新型螺旋渦輪流量計用于液態(tài)烴貿(mào)易計量

歷 勇 李昊洋 湯 浡

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田采油六廠

3東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院

新型螺旋渦輪流量計用于液態(tài)烴貿(mào)易計量

歷 勇1李昊洋2湯 浡3

1大慶油田工程有限公司

2大慶油田采油六廠

3東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院

傳統(tǒng)渦輪流量計雖然具有良好的測量精度和響應(yīng)特性，但對介質(zhì)黏度、溫度和壓力較敏感，難以保持在多變條件下的長期穩(wěn)定性。螺旋流量計采用一體化車制的螺旋形葉片，既保持了傳統(tǒng)渦輪流量計精度高、壓降低、響應(yīng)快、質(zhì)量輕、體積小以及維護(hù)安裝方便等諸多優(yōu)點，又具有葉片結(jié)構(gòu)堅固、適應(yīng)黏度范圍大、長期穩(wěn)定性好等新特點。該流量計在實驗室測試和現(xiàn)場使用測試中，表現(xiàn)出了良好的計量特性；在不同介質(zhì)測試中的重復(fù)性極佳，在原油測試中具有較好的線性度，能夠滿足包括原油在內(nèi)的液態(tài)烴貿(mào)易計量的要求。

螺旋渦輪流量計；液態(tài)烴；計量；測試；準(zhǔn)確度

引言

1953年出現(xiàn)的早期螺旋葉片渦輪流量計主要用于航空飛行器內(nèi)部燃料油的傳輸消耗計量。20世紀(jì)60年代中期，螺旋渦輪流量計開始進(jìn)入歐洲油氣工業(yè)計量，在北海嚴(yán)酷環(huán)境下表現(xiàn)出良好的原油計量性能。1994年美國引入雙螺旋渦輪流量計，2000年API頒布MPMS 5.3《用渦輪流量計計量液態(tài)烴》，對包括螺旋渦輪在內(nèi)的渦輪流量計使用進(jìn)行規(guī)范。

傳統(tǒng)渦輪流量計雖然具有良好的測量精度和響應(yīng)特性，但對介質(zhì)黏度、溫度和壓力較敏感，難以保持在多變條件下的長期穩(wěn)定性。經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，螺旋渦輪流量計克服了上述缺點，將渦輪流量計適用黏度擴(kuò)展至高黏原油，成為一項應(yīng)用前景廣闊的新型液態(tài)烴流量計。該流量計采用一體化車制的螺旋形葉片，既保持了傳統(tǒng)渦輪流量計精度高、壓降低、響應(yīng)快、質(zhì)量輕、體積小以及維護(hù)安裝方便等諸多優(yōu)點，又具有了葉片結(jié)構(gòu)堅固、適應(yīng)黏度范圍大、長期穩(wěn)定性好等新特點。

目前，螺旋渦輪流量計主要有法國Faure-Herman HELIFLUTMTZN型雙螺旋渦輪流量計、美國Emerson Smith公司生產(chǎn)的MV系列螺旋渦輪流量計和其旗下Daniel公司生產(chǎn)的1500系列螺旋渦輪流量計等，主要用于石油產(chǎn)品管輸計量、油輪及海上平臺原油計量和油庫管理等，其中HELIFLUTMTZN型雙螺旋渦輪流量計標(biāo)稱長期穩(wěn)定性大于5年。幾種典型液態(tài)烴貿(mào)易交接用螺旋渦輪流量計參數(shù)見表1。

表1 典型液態(tài)烴貿(mào)易交接用螺旋渦輪流量計參數(shù)

1 新技術(shù)特點及優(yōu)勢

螺旋型與傳統(tǒng)型渦輪流量計明顯不同之處是，螺旋渦輪流量計轉(zhuǎn)子上只有2個螺旋型葉片，而不是傳統(tǒng)型的多葉片型式，如圖1所示。螺旋渦輪流量計在測量高黏性原油時，可減少原油在轉(zhuǎn)子界面層的積滯。口徑為8 in（1 in=2.54 cm）的傳統(tǒng)型和螺旋渦輪流量計轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子界面層厚度都增加0.001 in時，會導(dǎo)致傳統(tǒng)型渦輪流量計流動剖面面積產(chǎn)生0.3%的變化，螺旋渦輪流量計只產(chǎn)生0.1%的變化，即傳統(tǒng)型受影響程度是螺旋型的3倍。流動剖面面積的改變直接影響流體通過流量計的速度，進(jìn)而影響流量計的準(zhǔn)確度。另外，螺旋型轉(zhuǎn)子葉片的形狀、安置角度等，也可以改善轉(zhuǎn)子葉片周圍的流動狀態(tài)，降低儀表對流體黏度的敏感性，提高儀表穩(wěn)定性和使用年限。螺旋渦輪流量計拓展了傳統(tǒng)型渦輪流量計的測量范圍，對原油計量有更好的適應(yīng)性。

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，螺旋渦輪流量計結(jié)構(gòu)更加簡單，布局更加合理，其應(yīng)用范圍已覆蓋部分容積式流量計的最佳黏度范圍[1]，如圖2所示。而且它只有一個可動部件，并采用高強(qiáng)度碳化鎢作軸承，采用鈦或鋁作轉(zhuǎn)子，可實現(xiàn)長期的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)Faure Herman提供的資料，雙螺旋渦輪流量計在國外原油計量應(yīng)用中，曾連續(xù)使用7年流量計系數(shù)幾乎沒有變化。

圖1 傳統(tǒng)式與螺旋式渦輪流量計結(jié)構(gòu)對比

圖2 API MPMS 5.1推薦的渦輪流量計適用黏度范圍

2 TZN100-300螺旋渦輪流量計性能

2004年2月至5月，大慶油田工程有限公司曾對法國Faureman Herman公司一臺配有標(biāo)準(zhǔn)直管段的TZN100-300型螺旋渦輪流量計進(jìn)行實驗室性能測試。該臺流量計口徑為DN100 mm，計量準(zhǔn)確度±0.15%，重復(fù)性優(yōu)于0.02%，流量范圍30～300m3/h。測試內(nèi)容包括水裝置測試和原油測試兩部分，原油測試依據(jù)美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API MPMS5.3進(jìn)行[2]。

水裝置測試溫度約為10℃，表壓約為0.3 MPa，密度約為999.7 kg/m3，黏度約為1.31 cSt，共測試4個流量點，每個流量點測3次，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 TZN100-300渦輪流量計水裝置測試數(shù)據(jù)

原油測試油溫約為70℃，表壓約0.45 MPa，密度約980.0 kg/m3，黏度約25 cSt，共測試5個流量點，每個流量點測3次，測試數(shù)據(jù)見表3。

TZN100-300螺旋渦輪流量計以水和原油為介質(zhì)進(jìn)行9組測試，重復(fù)性誤差均不超過0.02%，測試誤差不超過±0.2%，如圖3所示。

圖3中淺灰色區(qū)域為0.2級流量計的K系數(shù)允許波動范圍。從圖3及測試數(shù)據(jù)中可以看出，在以原油和水為介質(zhì)開展的流量測試范圍內(nèi)，該流量計測試誤差及重復(fù)性均符合0.2級測量準(zhǔn)確度要求，原油測得的線性度優(yōu)于水。

表3 TZN100-300渦輪流量計原油測試數(shù)據(jù)

圖3 TZN100-300水和原油測試K系數(shù)分布

以水為介質(zhì)獲得的平均K系數(shù)為1 617.56 N·m-3，較以原油為介質(zhì)獲得的平均K系數(shù)（1 597.71 N·m-3）正向相差19.85 N·m-3，約為平均K系數(shù)的1.23%。可見，介質(zhì)黏度依然對流量計K系數(shù)影響較大。

3 現(xiàn)場使用測試

2004年，公司購置一臺TZN100-200型螺旋渦輪流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表，用于海上油輪的體積管檢定。該流量計口徑為DN100 mm，計量準(zhǔn)確度±0.15%，重復(fù)性優(yōu)于0.02%，流量范圍20～200 m3/h。

在檢定海上油輪船載體積管時，需在檢定前后，利用活塞式體積管以現(xiàn)場原油為介質(zhì)檢定兩次渦輪流量計，取兩次K系數(shù)平均值。在檢定船載體積管時，將船載體積管與渦輪流量計串聯(lián)，記錄體積管運行一周期渦輪流量計所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，利用此脈沖數(shù)與K系數(shù)平均值的乘積算出船載體積管的標(biāo)準(zhǔn)體積，將標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞給體積管。

該流量計自投用3年來，共完成7次船載體積管的檢定，檢定數(shù)據(jù)見表4。

表4 TZN100-200渦輪流量計現(xiàn)場檢定數(shù)據(jù)

TZN100-200螺旋渦輪流量計作為船載體積管檢定用的標(biāo)準(zhǔn)表，在2005年至2007年14次檢定中，重復(fù)性均不超過0.02%，顯示出良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

[1]General Considerations for Measurement by Meters：API MPMS5.1[S]．Washington D C：American Petroleum Institute，1995：2.

[2]Measurement of Liquid Hydrocarbons by Turbine Meters：API MPMS5.3[S]．Washington D C：American Petroleum Institute，2000：3-7.

從對TZN型螺旋渦輪流量計的實驗室測試和現(xiàn)場使用測試情況來看，螺旋渦輪流量計具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，較傳統(tǒng)渦輪流量計對介質(zhì)的黏度不敏感，在不同介質(zhì)測試中的重復(fù)性極佳，在原油測試中具有較好的線性度，能夠滿足包括原油在內(nèi)的液態(tài)烴貿(mào)易計量的要求。

（欄目主持 焦曉梅）

國內(nèi)首例高溫電潛泵助力SAGD百噸井

遼河油田公司杜84-館平15井日產(chǎn)液522 t，日產(chǎn)油168 t，自加入百噸井家族以來，日產(chǎn)油始終排名第一，這得益于它的好伙伴——國內(nèi)首例高溫電潛泵的鼎力相助。作為油田公司重大試驗項目之一，這臺高溫電潛泵自2013年6月投入生產(chǎn)以來，已成功服役2年，交出了一份令人滿意的答卷。SAGD對于井下機(jī)采設(shè)備的耐溫、耐腐蝕、耐磨蝕、安裝方式都有嚴(yán)格的要求，目前國內(nèi)SAGD開發(fā)普遍采用管式泵+抽油機(jī)舉升方式。這種方式雖然能夠滿足高溫大排量舉升要求，但存在檢泵周期短、泵效下降快、抽油桿和脫接器斷脫等諸多問題，而且無法滿足排液量大于500 t/d的生產(chǎn)需求，這些因素都影響和制約了SAGD持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。為解決這些問題，該公司開展了SAGD有桿泵工藝技術(shù)的重要探索。

據(jù)了解，高溫電潛泵在國際上已有應(yīng)用先河，在國內(nèi)尚屬首次。相對于有桿泵采油，采用高溫電潛泵具有排量揚程范圍大、功率大、生產(chǎn)壓差大、適應(yīng)性強(qiáng)、地面工藝流程簡單、機(jī)組工作壽命長、管理方便等技術(shù)優(yōu)勢。考慮到杜84-館平15井的實際運行情況，高溫電潛泵的本土化難免受到質(zhì)疑：實際耐溫能力夠不夠，能不能達(dá)到理論排量，經(jīng)濟(jì)適用性是否合理等。面對這些質(zhì)疑以及投入運行后可能會遇到的問題，該公司積極組織技術(shù)人員，從前期技術(shù)論證、和外方交接口詳細(xì)調(diào)研，到中期的試驗方案設(shè)計、試驗選井、設(shè)備采購及驗收，再到最后的作業(yè)施工方案及下井作業(yè)施工都反復(fù)研討，精益求精。

為提高耐溫能力，該公司研究出優(yōu)化泵掛深度、增加井下溫度監(jiān)測及地面超溫保護(hù)系統(tǒng)、增加動液面監(jiān)控裝置和增加摻水降溫應(yīng)急流程四項技術(shù)對策，投產(chǎn)后目前泵上溫度199℃，動液面平穩(wěn)，達(dá)到方案要求。為確保電潛泵在大排量下高效、平穩(wěn)運行，該公司精心組織，科學(xué)管理，持續(xù)跟蹤館平15井生產(chǎn)效果，及時調(diào)整運行參數(shù)，試抽排量達(dá)到800 t/d，系統(tǒng)效率達(dá)71%。截至目前，這臺電潛泵已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運行760天，累計創(chuàng)效2 432.75萬元，投入產(chǎn)出比達(dá)1∶1.5，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

高溫電潛泵在SAGD油井上試驗應(yīng)用的初步成功，填補(bǔ)了國內(nèi)SAGD開采無桿泵技術(shù)應(yīng)用空白，標(biāo)志著國內(nèi)SAGD舉升工藝技術(shù)邁上新臺階，也為SAGD技術(shù)未來發(fā)展提供了更為廣闊的前景。

馬強(qiáng)報道

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.037

歷勇：工程師，2003年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院電子信息工程專業(yè)，從事計量檢定技術(shù)研究工作。

2015-02-04

15303698280、li_yong7966@126.com