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)出物計量一直是一個行業(yè)難題，通常需要對混合物進(jìn)行先期分離后，計量單相的介質(zhì)的量。因此，計量設(shè)備體積相對很大，計量的連續(xù)性也難以保證，隨著油氣田開發(fā)的推進(jìn)，油氣井的產(chǎn)液波動愈加頻繁，為了及時獲得油氣井的生產(chǎn)動態(tài)，現(xiàn)場管理人員對連續(xù)計量的需求更加迫切。

調(diào)研國內(nèi)的計量方式，主要有分離器、翻斗流量計、稱重計量車和氣液流量計等分離后計量方式，另外也有部分井口計量裝置采用密度法不分離計量，近年來，示功圖計量方式也得到了進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。其主要趨勢為間接計量和動態(tài)計量方式發(fā)展普及較快，計量裝置的自動化程度和技術(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)后期動態(tài)變化的加劇，現(xiàn)場急需要一種無需地面站、工程投資低、能滿足連續(xù)實(shí)時自動分相要求的油井計量技術(shù)作為主要的計量手段代替目前的計量方式。同時，連續(xù)不間斷計量還可以為油氣井的智能控制提供實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中工作制度的動態(tài)調(diào)整。

2. 三相計量技術(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)有的多相流計量系統(tǒng)都無法完全適應(yīng)所有混合液組分和流態(tài)下對多相流的準(zhǔn)確計量[1]。

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

2) 標(biāo)定復(fù)雜，多數(shù)不分離多相流計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多相流量計進(jìn)行標(biāo)定，而這種流體的特性在井口混合液計量中很容易發(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) 三相流量計使用范圍受限，每種多相流量計的應(yīng)用區(qū)域相對較窄，高含水油井和含液天然氣井需要使用測量范圍不同的多相流測量裝置；

4) 設(shè)備投資高，多相流計量算法及設(shè)備多采用互相關(guān)法、混合測量法、核磁共振法等，多應(yīng)用前沿高新技術(shù)，導(dǎo)致計量設(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)出液不分離計量多采用質(zhì)量流量計和多相流流量計[3]。多相流量計的計量原理是利用混合液在管道中流動時產(chǎn)生的與流動有關(guān)的隨機(jī)特征值，通過計量修正算法獲得計量對象的流速與流量值。多相流測量設(shè)備通過超聲波、電導(dǎo)、光纖、溫度等儀表測量值，結(jié)合后期的參數(shù)分析可獲得含水率數(shù)據(jù)。不分離計量流量計壓損小、不干擾流體流動狀態(tài)，非常適應(yīng)油氣井井口分相產(chǎn)量的測量，現(xiàn)場對于可以連續(xù)計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)對計量技術(shù)的需求

智能化油田建設(shè)的原則是智能感知、動態(tài)決策、實(shí)時反饋，更傾向于應(yīng)用智能系統(tǒng)代替人工解決現(xiàn)場的計量管理問題，因此，智能化油田建設(shè)對于單井井口計量的實(shí)時性和趨勢變化更加注重[5]。另外，井口多相流連續(xù)計量與單井智能控制系統(tǒng)的結(jié)合會更加緊密，通過實(shí)時獲得井口產(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)時分相計量，區(qū)塊智能控制系統(tǒng)通過對單井分相計量數(shù)據(jù)的AI 模型實(shí)時計算，還可以替代地質(zhì)人員進(jìn)行油水井組的動態(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)場管理人員的工作量[6]。

因此，智能化油田生產(chǎn)系統(tǒng)對單井計量的需求可以概括為：實(shí)時、連續(xù)、分相計量系統(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)計量系統(tǒng)的設(shè)計

目前，國內(nèi)油田隨著地面流程的簡化，地面集輸多采用油井串聯(lián)流程，單井產(chǎn)液量井口無計量設(shè)備，大部分油田推廣應(yīng)用功圖法計量技術(shù)進(jìn)行抽油機(jī)井的單井計量，該項技術(shù)目前針對產(chǎn)液量高于一定范圍正常功圖的計算結(jié)果計量準(zhǔn)確性較高，對于低產(chǎn)液量和特殊工況示功圖計算產(chǎn)量與真實(shí)產(chǎn)量誤差較大，計量結(jié)果還受到傳感器信號漂移、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量精度的需要。

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

本設(shè)計所采用的技術(shù)方案是：通過安裝在抽油機(jī)井口的單流閥開啟時間記錄數(shù)據(jù)，發(fā)送一個電信號給產(chǎn)量計算單片機(jī)程序，記錄井口三相流體開始流動和停止流動的時間值，計量軟件通過安裝在管柱底部抽油泵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對抽油機(jī)井口產(chǎn)出液量進(jìn)行計算，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)。計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖1。

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

抽油機(jī)井口產(chǎn)液量流動開關(guān)由單流閥和開關(guān)時間測量模塊以及遠(yuǎn)程通訊模塊組成，由于井下抽油泵是循環(huán)脈動工作模式，同時井口產(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)液量和單流閥的開閉時間是正相關(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)確計量井口的產(chǎn)液量。

井口產(chǎn)液量計算工作原理：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游動凡爾進(jìn)入柱塞上部泵筒的過程，因此，井口單流閥只在柱塞上行程開啟排液，其排液時間可被流動傳感器記錄，同時，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，通過采集上述參數(shù)即可計算獲得井口產(chǎn)出液量。

井口產(chǎn)量的計算公式：

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)(%)。

測試單流閥的開啟時間數(shù)據(jù)，通過位移傳感器獲得上沖程的工作時間，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單流閥的含氣混合液的壓力變化，在實(shí)驗室通過調(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)，計量軟件根據(jù)氣體體積修正系數(shù)表用插值法準(zhǔn)確計算含氣混合液的體積計量值。

Table 1. Correction table for gas-containing volume coefficient of metering device表1. 計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)計量、存儲，還可以根據(jù)用戶需要繪制日曲線以及周曲線、月曲線等，并計算累積產(chǎn)液量數(shù)據(jù)。

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

控制面板人機(jī)交互界面的顯示設(shè)計采用10 組帶刻度玻璃管的設(shè)計形式，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)人員可以隨時觀察井口產(chǎn)液量的變化結(jié)果。

實(shí)時獲得的井口產(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)計量系統(tǒng)的試驗應(yīng)用

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

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

6. 結(jié)論

1) 本文通過分析現(xiàn)場需求，明確了井口三相流連續(xù)計量是技術(shù)發(fā)展的主要方向，并分析評價了現(xiàn)有三相流計量技術(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)計了適用于智能調(diào)參的井口三相流連續(xù)計量技術(shù)方案，使用簡單傳感器結(jié)合室內(nèi)標(biāo)定圖版及產(chǎn)量計算方法，實(shí)現(xiàn)了井口三相流的連續(xù)實(shí)時計量。

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