油田開發(fā)用水計(jì)量器具量值溯源的探討

朱振國 (中石化河南油田分公司第一采油廠,河南桐柏474780)

張紅霞,范 民 (中石化河南油田分公司第二采油廠,河南唐河473400)

魏立君 (河南石油勘探局水電廠,河南南陽4731 32)

隨著油田逐步進(jìn)入開采后期,油田增注開采成為油田開發(fā)的重要手段,油田開發(fā)用水計(jì)量管理也得到高度重視。在油田開發(fā)用水計(jì)量中,按計(jì)量對象主要分為污水計(jì)量、污水處理計(jì)量、新鮮用水計(jì)量。在計(jì)量環(huán)節(jié)上,主要有注水單井計(jì)量、脫水計(jì)量、污水轉(zhuǎn)注計(jì)量、污水回收計(jì)量、外排水計(jì)量等環(huán)節(jié)。在計(jì)量方式上,基本上以流量計(jì)計(jì)量為主,以容積計(jì)量、超聲波測試等手段作為輔助手段進(jìn)行,按照計(jì)量對象可以分為總量計(jì)量和注水井計(jì)量[1,2]。由于油田開發(fā)注水計(jì)量環(huán)節(jié)繁多,計(jì)量方式復(fù)雜,計(jì)量器具數(shù)量多,給計(jì)量器具管理帶來了極大的難度,尤其是在對這些計(jì)量器具如何進(jìn)行量值溯源上存在較大的難度。河南油田某采油廠通過建立計(jì)量器具管理體系,按照測量設(shè)備的ABC管理,結(jié)合近年來在油田開發(fā)用水計(jì)量器具管理的經(jīng)驗(yàn),對油田開發(fā)用水計(jì)量器具量值溯源進(jìn)行了探討。

1 油田開發(fā)用水總量計(jì)量器具的校準(zhǔn)

油田開發(fā)用水主要是指用于地下注水以及與之相關(guān)的工程用水。

目前用于油田開發(fā)用水總量計(jì)量點(diǎn)主要包括注水總量計(jì)量、經(jīng)處理后的轉(zhuǎn)注水和新鮮用水3個(gè)方面。油田開發(fā)用水用于注水總量計(jì)量和處理后的轉(zhuǎn)注水這2塊的流量計(jì)一般采用的是穩(wěn)定性能和精確性能較好的電磁流量計(jì)。這些流量計(jì)的口徑一般在DN80以上,數(shù)量不是很多。這類流量計(jì)具有口徑大、安裝拆卸較為困難、送至標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行檢定 (校準(zhǔn))不易實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)。由于這類流量計(jì)一般不屬強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具,因此除一部分送檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定外,大部分是使用單位自行校準(zhǔn)。依據(jù)目前的技術(shù)手段,一般采取超聲波校準(zhǔn)的方法來開展。

用于新鮮用水計(jì)量的流量計(jì)一般歸屬為強(qiáng)制檢定類計(jì)量器具。由于新鮮用水水質(zhì)較好,計(jì)量點(diǎn)少,為了優(yōu)化投資和送檢方便,新鮮用水計(jì)量的流量計(jì)一般采用旋翼式流量計(jì)。這類流量計(jì)都送至得到授權(quán)項(xiàng)目的計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 注水井計(jì)量器具校準(zhǔn)存在的問題

油田開發(fā)用水總量計(jì)量器具量值溯源較為容易,但用于注水井計(jì)量的流量計(jì)量值溯源卻較為困難。主要是注水井流量計(jì)數(shù)量多,且油田井站偏遠(yuǎn)、分散,使通過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)比較困難,成為油田開發(fā)用水計(jì)量工作的瓶頸。為解決注水井流量計(jì)校準(zhǔn)問題,河南油田某采油廠從2006年底通過利用超聲波流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)體積罐3種方式進(jìn)行了注水井在線校準(zhǔn)的探討性試驗(yàn),并在取得了一定的成果后,在油田開發(fā)用水計(jì)量中進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

3 注水井流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)同現(xiàn)場存在的偏差

在油田注水井單井計(jì)量中,一般使用的是電磁式流量計(jì)、高壓水表 (水平螺翼式流量計(jì))、磁電式(卡門渦街)流量計(jì)。在開展在線校準(zhǔn)前,一般采用離線式,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)裝置上開展流量計(jì)的校準(zhǔn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)能力滿足不了現(xiàn)場實(shí)際要求

以某采油廠為例,該廠共有663口注水井,其中A類井為154口,B類井為238口,C類井為271口。按照A、B、C類分法,每口注水井上的流量計(jì)校準(zhǔn)周期分別為1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月,其流量計(jì)年校準(zhǔn)量為154×12+138×6+271×4=3760(臺/a)。當(dāng)發(fā)生井下與地面流量偏差較大情況下時(shí),還需要進(jìn)行流量計(jì)校準(zhǔn)。因此,該廠流量計(jì)每年校準(zhǔn)臺數(shù)應(yīng)在4000臺次左右。而該廠流量計(jì)校準(zhǔn)裝置年校準(zhǔn)能力只有1000臺次左右,無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要,致使大量的注水井流量計(jì)無法得到校準(zhǔn),使很多注水井流量計(jì)在超差中運(yùn)行。在2006年歷時(shí)4個(gè)月的注水大調(diào)查中發(fā)現(xiàn),該采油廠667口注水井流量計(jì)測量正誤差高于5%的為157口,測量負(fù)誤差高于5%的為39口,超差率為29.4%。

3.2 實(shí)驗(yàn)室條件與現(xiàn)場工作存在的偏差

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展校準(zhǔn)工作的介質(zhì)為常溫常壓清水,而油田注水壓力高、水溫高、機(jī)雜多 (見表1),易造成使用中的注水井流量計(jì)測量誤差大,穩(wěn)定性差。而這些對流量計(jì)的準(zhǔn)確性的誤差也無法進(jìn)行定性分析,一般只能忽略不計(jì)。

表1 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)介質(zhì)與現(xiàn)場介質(zhì)指標(biāo)

路況差、在運(yùn)輸上的顛簸會造成某些流量計(jì)測量性能發(fā)生變化。此外,注水井流量計(jì)現(xiàn)場人員在安裝、調(diào)水過程中也會由于方法、操作不當(dāng)造成流量計(jì)故障、誤差的產(chǎn)生。

3.3 離線校準(zhǔn)對注水井的影響

在流量計(jì)送校過程中,由于關(guān)井,造成注水井憋壓,水井反吐現(xiàn)象存在,造成單井注水工作的被動。同時(shí),由于流量計(jì)的拆裝、運(yùn)輸,會造成人員勞動強(qiáng)度大,校準(zhǔn)環(huán)節(jié)多,會產(chǎn)生一定的安全生產(chǎn)隱患及造成生產(chǎn)被動。

為了解決日益突出的注水流量計(jì)校準(zhǔn)和使用存在的問題,以同時(shí)滿足大量開展校準(zhǔn)工作和確保注水流量計(jì)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性為目標(biāo),筆者進(jìn)行了在線校準(zhǔn)注水井流量計(jì)的一系列的試驗(yàn)工作。依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件,筆者用超聲波流量計(jì)比對法、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)比對法、標(biāo)準(zhǔn)體積罐比對法3種方法進(jìn)行了注水井流量計(jì)在線校準(zhǔn)的探討。

4 超聲波流量計(jì)比對法在線校準(zhǔn)的探討

4.1 工作原理

超聲波流量計(jì)是當(dāng)超聲波在流動的介質(zhì)中傳播的時(shí)候,相對于固定的坐標(biāo)系統(tǒng)而言 (如管道中的管壁),其聲波的某些聲學(xué)特性與靜止介質(zhì)中的聲學(xué)特性是不同的,在其基礎(chǔ)上又疊加上了流體的流速信息,因而根據(jù)超聲波某些聲學(xué)特性隨流速的變化就可以求出介質(zhì)的流速。

多普勒式超聲波流量計(jì)依靠水中雜質(zhì)的反射來測量水的流速[3],但是根據(jù)測量原理,被測介質(zhì)中必須含有一定數(shù)量的散射體 (顆粒或氣泡),否則儀表就不能正常工作,因此多普勒式超聲波流量計(jì)主要是測量臟的介質(zhì)。而時(shí)差法[4]主要用來測量潔凈的流體流量,不能測量含有影響超聲波傳播的連續(xù)混入氣泡或體積較大固體物的液體。

4.2 在線校準(zhǔn)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)裝置上,對注水井流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),同時(shí)將便攜式超聲波流量計(jì)安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置上對其進(jìn)行校準(zhǔn),做到注水井流量計(jì)和便攜式流量計(jì)的誤差都控制在1%以內(nèi);然后將注水井流量計(jì)安裝到注水井上,用便攜式超聲波流量計(jì)對注水井流量計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)。通過實(shí)驗(yàn)室比對和在線校準(zhǔn)比對的比較來確定便攜式超聲波流量計(jì)對注水井流量計(jì)在線校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

在對選擇的14口井進(jìn)行試驗(yàn)來看,多普勒式流量計(jì)誤差在2%～5%之間的有42.9%,誤差在5%～10%的有42.9%,高于10%的有14.3%。時(shí)差法流量計(jì)誤差在2%～5%的有14.3%,5%～10%的有57.1%,高于10%的有28.6%。

從試驗(yàn)結(jié)果來看,多普勒式超聲波流量計(jì)測試效果要好于時(shí)差法超聲波流量計(jì),但都不能完全滿足注水井流量計(jì)的準(zhǔn)確性,且2種流量計(jì)都出現(xiàn)測量不到流體流量的問題。

4.3 試驗(yàn)分析

由于目前油田注水多為污水處理回注,注水水質(zhì)受污水處理的影響和其他因素的影響,有時(shí)流體介質(zhì)是很穩(wěn)定的,固體顆粒懸浮物一般會控制在10mg/L以內(nèi);但有時(shí)固體顆粒懸浮物會達(dá)到10～18mg/L,粒徑也呈現(xiàn)不規(guī)律變化,氣泡含量較多。因此,注入水介質(zhì)是潔凈介質(zhì)和臟介質(zhì)交替變化的介質(zhì),從而造成超聲波流量測量的不穩(wěn)定性。這是造成2種超聲波流量計(jì)無法準(zhǔn)確測量的根本原因。超聲波流量計(jì)在測量管道上要求有15D的直管徑,且要求無振動,無電磁輻射干擾。但在實(shí)際中,注水井管道結(jié)垢嚴(yán)重,腐蝕嚴(yán)重,造成管道內(nèi)壁凹凸不平,影響聲波的發(fā)射和接收,而很多注水井由于管線流程埋地,地面沒有足夠的直管段,造成超聲波流量計(jì)探頭無法夾持。

5 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在線校準(zhǔn)的探討

5.1 工作原理

標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)比對法是利用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)與被檢流量計(jì)串聯(lián)在同一管徑的管道上。在流動穩(wěn)定的情況下,任何時(shí)刻流過2臺表的質(zhì)量流量是相等的 (見圖1)。依據(jù)這一原理,在現(xiàn)場對流程改造,使之符合標(biāo)準(zhǔn)法校準(zhǔn)要求。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法工作原理

5.2 在線校準(zhǔn)試驗(yàn)

通過對某聚合物站進(jìn)行了簡單流程改造 (在工藝管線上加裝了一臺標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),如圖1所示),對注水井流量計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)。經(jīng)過改造后的流程,安裝1臺標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),利用注水做為校準(zhǔn)介質(zhì)對注水井流量計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)。同時(shí)將一臺誤差為0.5%標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和一臺測量誤差為2.0%的工作流量計(jì)同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)合格后,安裝到現(xiàn)場流程上,進(jìn)行現(xiàn)場比對校準(zhǔn)。在工作流量范圍區(qū)間內(nèi)連續(xù)測量多點(diǎn),其工作流量計(jì)同標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測量誤差為1.7%,比對結(jié)果較為理想。

由于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和工作流量計(jì)在同一管徑,同一介質(zhì)下進(jìn)行流量值比對,因此比對效果較好。但在現(xiàn)場改造的時(shí)候,附加流程應(yīng)盡量遠(yuǎn)離振動點(diǎn),并應(yīng)有一定的安全防護(hù)距離。

6 標(biāo)準(zhǔn)體積罐比對法在線校準(zhǔn)的探討

6.1 工作原理

標(biāo)準(zhǔn)體積罐比對法是利用在流量計(jì)后連接一標(biāo)準(zhǔn)體積罐,在單位時(shí)間內(nèi)通過被校準(zhǔn)流量計(jì)的體積量與該單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)體積罐的體積量進(jìn)行比對。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可行性綜合考慮,在現(xiàn)場進(jìn)行大批量校準(zhǔn)流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)體積罐結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單,以提高標(biāo)準(zhǔn)器的使用壽命。基于這一原則,采用人工換水的方式來進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖2 注水井水表在線校準(zhǔn)示意圖

6.2 在線校準(zhǔn)試驗(yàn)

通過采用直徑為24.5mm的高壓管線做為放空管線,采用500L標(biāo)準(zhǔn)體積罐作為標(biāo)準(zhǔn)器具組成圖2的校準(zhǔn)流程。規(guī)定2人進(jìn)行一組操作,1人在注水井口開關(guān)放空閥門,記錄注水井流量計(jì)的始、終流量,另1人在標(biāo)準(zhǔn)體積罐處進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)體積罐的水流換向操作。在注水井工作流量范圍內(nèi) (根據(jù)其注水井調(diào)配水量決定),在單位時(shí)間內(nèi)充滿一標(biāo)準(zhǔn)體積罐滿液體,與該單位時(shí)間內(nèi)工作流量計(jì)所計(jì)量進(jìn)行比對,來確定工作流量計(jì)的測量誤差,以保證流量計(jì)的校準(zhǔn)。從安全的角度考慮,一般規(guī)定在進(jìn)行在線校準(zhǔn)時(shí),瞬時(shí)流量不得大于6m3/h。

6.3 試驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)校準(zhǔn)的測量誤差為1.3%的流量計(jì)安裝到注水井上后,用標(biāo)準(zhǔn)體積罐法進(jìn)行比對,工作流量計(jì)誤差在1.9%內(nèi),可以滿足注水工作的計(jì)量要求。

7 結(jié) 語

1)在一些使用清水介質(zhì)的地方 (如聚合物站),使用超聲波流量計(jì)效果較好。在注入水水質(zhì)較差的地方,使用多普勒式超聲波流量計(jì)效果較好。但有時(shí)現(xiàn)場情況復(fù)雜,注水水質(zhì)存在著不確定因素較多,變化較大,使流量計(jì)選型出現(xiàn)困難,一旦選擇不好,直接影響超聲波流量計(jì)的使用,從而造成校準(zhǔn)單位、被校準(zhǔn)單位對超聲波流量的準(zhǔn)確性提出質(zhì)疑。因此,在油田注水井流量計(jì)在線校準(zhǔn)中,使用超聲波流量計(jì)作為現(xiàn)場校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器具尚需時(shí)日。

2)校準(zhǔn)流量計(jì)法具有勞動強(qiáng)度低,操作簡便的特點(diǎn),但目前計(jì)量站注水管網(wǎng)為高壓管網(wǎng),水井多為油井轉(zhuǎn)注,故計(jì)量站內(nèi)配水間狹小。從場地、工藝流程和安全的角度考慮,很多計(jì)量站的注水井無法實(shí)現(xiàn)改造。因此,該校準(zhǔn)方法只適用于在個(gè)別站點(diǎn)進(jìn)行,無法進(jìn)行規(guī)模推廣。

3)雖然標(biāo)準(zhǔn)體積罐比對法在線校準(zhǔn)注水井流量計(jì)不確定度大,操作人員勞動強(qiáng)度較大,操作繁瑣,但其操作方法較為直觀,結(jié)果較為可靠,操作規(guī)范化可控性強(qiáng)。一般計(jì)量人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可進(jìn)行校準(zhǔn)操作。而注水井流量計(jì)測量誤差要求不是很高 (一般測量誤差低于5%),一般不易受到工作場所和環(huán)境的限制,可以適合于絕大多數(shù)計(jì)量站、注聚站的注水井流量計(jì)在線校準(zhǔn)工作。

[1]徐幫學(xué).儀器儀表質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與安全性評價(jià)手冊[M].西寧:青海人民出版社,2003.

[2]苗瑜.企業(yè)計(jì)量管理與監(jiān)督 [M].北京.中國計(jì)量出版社,2005.

[3]李曉光,馬凈.多普勒超聲波流量計(jì)基本原理及應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動化,2005,(3):115～116.

[4]李廣峰,高勇.時(shí)差法超聲波流量計(jì)的研究 [J].電測與儀表,2000,37(9):13～19.