臟堵現(xiàn)象，如圖4 所示。

圖4 質(zhì)量流量計(jì)拆解，檢查流量管內(nèi)臟堵 Fig.4 Disassembly of mass flow meter and inspection of internal blockage of flow pipe

為驗(yàn)證質(zhì)量流量計(jì)的準(zhǔn)確性，在停產(chǎn)期間又將流量計(jì)返回陸地專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行較驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明流量計(jì)本身的測量誤差為0.5%以下，滿足現(xiàn)場使用要求。同時(shí)，根據(jù)手操器與質(zhì)量流量計(jì)連接發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)超限故障報(bào)警，經(jīng)過實(shí)際原油取樣化驗(yàn)進(jìn)行密度比對，取樣值0.820g/cm3，質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)密度參數(shù)設(shè)定值為0.935g/cm3，相差0.115g/cm3，如圖5所示。

圖5 流量計(jì)內(nèi)部參數(shù)設(shè)定，密度參數(shù)存在偏差 Fig.5 Deviation of internal parameter setting and density parameter of flow meter

為了進(jìn)一步確定有無直管段是否影響測試分離器質(zhì)量流量計(jì)測量偏差[4]。對測試分離器質(zhì)量流量彎管段進(jìn)行了受力分析，根據(jù)離心力公式(其中，F(xiàn)為離心力，M為管線內(nèi)流動(dòng)液體質(zhì)量)如下：

取管線截面積×管線直徑的體積質(zhì)量計(jì)算約得265.41g，彎管圓弧半徑r約200mm，如圖6所示，ω為角速度，根據(jù)10m3/h流量計(jì)算得出線速度V約為0.61m/s，ω＝V/r＝0.61/0.2＝3.05rad/s，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：

圖6 現(xiàn)場實(shí)際彎管及其尺寸 Fig.6 Actual bends on site and their dimensions

通過計(jì)算得知，流經(jīng)彎管后的流體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)約0.4938N的力作用在管壁上。當(dāng)沒有直管段消除離心力作用時(shí)將對油水混合流體產(chǎn)生分離作用，使進(jìn)入2根振動(dòng)管內(nèi)的介質(zhì)密度不均衡；同時(shí)，由于彎管段與流量計(jì)傳感器部分連接過短，此力也會(huì)作用到質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)部，導(dǎo)致對流量測量造成嚴(yán)重影響。根據(jù)科氏力原理可知，流體只要在旋轉(zhuǎn)管內(nèi)流動(dòng)，就會(huì)對管壁產(chǎn)生一個(gè)作用力，90°的彎頭也相當(dāng)于一段旋轉(zhuǎn)管，故必定會(huì)產(chǎn)生作用力，導(dǎo)致流量計(jì)驅(qū)動(dòng)超限報(bào)警[5]，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場質(zhì)量流量計(jì)驅(qū)動(dòng)超限報(bào)警 Fig.7 Field mass flow meter drive overrun alarm

4 使用質(zhì)量管理工具進(jìn)行誤差修正

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析出的結(jié)果和生產(chǎn)狀況實(shí)際需求，儀表維修人員針對此問題對質(zhì)量流量計(jì)“驅(qū)動(dòng)增益過大”這個(gè)癥結(jié)分別就“人機(jī)料法環(huán)”5個(gè)方面進(jìn)行了原因分析，討論結(jié)果歸納整理如圖8所示。

圖8 質(zhì)量流量計(jì)測量偏差過大的原因分析 Fig.8 Cause analysis of excessive measurement deviation of mass flow meter

根據(jù)關(guān)聯(lián)圖分析出以下5項(xiàng)末端因素：

①設(shè)備操作方面，員工對設(shè)備工作原理理解不透徹，測試分離器液位控制過低，導(dǎo)致氣泡進(jìn)入液相管線，巡檢不及時(shí)，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題；②流量計(jì)密度參數(shù)設(shè)定未根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量介質(zhì)密度進(jìn)行修正；③壓力、溫度等超限影響流量計(jì)計(jì)量情況；④介質(zhì)黏度、密度等超出流量計(jì)使用范圍；⑤油水混輸液體介質(zhì)不均衡，彎管段對介質(zhì)密度產(chǎn)生分離效果。

經(jīng)過以上調(diào)查，列出偏差影響因素排列如圖9 所示。

圖9 誤差因素影響占比排列圖 Fig.9 Arrangement chart of influence proportion of error factors

經(jīng)過排列圖可知質(zhì)量流量計(jì)驅(qū)動(dòng)增益過大是影響其計(jì)量偏差的主要因素，密度參數(shù)設(shè)定值存在偏差為次要因素，2項(xiàng)占比為87%。針對以上要因，小組成員召開討論會(huì)，制定出問題解決對策表，如表1所 示。改造前后對比如圖10所示。

表1 問題解決對策表 Tab.1 Problem solving countermeasure table

圖10 改造前后對比圖 Fig.10 Comparison before and after transformation

通過對分離器液位控制的調(diào)整、流量計(jì)內(nèi)部密度參數(shù)的修正、流量計(jì)進(jìn)口彎頭管線的改造后，經(jīng)過實(shí)際對比發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量流量計(jì)測量的準(zhǔn)確性得到明顯改善，與課題目標(biāo)進(jìn)行對比，實(shí)際效果如圖11所示。

圖11 對策實(shí)施前后對比 Fig.11 Comparison before and after implementation of countermeasures

經(jīng)過以上3項(xiàng)改進(jìn)后，計(jì)量偏差由原來的30%以上降低到小于1%，如圖12所示，已基本滿足現(xiàn)場實(shí)際流量測量的需要。

圖12 解決問題前后對比 Fig.12 Comparison before and after problem solving

5 經(jīng)驗(yàn)分享與思考

經(jīng)過實(shí)際現(xiàn)場使用及對本次質(zhì)量流量計(jì)問題進(jìn) 行解決中發(fā)現(xiàn)，測量單一介質(zhì)流體時(shí)，由于密度均勻一致，且在進(jìn)口處無需直管段要求，均能測量準(zhǔn)確。但在測量密度不同、混合輸送的流體中，由于密度、黏度差導(dǎo)致流量計(jì)進(jìn)口彎管對混輸液體產(chǎn)生分離作用；若沒有直管段進(jìn)行緩沖，會(huì)使流經(jīng)2根傳感器振動(dòng)管中的流體密度不均，由此會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的測量誤差；同時(shí)，在測試分離器對于井下來液中伴生氣分離不徹底導(dǎo)致的油相流體中含有氣體現(xiàn)象時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致測量精度下降，當(dāng)2個(gè)誤差相疊加后，會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)輸出較大的測量誤差[6]。

在今后的設(shè)計(jì)建造中，若采用質(zhì)量流量計(jì)作為混合液體測量工具，建議保留5倍以上管道直徑的直管段距離來消除彎管對于混合液體的分離作用，同時(shí)，油相質(zhì)量流量計(jì)盡可能采用垂直安裝的方式，以此來減小氣體誤差的干擾。■