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低产油井新型计量装置技术研究 |
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作者：金湖华普自动化仪表有限公司 |
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摘 要：低产油井的计量技术已研究多年，但始终未从根本上解决问题。试图从分离器的结构上进行改造，从而进一步改进工艺流程，达到提高油井计量准确度的要求。同时参照国外油井计量的先进技术，通过改造传统的计量流程，以达到提高油田计量技术的目的。
主题词：油井计量 分离器 计量工艺 计量装置
随着老油田进入高含水期，油井计量的难度越来越大。再加之生产的发展及经营管理的需要，对油田计量技术的要求也在提高。因此，认真解决油田井口计量问题，提高目前井口计量精度和管理水平，已成为油田生产中亟待解决的一个重要课题。
油井计量现状与存在问题
目前，油田油井计量基本上采用的是立式两相分离器作气液分离，用玻璃管量油，人工取样化验含水率，双波纹管差压计测气，这种计量方式在高含水期主要存在以下问题。
1 两相分离器玻璃管量油，计量时间短，误差大
玻璃管量油的优点是操作简单，维修方便，经久耐用，在低含水期尚能满足生产要求，进入高含水期后，液量有所增加，量油时间也只有1～2min，甚至更短。在如此短的时间内计量24h的产量，造成的误差就较大，相对误差约大于10%。
2 人工测定原油含水率，误差大
要准确测量油井的产油量，就必须准确测出原油平均含水率。目前由于人工取样的代表性与具体操作者的技能因素有很大关系，几次的平均差值高达20%～30%，这就难以量准单井的产油量与产水量。
3 气产量计量大多未运行
井口气产量的计量，虽然配置了孔板流量计，但从现场调研情况看，使用得都不理想，大部分仪表未能投入正常运行，许多计量站还从未使用过，加之孔板多年不检定，即使在用也很难说清其计量精度。
高含水期油井计量的特点
1 油井含水率高，且波动较大
使用两相计量分离器计量高含水原油时，尽管流量计与在线含水分析仪都能正常地在测量范围内工作，但测量出来的油井纯油产量仍然误差较大，不符合标准要求。假设计量总液量的流量计工作时没有误差，仅2.0级精度的高含水在线分析仪（一般高含水分析仪的可靠精度均不高于2.0级）或人工化验造成的纯油计量误差就为2.2%～100%，详见表1。表1 含水率与纯油精度误差对照表
 这是含水率测量误差为±2%时对纯油计量精度的影响。
2 油、气、水三相计量分离器
从表1可知，在高含水期要想把油井的纯油量计量准确，必须把混合液中的游离水分离出来，使得进量油仪表的原油含水率降到一定程度（如30%），总计量精度才能有所保证。使用三相分离器，把油、气、水按一定要求分开，才能较为准确地计量油井的油、气、水产量，对于泡沫原油进入DN600的计量分离器后，采用腰轮流量计计量液量，测量值要偏高4.5%（与质量法相比）。实践证明，只有分得清，才能量得准。因此，三相分离器成了高含水期油井计量的关键技术。
国外油井计量状况
油井计量主要特点有以下几个方面：
（1）美国在油田井口计量中，低含水期采用两相分离，中高含水期采用三相分离，定时连续计量。在油田建设设计时，均设计三相分离器，在低含水期，三相分离器当两相使用，中高含水期，开始使用三相分离功能。美国油田计量的特点是小站流程。计量站设置计量分离器和生产分离器两套装置，生产分离器用来计量整个计量站的油、气、水总产量，油井计量中的选井多采用多通阀。
（2）采用三相分离器计量大多与仪表配套使用，如配备流量计和在线含水分析仪可实现连续计量。
（3）计量站二次表基本智能化、数字化、流量、含水率等数据的采集、处理、运算、输出都采用微机，可随时显示、定时打印、输出净油、净水、气量、含水率等数据。
（4）计量制度，一般每口油井计量8h或24h，计量周期为7d、12d、30d不等。
新型油井计量装置的研制与试验
在多年研究三相分离器计量技术的基础上，并借鉴了国外的分离计量技术，我们研制了三相计量分离器并在现场进行了试验，试验结果证明，该分离器在工艺结构的设计上有所突破，取得了良好的使用效果。
1 分离器设计方案的形成
在20世纪70年代初期，有人曾经对法国卧式三相自动计量分离器进行了大量的现场试验。在对其应用条件及我国油田的实际情况了解不够的前提下，对其进行机械地仿制，如油水界面的控制浮球，最后还是失败了。失败的主要原因是分离器内油水界面控制不灵，经常发生水中跑油或油中跑水现象。油水界面控制不灵在其它集输设备如原油立式或卧式沉降脱水罐、电脱水器等设备中普遍存在，这个问题在以后的十多年里一直困拢着油气集输工作者，人们在设定的油水界面位置上安装过各式各样的仪表，效果都不理想。虽然仿制法国三相分离器的试验失败了，但使我们认识到，要想获得三相分离器的成功，必须攻克界面控制的难关。为了弄清三相分离器油水界面在工作条件下的实际状况，我们进行了如下的试验：设计了一台Φ1000的卧式三相分离器，如图1所示。在分离器侧面液体部分自上而下等距离设计了一列取样阀。在运行时通过大量取样分析得知，分离器在运行状态下液体部分并不总是存在着一个上面是油，下面是水的清晰的油水界面，而常常是液体部分的顶部为含水率很低的纯油层，分离器底部为清水层，在其间是一个含水率渐变过渡层。多年的大量现场实验使我们得到了如下宝贵的经验：①界面控制是分离器成败的关键技术；②以前用各种各样的仪表来直接控制油水界面的尝试是不可取的，在提高仪表控制精度上下功夫是方向性失误。工艺条件对仪表的成败起决定性作用。
鉴于以上认识，我们在参阅了国外的一些资料后得到了启示，拟定了以下三相分离器设计方案（见图2）。
考虑油井计量中油中杂质多，且高含水井含气量不高，所以选用立式结构。分离器外附有集油桶和集水桶，各桶上下两端设有液位控制器，该分离器把通常对油水界面的直接控制变成了由可调水堰管调节水的出口高度，与固定的油出口高度对应，从而间接控制了油水界面高度，使得分离出的油和水分别进入油桶和水桶，如果排出的油或水的指标不符合要求，只要调节水的出口高度就可方便地达到要求。油桶与水桶的液面控制是很容易实现的成熟技术，能够可靠地运行。
2 油井计量装置的构成与计量原理
单井来油经三相分离后，原油进入油桶，当液面达到上浮球时，浮球发出信号使气动薄膜阀全开排油，原油经过在线含水分析仪，刮板流量计、薄膜阀等排出；分离后的水经水堰管口溢出，进入集水桶。同样，当水位升到上浮球时，薄膜阀打开排水，水经过流量计、薄膜阀排出，当油或水液位降到下浮球位置，薄膜阀关闭，进行下一桶的油或水的积累。在分离器顶部的气出口处，设有温度、压力变送器、过滤器、气体腰轮流量计、自动式调压阀、单流阀等。三相分离器的进油管线装有一套加药装置，可连续可控地给来油加破乳剂。
3 三相分离器的主要技术指标
结构尺寸： Φ1600×4300
工作压力： 0.6MPa
工作温度： 40℃～47℃
液体处理量： 200m3/d
液体停留时间： ＞30min
分离后指标： 油中含水≤30%
污水含油≤0.4%
4 分离器在计量方面的优点
（1）采用立式分离器，允许油水界面在较大范围内波动，有利于分离效果的控制。
（2）采用集油桶、集水桶，可调水堰结构，把难度大的直接控制油水界面的控制方法变成容易实施的液面控制和开关控制。
（3）间断排液方式使得一块计量仪表的量程可以适应产量相差悬殊的各口油井，即在分离器处理量范围内，不论哪口油井的产量为多少，只要控制好流量计前后的压差，流量计在计量时就不会超量程。因此在计量站内不必用不同量程的多个流量计来适应产量参差不齐的各口井的计量。
（4）分离器内部的沉降分离过程不受排流时液体流动的扰动，分离效果不受影响。
5 与三相分离器配套的主要仪表
弹性刮板流量计，用于量油、量水 精度：±1.0%
在线含水分析仪（0%～100%） 精度：±2.0%
气体腰轮流量计 精度：±1.0%
单片机及打印输出设备
6 试验效果
①三相分离效果满足计量要求。油中含水率＜30%；水中含油＜0.4%；②用可调水堰管控制油水界面主动、灵活，很有效，使最终分离出的油中含水率和水中含油率得以控制，这是技术上的一个突破；③单片机用于油井计量中，对油、水液位进行控制，自动采集油、气、水流量信号和温度、压力信号并加以处理、运算，可随时或定时打印结果。
7 误差分析
由于仪表的直接测量值x与间接测量值y之间存在着函数关系y=f(x)，则由微分学可知，直接测量值的测量误差引起的间接测量值的误差为函数的增量，而该增量可用函数的微分来表示。同样，有n个直接测量值xi(i=1，2，…n)与间接测量值的函数关系为
y=f(x1,x2…xn)
则测量的总误差可用函数的全微分表示为
上式是函数误差计算的一般公式。对于我们所研究的计量装置其仪表的误差性质为随机误差。其计算公式为：
式中R为相关项也称协方差。在实际测量中，各个直接测量值之间是相互独立的，即R项为零。
计量分离器上单个仪表的测量误差xi有随机误差，且相互独立。根据独立变量误差叠加原理，其计量装置的误差可由下式进行计算：
整个计量分离器是一个完整的计量系统，其测量总误差来源于四个方面：含水分析仪的准确度、弹性刮板流量计的准确度、水中含油的测量误差以及未考虑因素的附加误差。
含水分析仪的准确度为2.0%；
弹性刮板流量计的准确度为1.0%；
水中含油的测量误差为±0.2%；
未考虑因素的附加误差为±0.1%。
则装置的总误差为
通过以上计算可以得出计量装置的不确定度为2.5%。
此套装置于近几年先后在大庆、江苏等油田试用，效果良好，基本解决了高含水油井的计量问题，具有良好的推广价值。
8 需改进之处
①分离器体积太大，对于小断块低产井，需要设计小型化的、轻便的、撬装式的；②对低气液比井，尽管伴生气较少，但在三相分离器内气相空间所占的比例要合适，气相空间大小对分离效果的影响是不容忽视的。
对小断块油田低产低气油井计量的设想
小断块低产井的计量问题，长期以来一直未能很好解决。我们试想，在气体分离后作两相计量，根据互不相溶的两种液体混合物的总体积等于这两种液体体积之和的原理，通过测定与混合物的总体积和质量相关的两个物理量，求解相关方程组得到这两种液体的各自体积（质量）。
另一种方法就是采用活动式计量站，效果可能会更好些。用小型三相分离器配油、气、水计量仪表和油泵、水泵连续计量，计量后输入管网进转油站。按合理的计量周期巡回计量。这种计量方式有以下特点：
（1）将传统的"米"字形丛式固定计量站集输流程改为串联型集输流程，大大减少了管线投资，同时降低了管理难度。
（2）实现了单井油、气、水三相分离，仪表连续自动计量，保证计量精度。油与水±5%，气±10%。
（3）实现了计量专业化管理，微机自动采集处理数据，打印油、气、水日产量。消除了人为因素，为无人值守创造了条件。
（4）用拖车运载、全天候计量取代目前的固定式计量站。其效果显著。(end)
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(8/26/2010) |
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