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        關(guān)于質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量誤差的分析與改進(jìn)對(duì)策

        2022-04-04 12:08:10仝家林姜春起張鳴翔鄭天為劉自江
        天津科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:分離器液相偏差

        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(cè)試分離器在運(yùn)行中遇到的實(shí)際問(wèn)題

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

        平臺(tái)投產(chǎn)前,由于無(wú)法真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)原油生產(chǎn)的復(fù)雜介質(zhì)工況,所以建造期間僅對(duì)測(cè)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(cè)試分離器質(zhì)量流量計(jì)偏差過(guò)大的問(wèn)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(cè)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(cè)量偏差,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不符。測(cè)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(duì)埕海1-1油田1#井的實(shí)際測(cè)量中,通過(guò)與2019年10月6日—10月20日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),流量計(jì)測(cè)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(jiàn)圖1。

        圖1 單井產(chǎn)量測(cè)量對(duì)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(duì)測(cè)試分離器質(zhì)量流量計(jì)FIT-1301A存在的問(wèn)題,儀表專業(yè)小組決定對(duì)質(zhì)量流量計(jì)存在的測(cè)量偏差展開(kāi)研究。

        2 測(cè)試分離器及質(zhì)量流量計(jì)工作原理

        2.1 測(cè)試分離器原理介紹

        某平臺(tái)生產(chǎn)流程中,通過(guò)“測(cè)試分離器”來(lái)完成測(cè)量單井產(chǎn)量的功能,其工作原理是通過(guò)測(cè)量“測(cè)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(cè)量氣相與液相的介質(zhì) 流量。

        圖2 測(cè)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(duì)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(jiǎn)稱科氏力。1977年,美國(guó)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)量介質(zhì)的溫度,理論上可以測(cè)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(duì)測(cè)量精度無(wú)法保證,且測(cè)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(wèn)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(chǎng)實(shí)際對(duì)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(cè)量誤差為0.5%以下,滿足現(xiàn)場(chǎng)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(guò)實(shí)際原油取樣化驗(yàn)進(jìn)行密度比對(duì),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(wú)直管段是否影響測(cè)試分離器質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量偏差[4]。對(duì)測(cè)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(chǎng)實(shí)際彎管及其尺寸 Fig.6 Actual bends on site and their dimensions

        通過(guò)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(méi)有直管段消除離心力作用時(shí)將對(duì)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(guò)短,此力也會(huì)作用到質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)部,導(dǎo)致對(duì)流量測(cè)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)此問(wèn)題對(duì)質(zhì)量流量計(jì)“驅(qū)動(dòng)增益過(guò)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(cè)量偏差過(guò)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(duì)設(shè)備工作原理理解不透徹,測(cè)試分離器液位控制過(guò)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(wèn)題;②流量計(jì)密度參數(shù)設(shè)定未根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)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(duì)介質(zhì)密度產(chǎn)生分離效果。

        經(jīng)過(guò)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(guò)排列圖可知質(zhì)量流量計(jì)驅(qū)動(dòng)增益過(guò)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(duì)以上要因,小組成員召開(kāi)討論會(huì),制定出問(wèn)題解決對(duì)策表,如表1所 示。改造前后對(duì)比如圖10所示。

        表1 問(wèn)題解決對(duì)策表 Tab.1 Problem solving countermeasure table

        圖10 改造前后對(duì)比圖 Fig.10 Comparison before and after transformation

        通過(guò)對(duì)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(guò)實(shí)際對(duì)比發(fā)現(xiàn),質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性得到明顯改善,與課題目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)際效果如圖11所示。

        圖11 對(duì)策實(shí)施前后對(duì)比 Fig.11 Comparison before and after implementation of countermeasures

        經(jīng)過(guò)以上3項(xiàng)改進(jìn)后,計(jì)量偏差由原來(lái)的30%以上降低到小于1%,如圖12所示,已基本滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際流量測(cè)量的需要。

        圖12 解決問(wèn)題前后對(duì)比 Fig.12 Comparison before and after problem solving

        5 經(jīng)驗(yàn)分享與思考

        經(jīng)過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用及對(duì)本次質(zhì)量流量計(jì)問(wèn)題進(jìn) 行解決中發(fā)現(xiàn),測(cè)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(wú)需直管段要求,均能測(cè)量準(zhǔn)確。但在測(cè)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(duì)混輸液體產(chǎn)生分離作用;若沒(méi)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(cè)量誤差;同時(shí),在測(cè)試分離器對(duì)于井下來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)量工具,建議保留5倍以上管道直徑的直管段距離來(lái)消除彎管對(duì)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(lái)減小氣體誤差的干擾?!?/p>

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