管式油井氣液兩相流量計的研制與應用

杜懷棟 王宏偉 李高峰

(勝利油田技術檢測中心，山東 東營 257000)

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管式油井氣液兩相流量計的研制與應用

杜懷棟 王宏偉 李高峰

(勝利油田技術檢測中心，山東 東營 257000)

通過分析勝利油田現有單井計量技術的優缺點，基于傳統立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置測量原理，設計研制了一種價格低廉、穩定可靠、可直接安裝在油井井口的管式油井氣液兩相流量計。現場試驗證明，該流量計適用于低產、波動、間歇、低氣液比、稠油等各種類型的油井，液相計量誤差小于±3%，氣相計量誤差小于±5%，造價低于2萬元。該流量計計量性能優良，在油田開發中具有十分廣闊的應用前景。

油井 流量計 液位計 傳感器 計量技術 監控系統

0 引言

為解決油井氣、液計量問題，國內外研究機構相繼研制了多種三相流量計[1-2]，如西安交大研制的文丘里管式三相流量計。但這些三相流量計，均存在適應性差等缺陷。示功圖油井遠程計量監控系統實現了對游梁式抽油機油井產液量的計量，但該系統受電機功率因數等不確定因素的影響，存在誤差大等計量缺陷，且無法解決電潛泵、螺桿泵油井的液量和氣量計量問題。

通過對各計量方式的現場應用和對比測試，認為計量油井氣、液較有效的方法是通過立式分離器玻璃罐液位計進行計量。因此，深入分析研究立式分離器玻璃管液位計的工作原理，研發穩定可靠、價格低廉、能直接安裝在井口的氣液流量計，對油田的開發和數字化建設具有重要意義[3]。

1 立式分離器玻璃管液位計的工作原理

立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置已成功應用于油田50余年。據初步統計，90%以上的油井計量站仍沿用立式分離器玻璃管液位計完成油井的量液和測氣工序。

立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置的工作原理是：井排來液，然后來液通過計量間的閥組進入分離器。混合流體在分離傘的作用下，液體中的氣體被分離出來，此時若打開閥門F1，分離器中的液位會不斷上升，分離器底部水包中的水在液體的作用下，使玻璃管內水的液位上升，讀取玻璃管液位從刻度1到刻度2的時間t1。當玻璃管液位上升到刻度2時，關閉閥門F1，油井來液中的氣體在分離器上部聚集，致使分離器的液位不斷下降；同樣地，玻璃管內的液位也會隨之下降，讀取玻璃管液位計從刻度2到刻度1的時間t2。利用相關計算公式，即可得到油井的產液量和產氣量，實現油井的氣液兩相計量[4]。

根據流體虹吸原理，分離器液體產生的壓力等于玻璃管水柱的壓力[5]，則：

ρ油h油=ρ水h水

(1)

油井在t1時間內產出的液體質量為：

M=ρ油V=ρ油πr2h油=πr2ρ水h水

(2)

因此，油井每天的產液量為:

(3)

式中：k為分離器的罐常數；ρ水為玻璃管內水的密度，一般情況下，4 ℃時水的密度為1 kg/cm3;h水為玻璃管液位從刻度1到刻度2所變化的高度。

同樣可得，油井在t2時間內產出的伴生氣體積為：

V=πr2h油≈απr2h水

(4)

因此油井每天的產氣量為：

Q氣=86 400αkP1h水/t2

(5)

式中：P1為分離器內的工作壓力；α為含水率修正系數。當含水率為90%時，α約為0.99；當含水率為80%時,α約為0.98，依次類推。

從式(3)和式(5)可以得出，只要讀取玻璃管液位上升(下降)高度和時間，即可測量出油井的產液量和產氣量。

立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置通常使用的立式分離器直徑為800mm，高為2 000mm。分離器內部用作計量的容積腔可以看作是一定直徑的圓筒，從結構上看，分離器內部在測量過程中無任何可傳動部件，與質量流量計或刮板流量計相比，其計量性能不受油井流體中雜質的影響。另外，盡管分離器存在結蠟和結垢現象，可能使計量段容積變小，但在一段時間內計量段容積變化量較小，因此立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置的計量穩定性高、故障率低，無需經常進行周期校準。玻璃管液位計作為計量裝置的顯示部件，其工作穩定可靠、故障率極低。

立式分離器玻璃管液位計憑借其獨特的技術特點，在油田油井計量中始終處于經久不衰的地位。大慶、勝利、遼河、克拉瑪依、中原等各大油田目前仍使用立式分離器作為油井計量的主要裝置。

但立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置存在低伴生氣油井量液測氣困難、間歇波動油井計量誤差較大的技術缺陷，同時該計量方法需要人工操作，難以實現自動化計量。另外，立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置屬于壓力容器，不適合安裝在油井現場，且單套造價在十萬元左右，因此在每口油井安裝一套立式分離器玻璃管液位計并不現實。

2 管式油井氣液兩相流量計的設計原理

針對立式分離器玻璃管液位計在生產使用中存在的不足，勝利油田技術檢測中心在立式分離器玻璃管液位計工作原理的基礎上，研制開發了不受油井產能波動、能夠連續計量的管式油井氣液兩相流量計。經過近兩年的現場應用，其計量準確性、工作穩定性均達到了油田的生產要求，以良好的計量性能得到了采油廠的認可。

2.1 管式油井氣液兩相流量計工作原理

所謂“管式”是指流量計的主體測量部件是普通管段，本次設計的管式油井氣液兩相流量計選用了DN159普通輸油管。管式油井氣液兩相流量計的測量原理如圖1所示。

圖1 測量原理圖

油井井口來液(含氣)進入管式氣液兩相流量計，當三通閥F1處于左通右關、F2處于左關右開的狀態時，井口來液首先導入測量管A，隨著油井產出的液體不斷流進測量管A，測量管A中的液位會不斷上升，分離出的氣體從測量管A的上部進入測量管B，促使測量管B中的液體排出。當測量管A中液體質量達到設定質量時，三通閥F1、F2同時換向，井口來液則導入測量管B，隨著測量管B中液位的不斷上升，分離出的氣體從測量管B的上部進入測量管A，促使測量管A中的液體排出，完成一個循環。

在測量管A和測量管B分別安裝差壓傳感器，若A中液柱上升，則P0與P1增大、P2與P3減小；若B中液柱上升，則P0與P1減小、P2與P3增大。通過測量管段的差壓，計算出油井的液體流量和氣體流量。

根據液柱壓強的定義：

ΔP1=P0-P1=ρAghA

(6)

而液柱的質量為：

M=ρAV=ρAπr2hA=πr2ΔP1/g

(7)

則油井產出的液體流量為：

(8)

在測量管A液位上升和分離出的氣體的雙重作用下，測量管B液位下降。油井產出的氣體流量推導如下[6]。

依據液柱壓強的定義：

ΔP2=P2-P3=ρBghB

(9)

B管內液柱的高度為：

hB=ΔP2/ρBg

(10)

在t′時間內,B中的液柱從最高下降到0,下降的高度[7]為：

h-hB=hA+h氣

(11)

h氣=h-hA-hB=h-(ΔP1+ΔP2)/ρg

(12)

式中：h為設定值。

為計算方便,對油井氣體計量的準確度要求不高。一般認為，A、B管的液體密度基本一致，可根據油井的含水率設定該值。

油井產氣流量為[7]：

(13)

從式(8)和式(13)可以看出，油井的產液量和產氣量只與A、B管液柱差壓有關，只要準確測量管段液位的差壓，就可以得到油井的液體流量和氣體流量。

2.2 管式油井氣液兩相流量計的加工制造

綜合考慮油井的產液量、流量計的準確度(計量誤差)和電動三通閥的換向頻次，可計算出A、B管段的設計高度和差壓傳感器兩個引壓點的位置。

勝利油田分為抽油機油井、電潛泵油井、螺桿泵油井，一般抽油機油井的產液量在100 t/d以下，電潛泵和螺桿泵油井的產液量則高達400 t/d。對于中低產油井，選用的油井氣液兩相流量計是雙管；對于高產油井，考慮到電動三通閥換向過于頻繁且對于計量準確度有一定要求，因此選擇通過增加管段的方法延長換向時間，選用的油井氣液兩相流量計是四管的。四管的油井氣液兩相流量計，每兩個測量管段為一組。為確保液位基本平衡一致，同組中的兩管之間加裝了連通管。

2.3 管式油井氣液兩相流量計的自動化設計

管式油井氣液兩相流量計主要通過控制兩個電動三通閥，實現A、B兩測量管段交替進液和排液的過程。通過采集管段上下兩點的差壓，計算油井的液相流量和氣相流量。流量計顯示器不僅動態顯示液相瞬時流量和累積流量，同時動態顯示氣相瞬時流量和累積流量。

管式油井氣液兩相流量計硬件結構如圖2所示[8-10]。

圖2 流量計硬件結構圖

設計的管式油井氣液兩相流量計自動化系統具有如下功能：

①實時監測井口溫度、壓力等參數；

②準確計量氣-液兩相瞬時流量、累計流量；

③設備故障自診斷報警；

④歷史數據曲線成圖及存儲輸出；

⑤計量數據無線傳輸；

⑥生產過程監測報警。

管式油井氣液兩相流量計的技術指標如下：含氣率為0～100%；液體測量量程為0～500 t；氣量誤差不大于±5.0%，液量計量誤差不大于±3.0%；公稱壓力分為1.6 MPa 、2.5 MPa、 4.0 MPa 、6.4 MPa；信號可通過GPRS遠距離傳輸。

3 管式油井氣液兩相流量計的現場應用

管式油井氣液兩相流量計樣機經過不斷完善和改進，克服了礦化水腐蝕、結垢和原油凝蠟等現場因素的影響，具備了現場應用的能力。管式油井氣液兩相流量計經過在不同油井(產液量、氣液比、稠油稀油)一年多的使用，其計量的準確性、穩定性、適應性和故障率均得到了充分驗證。

3.1 現場應用條件

勝利油田30 000多口油井的工況相差很大，有含水率10%左右的低含水油井，有含水率98%的高含水油井，有高產油井、低產油井，有超稠油井(原油黏度大于10 000 mPa·s)，有氣液比為10：1的油井。

目前，油田地面工藝流程大部分采用計量站為中心、多口油井匯集到計量站的模式(偏遠油井采取單井高架罐或多功能罐的工藝流程模式)，利用立式分離器玻璃管液位計，通過人工操作完成每口油井的氣液計量，再輸送到接轉站和聯合站。

3.2 現場安裝

將管式油井氣液流量計直接安裝在油井井口，油井采出液(含氣)從井口流出，經過管式流量計進入計量站。因此，立式分離器玻璃管液位計和管式流量計形成了封閉的串聯結構，可以通過比對，評價管式油井氣液兩相流量計的準確性。

3.3 現場對比測試及數據分析

將立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置作為對比標準，通過比對管式油井氣液兩相流量計與其之間的差值，來評定管式油井氣液兩相流量計的計量準確度。

(14)

表1、表2列出了T61-X708 、T61-X202這兩口井的產液量、產氣量對比數據，對應的誤差分布如圖3所示。

表1 產液量試驗數據對比表

表2 產氣量試驗數據對比表

圖3 油井產液/產氣量誤差曲線

3.4 結果分析

通過油井T61-X708 、T61-X202對比數據可以看出，液量試驗誤差最大為2.67%，氣量試驗相對誤差絕對值最大為-3.21%。

對其他6口油井同樣進行了對比測試(由于數據較多未一一列出)。在所有測試對比數據中，有98.2%的測試數據點液量相對誤差在±3%以內、氣量試驗相對誤差均在±5%以內，說明管式油井氣液兩相流量計的計量準確度達到了液相計量誤差小于±3%、氣相計量誤差小于±5%的水平。

4 結束語

管式油井氣液兩相流量計具有計量準確可靠、適用性強、安裝方便、價格低廉(單臺造價2萬元)的優點。該管式油井氣液兩相流量計自應用到油田生產以來，故障率小于1.5次/年，良好的性能得到了廣大用戶的普遍好評。

該流量計很好地解決了油田油井氣液自動化計量的難題，對促進油田的開發和數字化建設具有十分重要的意義，有著廣闊的應用前景。

[1] 紀綱.流量測量儀表應用技巧[M].北京：化學工業出版社，2009:34-35.

[2] MATTINGLY G E,YEH T T.NIST’s ultrasonic technology assessment program to improve flow measurements[C]//Flow Measurement Conference,Denver,USA,1999.

[3] 趙陽，高強.基于Web遠程監控系統的設計實現[J].自動化儀表，2015(1)：31-32.

[4] 王池，王自和，張寶珠,等.流量測量技術全書[M].北京：化學工業出版社，2012:210-215.

[5] 蘇彥勛.流量計量與測試[M].北京：中國計量出版社，2007:54-59.

[6] 費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京：機械工業出版社，2009:34-36.

[7] 李慎安.測量不確定度百問[M].北京：中國計量出版社，2009:45-58.

[8] 閆學勤.ZigBee+3G網絡在新型井道式電梯監控系統中的應用[J].自動化儀表，2015,36(1)：2-4.

[9] 王釗.功能模塊的設計與應用研究[J].自動化儀表，2015,36(11)：4-6.

[10]朱樹先.GPRS和ZigBee技術用于供水管網監控系統研究[J].自動化儀表，2015,36(5)：57-58.

Development and Application of the Tubular Gas-liquid Two-phase Flowmeter Used in Oil Wells

By analyzing the advantages and disadvantages of existing single-well metering technology in Shengli Oilfield，and on the basis of the measuring principle of traditional oil well metering device using vertical separator glass tube level gauge,a kind of flowmeter called tubular gas-liquid two-phase flowmeter used in oil wells which is inexpensive,reliable,and can be installed directly in the wellhead is designed.The field test shows that this flowmeter can be adapted to various types of oil wells,such as low yield,fluctuated,intermittent,low gas-liquid ratio,thick oil and etc.,the liquid phase measurement error is less than ±3%,gas phase measurement error is less than ±5%,and the cost is less than 20 000 yuan.The flowmeter has excellent measurability,and it has very broad application prospects in the development of oilfields.

Oil well Flowmeter Liquidometer Sensor Metering technology Monitoring system

杜懷棟(1964—)，男，1987年畢業于華東石油學院測井專業，獲碩士學位，高級工程師；主要從事油田計量與防腐技術方向的研究。

TH814;TP216+.1

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611022

修改稿收到日期：2016-04-18。