杜懷棟 王宏偉 李高峰

(勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營 257000)

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管式油井氣液兩相流量計(jì)的研制與應(yīng)用

杜懷棟 王宏偉 李高峰

(勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營 257000)

通過分析勝利油田現(xiàn)有單井計(jì)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，基于傳統(tǒng)立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置測(cè)量原理，設(shè)計(jì)研制了一種價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、可直接安裝在油井井口的管式油井氣液兩相流量計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該流量計(jì)適用于低產(chǎn)、波動(dòng)、間歇、低氣液比、稠油等各種類型的油井，液相計(jì)量誤差小于±3%，氣相計(jì)量誤差小于±5%，造價(jià)低于2萬元。該流量計(jì)計(jì)量性能優(yōu)良，在油田開發(fā)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

油井 流量計(jì) 液位計(jì) 傳感器 計(jì)量技術(shù) 監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

為解決油井氣、液計(jì)量問題，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼研制了多種三相流量計(jì)[1-2]，如西安交大研制的文丘里管式三相流量計(jì)。但這些三相流量計(jì)，均存在適應(yīng)性差等缺陷。示功圖油井遠(yuǎn)程計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)游梁式抽油機(jī)油井產(chǎn)液量的計(jì)量，但該系統(tǒng)受電機(jī)功率因數(shù)等不確定因素的影響，存在誤差大等計(jì)量缺陷，且無法解決電潛泵、螺桿泵油井的液量和氣量計(jì)量問題。

通過對(duì)各計(jì)量方式的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和對(duì)比測(cè)試，認(rèn)為計(jì)量油井氣、液較有效的方法是通過立式分離器玻璃罐液位計(jì)進(jìn)行計(jì)量。因此，深入分析研究立式分離器玻璃管液位計(jì)的工作原理，研發(fā)穩(wěn)定可靠、價(jià)格低廉、能直接安裝在井口的氣液流量計(jì)，對(duì)油田的開發(fā)和數(shù)字化建設(shè)具有重要意義[3]。

1 立式分離器玻璃管液位計(jì)的工作原理

立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置已成功應(yīng)用于油田50余年。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，90%以上的油井計(jì)量站仍沿用立式分離器玻璃管液位計(jì)完成油井的量液和測(cè)氣工序。

立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置的工作原理是：井排來液，然后來液通過計(jì)量間的閥組進(jìn)入分離器?；旌狭黧w在分離傘的作用下，液體中的氣體被分離出來，此時(shí)若打開閥門F1，分離器中的液位會(huì)不斷上升，分離器底部水包中的水在液體的作用下，使玻璃管內(nèi)水的液位上升，讀取玻璃管液位從刻度1到刻度2的時(shí)間t1。當(dāng)玻璃管液位上升到刻度2時(shí)，關(guān)閉閥門F1，油井來液中的氣體在分離器上部聚集，致使分離器的液位不斷下降；同樣地，玻璃管內(nèi)的液位也會(huì)隨之下降，讀取玻璃管液位計(jì)從刻度2到刻度1的時(shí)間t2。利用相關(guān)計(jì)算公式，即可得到油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量，實(shí)現(xiàn)油井的氣液兩相計(jì)量[4]。

根據(jù)流體虹吸原理，分離器液體產(chǎn)生的壓力等于玻璃管水柱的壓力[5]，則：

ρ油h油=ρ水h水

(1)

油井在t1時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出的液體質(zhì)量為：

M=ρ油V=ρ油πr2h油=πr2ρ水h水

(2)

因此，油井每天的產(chǎn)液量為:

(3)

式中：k為分離器的罐常數(shù)；ρ水為玻璃管內(nèi)水的密度，一般情況下，4 ℃時(shí)水的密度為1 kg/cm3;h水為玻璃管液位從刻度1到刻度2所變化的高度。

同樣可得，油井在t2時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出的伴生氣體積為：

V=πr2h油≈απr2h水

(4)

因此油井每天的產(chǎn)氣量為：

Q氣=86 400αkP1h水/t2

(5)

式中：P1為分離器內(nèi)的工作壓力；α為含水率修正系數(shù)。當(dāng)含水率為90%時(shí)，α約為0.99；當(dāng)含水率為80%時(shí),α約為0.98，依次類推。

從式(3)和式(5)可以得出，只要讀取玻璃管液位上升(下降)高度和時(shí)間，即可測(cè)量出油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量。

立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置通常使用的立式分離器直徑為800mm，高為2 000mm。分離器內(nèi)部用作計(jì)量的容積腔可以看作是一定直徑的圓筒，從結(jié)構(gòu)上看，分離器內(nèi)部在測(cè)量過程中無任何可傳動(dòng)部件，與質(zhì)量流量計(jì)或刮板流量計(jì)相比，其計(jì)量性能不受油井流體中雜質(zhì)的影響。另外，盡管分離器存在結(jié)蠟和結(jié)垢現(xiàn)象，可能使計(jì)量段容積變小，但在一段時(shí)間內(nèi)計(jì)量段容積變化量較小，因此立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置的計(jì)量穩(wěn)定性高、故障率低，無需經(jīng)常進(jìn)行周期校準(zhǔn)。玻璃管液位計(jì)作為計(jì)量裝置的顯示部件，其工作穩(wěn)定可靠、故障率極低。

立式分離器玻璃管液位計(jì)憑借其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，在油田油井計(jì)量中始終處于經(jīng)久不衰的地位。大慶、勝利、遼河、克拉瑪依、中原等各大油田目前仍使用立式分離器作為油井計(jì)量的主要裝置。

但立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置存在低伴生氣油井量液測(cè)氣困難、間歇波動(dòng)油井計(jì)量誤差較大的技術(shù)缺陷，同時(shí)該計(jì)量方法需要人工操作，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)量。另外，立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置屬于壓力容器，不適合安裝在油井現(xiàn)場(chǎng)，且單套造價(jià)在十萬元左右，因此在每口油井安裝一套立式分離器玻璃管液位計(jì)并不現(xiàn)實(shí)。

2 管式油井氣液兩相流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理

針對(duì)立式分離器玻璃管液位計(jì)在生產(chǎn)使用中存在的不足，勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心在立式分離器玻璃管液位計(jì)工作原理的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了不受油井產(chǎn)能波動(dòng)、能夠連續(xù)計(jì)量的管式油井氣液兩相流量計(jì)。經(jīng)過近兩年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其計(jì)量準(zhǔn)確性、工作穩(wěn)定性均達(dá)到了油田的生產(chǎn)要求，以良好的計(jì)量性能得到了采油廠的認(rèn)可。

2.1 管式油井氣液兩相流量計(jì)工作原理

所謂“管式”是指流量計(jì)的主體測(cè)量部件是普通管段，本次設(shè)計(jì)的管式油井氣液兩相流量計(jì)選用了DN159普通輸油管。管式油井氣液兩相流量計(jì)的測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 測(cè)量原理圖

油井井口來液(含氣)進(jìn)入管式氣液兩相流量計(jì)，當(dāng)三通閥F1處于左通右關(guān)、F2處于左關(guān)右開的狀態(tài)時(shí)，井口來液首先導(dǎo)入測(cè)量管A，隨著油井產(chǎn)出的液體不斷流進(jìn)測(cè)量管A，測(cè)量管A中的液位會(huì)不斷上升，分離出的氣體從測(cè)量管A的上部進(jìn)入測(cè)量管B，促使測(cè)量管B中的液體排出。當(dāng)測(cè)量管A中液體質(zhì)量達(dá)到設(shè)定質(zhì)量時(shí)，三通閥F1、F2同時(shí)換向，井口來液則導(dǎo)入測(cè)量管B，隨著測(cè)量管B中液位的不斷上升，分離出的氣體從測(cè)量管B的上部進(jìn)入測(cè)量管A，促使測(cè)量管A中的液體排出，完成一個(gè)循環(huán)。

在測(cè)量管A和測(cè)量管B分別安裝差壓傳感器，若A中液柱上升，則P0與P1增大、P2與P3減小；若B中液柱上升，則P0與P1減小、P2與P3增大。通過測(cè)量管段的差壓，計(jì)算出油井的液體流量和氣體流量。

根據(jù)液柱壓強(qiáng)的定義：

ΔP1=P0-P1=ρAghA

(6)

而液柱的質(zhì)量為：

M=ρAV=ρAπr2hA=πr2ΔP1/g

(7)

則油井產(chǎn)出的液體流量為：

(8)

在測(cè)量管A液位上升和分離出的氣體的雙重作用下，測(cè)量管B液位下降。油井產(chǎn)出的氣體流量推導(dǎo)如下[6]。

依據(jù)液柱壓強(qiáng)的定義：

ΔP2=P2-P3=ρBghB

(9)

B管內(nèi)液柱的高度為：

hB=ΔP2/ρBg

(10)

在t′時(shí)間內(nèi),B中的液柱從最高下降到0,下降的高度[7]為：

h-hB=hA+h氣

(11)

h氣=h-hA-hB=h-(ΔP1+ΔP2)/ρg

(12)

式中：h為設(shè)定值。

為計(jì)算方便,對(duì)油井氣體計(jì)量的準(zhǔn)確度要求不高。一般認(rèn)為，A、B管的液體密度基本一致，可根據(jù)油井的含水率設(shè)定該值。

油井產(chǎn)氣流量為[7]：

(13)

從式(8)和式(13)可以看出，油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量只與A、B管液柱差壓有關(guān)，只要準(zhǔn)確測(cè)量管段液位的差壓，就可以得到油井的液體流量和氣體流量。

2.2 管式油井氣液兩相流量計(jì)的加工制造

綜合考慮油井的產(chǎn)液量、流量計(jì)的準(zhǔn)確度(計(jì)量誤差)和電動(dòng)三通閥的換向頻次，可計(jì)算出A、B管段的設(shè)計(jì)高度和差壓傳感器兩個(gè)引壓點(diǎn)的位置。

勝利油田分為抽油機(jī)油井、電潛泵油井、螺桿泵油井，一般抽油機(jī)油井的產(chǎn)液量在100 t/d以下，電潛泵和螺桿泵油井的產(chǎn)液量則高達(dá)400 t/d。對(duì)于中低產(chǎn)油井，選用的油井氣液兩相流量計(jì)是雙管；對(duì)于高產(chǎn)油井，考慮到電動(dòng)三通閥換向過于頻繁且對(duì)于計(jì)量準(zhǔn)確度有一定要求，因此選擇通過增加管段的方法延長換向時(shí)間，選用的油井氣液兩相流量計(jì)是四管的。四管的油井氣液兩相流量計(jì)，每兩個(gè)測(cè)量管段為一組。為確保液位基本平衡一致，同組中的兩管之間加裝了連通管。

2.3 管式油井氣液兩相流量計(jì)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

管式油井氣液兩相流量計(jì)主要通過控制兩個(gè)電動(dòng)三通閥，實(shí)現(xiàn)A、B兩測(cè)量管段交替進(jìn)液和排液的過程。通過采集管段上下兩點(diǎn)的差壓，計(jì)算油井的液相流量和氣相流量。流量計(jì)顯示器不僅動(dòng)態(tài)顯示液相瞬時(shí)流量和累積流量，同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示氣相瞬時(shí)流量和累積流量。

管式油井氣液兩相流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[8-10]。

圖2 流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)的管式油井氣液兩相流量計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)具有如下功能：

①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口溫度、壓力等參數(shù)；

②準(zhǔn)確計(jì)量氣-液兩相瞬時(shí)流量、累計(jì)流量；

③設(shè)備故障自診斷報(bào)警；

④歷史數(shù)據(jù)曲線成圖及存儲(chǔ)輸出；

⑤計(jì)量數(shù)據(jù)無線傳輸；

⑥生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)報(bào)警。

管式油井氣液兩相流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如下：含氣率為0～100%；液體測(cè)量量程為0～500 t；氣量誤差不大于±5.0%，液量計(jì)量誤差不大于±3.0%；公稱壓力分為1.6 MPa 、2.5 MPa、 4.0 MPa 、6.4 MPa；信號(hào)可通過GPRS遠(yuǎn)距離傳輸。

3 管式油井氣液兩相流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

管式油井氣液兩相流量計(jì)樣機(jī)經(jīng)過不斷完善和改進(jìn)，克服了礦化水腐蝕、結(jié)垢和原油凝蠟等現(xiàn)場(chǎng)因素的影響，具備了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的能力。管式油井氣液兩相流量計(jì)經(jīng)過在不同油井(產(chǎn)液量、氣液比、稠油稀油)一年多的使用，其計(jì)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和故障率均得到了充分驗(yàn)證。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件

勝利油田30 000多口油井的工況相差很大，有含水率10%左右的低含水油井，有含水率98%的高含水油井，有高產(chǎn)油井、低產(chǎn)油井，有超稠油井(原油黏度大于10 000 mPa·s)，有氣液比為10：1的油井。

目前，油田地面工藝流程大部分采用計(jì)量站為中心、多口油井匯集到計(jì)量站的模式(偏遠(yuǎn)油井采取單井高架罐或多功能罐的工藝流程模式)，利用立式分離器玻璃管液位計(jì)，通過人工操作完成每口油井的氣液計(jì)量，再輸送到接轉(zhuǎn)站和聯(lián)合站。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝

將管式油井氣液流量計(jì)直接安裝在油井井口，油井采出液(含氣)從井口流出，經(jīng)過管式流量計(jì)進(jìn)入計(jì)量站。因此，立式分離器玻璃管液位計(jì)和管式流量計(jì)形成了封閉的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以通過比對(duì)，評(píng)價(jià)管式油井氣液兩相流量計(jì)的準(zhǔn)確性。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

將立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，通過比對(duì)管式油井氣液兩相流量計(jì)與其之間的差值，來評(píng)定管式油井氣液兩相流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。

(14)

表1、表2列出了T61-X708 、T61-X202這兩口井的產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的誤差分布如圖3所示。

表1 產(chǎn)液量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

表2 產(chǎn)氣量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖3 油井產(chǎn)液/產(chǎn)氣量誤差曲線

3.4 結(jié)果分析

通過油井T61-X708 、T61-X202對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，液量試驗(yàn)誤差最大為2.67%，氣量試驗(yàn)相對(duì)誤差絕對(duì)值最大為-3.21%。

對(duì)其他6口油井同樣進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試(由于數(shù)據(jù)較多未一一列出)。在所有測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)中，有98.2%的測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)液量相對(duì)誤差在±3%以內(nèi)、氣量試驗(yàn)相對(duì)誤差均在±5%以內(nèi)，說明管式油井氣液兩相流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)到了液相計(jì)量誤差小于±3%、氣相計(jì)量誤差小于±5%的水平。

4 結(jié)束語

管式油井氣液兩相流量計(jì)具有計(jì)量準(zhǔn)確可靠、適用性強(qiáng)、安裝方便、價(jià)格低廉(單臺(tái)造價(jià)2萬元)的優(yōu)點(diǎn)。該管式油井氣液兩相流量計(jì)自應(yīng)用到油田生產(chǎn)以來，故障率小于1.5次/年，良好的性能得到了廣大用戶的普遍好評(píng)。

該流量計(jì)很好地解決了油田油井氣液自動(dòng)化計(jì)量的難題，對(duì)促進(jìn)油田的開發(fā)和數(shù)字化建設(shè)具有十分重要的意義，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Development and Application of the Tubular Gas-liquid Two-phase Flowmeter Used in Oil Wells

By analyzing the advantages and disadvantages of existing single-well metering technology in Shengli Oilfield，and on the basis of the measuring principle of traditional oil well metering device using vertical separator glass tube level gauge,a kind of flowmeter called tubular gas-liquid two-phase flowmeter used in oil wells which is inexpensive,reliable,and can be installed directly in the wellhead is designed.The field test shows that this flowmeter can be adapted to various types of oil wells,such as low yield,fluctuated,intermittent,low gas-liquid ratio,thick oil and etc.,the liquid phase measurement error is less than ±3%,gas phase measurement error is less than ±5%,and the cost is less than 20 000 yuan.The flowmeter has excellent measurability,and it has very broad application prospects in the development of oilfields.

Oil well Flowmeter Liquidometer Sensor Metering technology Monitoring system

杜懷棟(1964—)，男，1987年畢業(yè)于華東石油學(xué)院測(cè)井專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事油田計(jì)量與防腐技術(shù)方向的研究。

TH814;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611022

修改稿收到日期：2016-04-18。