油水氣三相計量裝置在油田的應用

劉 旸

（中國石化集團有限公司 物資裝備部，北京 100728）

0 引言

油井產量是油田開發的重要數據，是油田企業生產管理的基礎，是地質分析和采油工藝的重要數據基礎，基于三相計量的結果可以對井下地質情況進行分析，對采用的采油工藝是否合適做出判斷，為優化采油工藝提供數據支撐。對于提高原油產液量、降低投資、節約成本具有重要的意義。

隨著國內油田大部分油井進入開采末期，采油工藝上注水、注氣、注聚等技術的應用，產出液氣油比變化也越來越大，對油田各個部門來說，能夠準確計量油井的油、氣、水三相的產量，可以準確掌握油井的開發動態，可以準確判斷油井和底層的變化，從而采取合理的工藝措施，達到增產節能的目的。

1 油田采油三相計量的現狀和存在的問題

1.1 人工計量方式

傳統采油三相計量最初采用分離器人工計量，特點是原理簡單，投資少，通過人工定時倒流程，對分離器內液位的記錄從而推算產量。但隨著人工成本的增加和自動化水平要求的提高，再加上人工計量對人員技術水平要求高，而且計量為間斷取樣計量，總體計量準確度差，這種方式已經基本淘汰。

1.2 稱重計量方式

又稱翻斗計量[1]，采用重力式原理進行計量，液體進入計量容器內，在達到一定重量時容器失去重心自動翻轉，實現一個計量過程，容器復位后進入下一個計量周期，通過這種方式在一個時間段內通過統計翻轉次數實現計量，該類型由于是可動部件計量，故障率較高，且對油沫大和含蠟高的介質無法正常使用，在計量容器掛蠟后每次翻轉比原設計要少很多，在油沫多的工況下，由于油沫含量大，單位容積下原油質量小無法到達翻轉重量，其中的液體以油沫形式流走，造成無法計量。同時缺少氣液分離的過程，無法對氣體進行計量。這種計量方式誤差較大，并且浪費較大且易造成環境危害。

1.3 雙容積計量方式[2]

采用兩個計量罐，兩個計量罐內循環進液，當一個計量罐內滿液后，通過控制系統，將進液自動切換進入另一個計量罐，此時滿液計量罐的液體通過泵或者氣壓排空，此過程進行循環，通過一段時間內計量罐滿液排空次數，控制系統計算兩個計量罐排空總容積和排空次數乘積從而實現計量。對產量波動大或者介質粘度大的工況，由于計量罐內液體在排空過程中排出緩慢，此時另一個計量罐內已經滿液而原先計量罐還沒排空，會造成整個系統故障。由于故障頻繁且原油介質含量復雜，此計量方式的計量精度較差。

1.4 功圖計量方式[3]

依據油井采油泵各個參數與油井產液量之間的數學關系計算產量。通過對整個抽油裝置中采油部分的數據收集，主要為采油裝置功率、抽油桿抽程、壓力等數據，并根據生產實踐建立一個特定的數學模型來進行計算，從而得出單井的產量。隨著目前油井末期地質條件和工藝的變化，油品中其它成分含量變化劇烈，而且含氣量不穩定，壓力波動大，而數據模型無法及時更新，造成計量誤差偏差加劇，部分現場已經徹底失去計量精度造成系統癱瘓。

圖1 三相計量裝置工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of three-phase metering device

2 新型三相計量裝置的應用

針對傳統三相計量方式存在的問題，為更好解決油田末期采油作業中介質流量波動大甚至不連續、油水氣三相變化大等問題，通過產學研緊密結合，開發出新型油氣水三相計量裝置，并得到良好應用，大幅提高了油井生產管理水平。

2.1 新型三相計量系統簡介

充分考慮并結合目前油田采油工藝和地質情況，采用先進的分離和計量技術，在改進分離器提升分離效果的前提下，設計了介質測量和計量計算及控制系統，利用先進的測量儀表技術，通過使用高精度質量流量計、氣體超聲波流量計分別實現了液相油品和氣相介質的準確測量和精確計算。其基本原理如圖1 所示。

原油混合物在分離器內進行氣液分離，然后根據液位壓力等儀表讀取相應數據，在此基礎上通過自動化程序進行下一步的計量。計量采用方式為液體科氏質量流量計計量液態產液，氣體超聲波流量計計量分離出的氣體?？剖腺|量流量計同時作為一種高精度的密度測量儀器，在此基礎上，結合油水密度的差異，采用密度法計算出實時含水率，整個過程實現全自動化，而且對于間歇產液的工況也能夠準確計量，并可實現24h 不間斷計量。同時，在數據處理方面實現無線自動傳輸，進入油田現有的數據控制和生產管理系統，并對產量數據進行科學記錄和分析，能得到各類型產量變化情況，并且利用歷史數據，對不同氣液比的原油建立數據庫，形成原油氣液比曲線，運用大數據技術，采用先進的曲線自動識別智能技術，實時監控原油的油水氣三相狀況，依據三相變化可對采油工藝改進提出指導性的意見。

2.2 氣液分離系統的改進

根據不同的采油工況，在氣液分離方面可選用合適的氣液分離方式，傳統的旋流、碰撞分離方式，針對間斷型采油工藝，可使用新型的流態突變分離方式[4]，通過分離管徑的變化，實現氣液介質的速度差異，進而實現氣液分離，在氣液分離效果上達到98%以上。

2.3 新型三相計量系統性能提升

隨著質量流量計、超聲波流量計測量技術不斷發展，已廣泛用于原油三相計量。井口原油經分離后，液態采用質量流量計測量，氣態采用超聲波流量計測量，大幅提高了原油三相計量精度?？剖腺|量流量計采用DSP 技術，可以快速、準確地處理數據，該流量計無可動部件，適用于井口原油介質工況復雜的情形，不易卡堵；同時質量流量計還具備含水率測量功能，可實現一表雙功能，即流量計量和含水率測量，計量準確度可達0.1 級，進而實現油、水兩相的分別精確計量；超聲波流量計在計量單井氣量上有獨特優勢，量程比范圍廣，最高可達1:30，適合單井產氣量不穩定、變化大的工況，同時采用檢測超聲波信號計算流量，流量管內無可動部件和任何的阻礙件，量程比大、壓損小、流通能力強，使用壽命長。同時單井產氣通常含有部分的液體，而超聲波流量計具備濕氣計量的功能，計量準確度可達0.5 級，非常適合在單井上進行氣體的計量。這兩種流量計的使用，使得計量裝置在油田原油和伴生氣計量上的效果提升明顯，計量準確度和適應性均大大提升，滿足了油田三相計量的計量要求，并且計量控制系統的自動化和智能化可以較好滿足現在油田生產管理數字化建設的要求，系統開放、兼容，易接入油田管理系統。

技術指標均得到大幅提升，可以達到以下指標：

① 計量精度。液相相對誤差：≤0.5%；含水率相對誤差：≤3%；氣相相對誤差：≤1%。

② 測量范圍。液相測量范圍0m3/d ～5000m3/d ；氣相測量范圍：0m3/d ～9000m3/d ；含水率：0%～100%；含氣率0%～100%。

③ 介質流型：所有流型。

④ 液相粘度：≤5000mPa.s。

⑤ 壓損：≤0.1 Mpa。

⑥ 介質溫度：0℃～100℃。

⑦ 工作壓力： ≤6.3MPa。

⑧ 環境溫度： -40℃～+55℃。

⑨ 計算機數據處理。液、氣、水瞬時/累計流量顯示，控制系統、測量儀表實時狀態顯示、統計報表。

⑩ 通訊方式：MODBUS RS485。

3 使用效果

新型三相計量裝置井口安裝使用后，通過現場對計量裝置標定，實際計量準確度達到了技術指標的要求，并通過裝置自動上傳數據，根據不同油井不同時間段的產量波動變化，分別對注水量、抽油機的工作頻率進行調整，結合調整后的產量變化查找規律，找到最優化的注水量和抽油機工作狀態，對產量提高有顯著的作用，并減少了抽油機低效運行的時間，節能效果明顯，用電量大大降低，最終實現了增產節能的目的。新型三相計量系統的計量精度從以往的其他計量方式的5 級提升到1 級，通過控制注水量，每口井每天可節約注水1t ～10t，相應的電費也大大節約，可降低抽油機工作頻率，節約電量在5kW·h ～50kW·h。通過一次性投入可取得長久的經濟效益。

4 結束語

新型三相計量裝置測量精度較其他傳統計量方式有了明顯提高，并且故障率大幅降低。隨著生產管理要求不斷提高，對三相計量裝置的計量準確度要求也越來越高，新型測量裝置的計量準確度得到大幅提高，從而為后續的指導采油工藝改進打下堅實基礎。

三相計量裝置的推廣使用，增產節能效果顯著，是一項低投資、高經濟效益的技術性投入，解決了以往油田在井口、站內等計量中長期存在的問題，提高了油田生產管理的水平。