通過分析勝利油田現(xiàn)有單井計(jì)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，基于傳統(tǒng)立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置測量原理，設(shè)計(jì)研制了一種價(jià)格低廉、穩(wěn)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(jì)。現(xiàn)場試驗(yàn)證明，該流量計(jì)適用于低產(chǎn)、波動(dòng)、間歇、低氣液比、稠油等各種類型的油井，液相計(jì)量誤差小于 ± 3% ，氣相計(jì)量誤差小于 ± 5% ，造價(jià)低于 2 萬元。該流量計(jì)計(jì)量性能優(yōu)良，在油田開發(fā)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

0.引言

為解決油井氣、液計(jì)量問題，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼研制了多種三相流量計(jì) ，如西安交大研制的文丘里管式三相流量計(jì)。但這些三相流量計(jì)，均存在適應(yīng)性差等缺陷。示功圖油井遠(yuǎn)程計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對游梁式抽油機(jī)油井產(chǎn)液量的計(jì)量，但該系統(tǒng)受電機(jī)功率因數(shù)等不確定因素的影響，存在誤差大等計(jì)量缺陷，且無法解決電潛泵、螺桿泵油井的液量和氣量計(jì)量問題。

通過對各計(jì)量方式的現(xiàn)場應(yīng)用和對比測試，認(rèn)為計(jì)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(jì)進(jìn)行計(jì)量。因此，深入分析研究立式分離器玻璃管液位計(jì)的工作原理，研發(fā)穩(wěn)定可靠、價(jià)格低廉、能直接安裝在井口的氣液流量計(jì)，對油田的開發(fā)和數(shù)字化建設(shè)具有重要意義 。

1.立式分離器玻璃管液位計(jì)的工作原理

立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置已成功應(yīng)用于油田 50 余年。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，90% 以上的油井計(jì)量站仍沿用立式分離器玻璃管液位計(jì)完成油井的量液和測氣工序。

立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置的工作原理是: 井排來液，然后來液通過計(jì)量間的閥組進(jìn)入分離器?；旌狭黧w在分離傘的作用下，液體中的氣體被分離出來，此時(shí)若打開閥門 F1 ，分離器中的液位會(huì)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(nèi)水的液位上升，讀取玻璃管液位從刻度 1 到刻度 2的時(shí)間 t1 。當(dāng)玻璃管液位上升到刻度 2 時(shí)，關(guān)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(nèi)的液位也會(huì)隨之下降，讀取玻璃管液位計(jì)從刻度 2 到刻度 1 的時(shí)間 t2 。利用相關(guān)計(jì)算公式，即可得到油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量，實(shí)現(xiàn)油井的氣液兩相計(jì)量 。

根據(jù)流體虹吸原理，分離器液體產(chǎn)生的壓力等于玻璃管水柱的壓力 ，則:

式中: P1 為分離器內(nèi)的工作壓力; α 為含水率修正系數(shù)。當(dāng)含水率為 90% 時(shí)，α 約為 0． 99; 當(dāng)含水率為 80% 時(shí)，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(shí)間，即可測量出油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量。

立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置通常使用的立式分離器直徑為 800 mm，高為 2 000 mm。分離器內(nèi)部用作計(jì)量的容積腔可以看作是一定直徑的圓筒，從結(jié)構(gòu)上看，分離器內(nèi)部在測量過程中無任何可傳動(dòng)部件，與質(zhì)量流量計(jì)或刮板流量計(jì)相比，其計(jì)量性能不受油井流體中雜質(zhì)的影響。另外，盡管分離器存在結(jié)蠟和結(jié)垢現(xiàn)象，可能使計(jì)量段容積變小，但在一段時(shí)間內(nèi)計(jì)量段容積變化量較小，因此立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置的計(jì)量穩(wěn)定性高、故障率低，無需經(jīng)常進(jìn)行周期校準(zhǔn)。玻璃管液位計(jì)作為計(jì)量裝置的顯示部件，其工作穩(wěn)定可靠、故障率極低。

立式分離器玻璃管液位計(jì)憑借其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，在油田油井計(jì)量中始終處于經(jīng)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(jì)量的主要裝置。

但立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置存在低伴生氣油井量液測氣困難、間歇波動(dòng)油井計(jì)量誤差較大的技術(shù)缺陷，同時(shí)該計(jì)量方法需要人工操作，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)量。另外，立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置屬于壓力容器，不適合安裝在油井現(xiàn)場，且單套造價(jià)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(jì)并不現(xiàn)實(shí)。

2.管式油井氣液兩相流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理

針對立式分離器玻璃管液位計(jì)在生產(chǎn)使用中存在的不足，勝利油田技術(shù)檢測中心在立式分離器玻璃管液位計(jì)工作原理的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了不受油井產(chǎn)能波動(dòng)、能夠連續(xù)計(jì)量的管式油井氣液兩相流量計(jì)。經(jīng)過近兩年的現(xiàn)場應(yīng)用，其計(jì)量準(zhǔn)確性、工作穩(wěn)定性均達(dá)到了油田的生產(chǎn)要求，以良好的計(jì)量性能得到了采油廠的認(rèn)可。

2． 1 管式油井氣液兩相流量計(jì)工作原理

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

油井井口來液( 含氣) 進(jìn)入管式氣液兩相流量計(jì)，當(dāng)三通閥 F1 處于左通右關(guān)、F2 處于左關(guān)右開的狀態(tài)時(shí)，井口來液首先導(dǎo)入測量管 A，隨著油井產(chǎn)出的液體不斷流進(jìn)測量管 A，測量管 A 中的液位會(huì)不斷上升，分離出的氣體從測量管 A 的上部進(jìn)入測量管 B，促使測量管 B 中的液體排出。當(dāng)測量管 A 中液體質(zhì)量達(dá)到設(shè)定質(zhì)量時(shí)，三通閥 F1 、F2 同時(shí)換向，井口來液則導(dǎo)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(jìn)入測量管 A，促使測量管 A 中的液體排出，完成一個(gè)循環(huán)。

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(jì)算出油井的液體流量和氣體流量。

根據(jù)液柱壓強(qiáng)的定義:

從式( 8) 和式( 13) 可以看出，油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量只與 A、B 管液柱差壓有關(guān)，只要準(zhǔn)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(jì)的加工制造

綜合考慮油井的產(chǎn)液量、流量計(jì)的準(zhǔn)確度 ( 計(jì)量誤差) 和電動(dòng)三通閥的換向頻次，可計(jì)算出 A、B 管段的設(shè)計(jì)高度和差壓傳感器兩個(gè)引壓點(diǎn)的位置。

勝利油田分為抽油機(jī)油井、電潛泵油井、螺桿泵油井，一般抽油機(jī)油井的產(chǎn)液量在 100 t /d 以下，電潛泵和螺桿泵油井的產(chǎn)液量則高達(dá) 400 t /d。對于中低產(chǎn)油井，選用的油井氣液兩相流量計(jì)是雙管; 對于高產(chǎn)油井，考慮到電動(dòng)三通閥換向過于頻繁且對于計(jì)量準(zhǔn)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(shí)間，選用的油井氣液兩相流量計(jì)是四管的。四管的油井氣液兩相流量計(jì)，每兩個(gè)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(jì)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

管式油井氣液兩相流量計(jì)主要通過控制兩個(gè)電動(dòng)三通閥，實(shí)現(xiàn) A、B 兩測量管段交替進(jìn)液和排液的過程。通過采集管段上下兩點(diǎn)的差壓，計(jì)算油井的液相流量和氣相流量。流量計(jì)顯示器不僅動(dòng)態(tài)顯示液相瞬時(shí)流量和累積流量，同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示氣相瞬時(shí)流量和累積流量。

管式油井氣液兩相流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 。

設(shè)計(jì)的管式油井氣液兩相流量計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)具有如下功能:

①實(shí)時(shí)監(jiān)測井口溫度、壓力等參數(shù);

②準(zhǔn)確計(jì)量氣 － 液兩相瞬時(shí)流量、累計(jì)流量;

③設(shè)備故障自診斷報(bào)警;

④歷史數(shù)據(jù)曲線成圖及存儲(chǔ)輸出;

⑤計(jì)量數(shù)據(jù)無線傳輸;

⑥生產(chǎn)過程監(jiān)測報(bào)警。

管式油井氣液兩相流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)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(jì)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(hào)可通過 GPＲS 遠(yuǎn)距離傳輸。

3.管式油井氣液兩相流量計(jì)的現(xiàn)場應(yīng)用

管式油井氣液兩相流量計(jì)樣機(jī)經(jīng)過不斷完善和改進(jìn)，克服了礦化水腐蝕、結(jié)垢和原油凝蠟等現(xiàn)場因素的影響，具備了現(xiàn)場應(yīng)用的能力。管式油井氣液兩相流量計(jì)經(jīng)過在不同油井( 產(chǎn)液量、氣液比、稠油稀油) 一年多的使用，其計(jì)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和故障率均得到了充分驗(yàn)證。

3． 1 現(xiàn)場應(yīng)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(chǎn)油井、低產(chǎn)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(jì)量站為中心、多口油井匯集到計(jì)量站的模式 ( 偏遠(yuǎn)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(jì)，通過人工操作完成每口油井的氣液計(jì)量，再輸送到接轉(zhuǎn)站和聯(lián)合站。

3． 2 現(xiàn)場安裝

將管式油井氣液流量計(jì)直接安裝在油井井口，油井采出液( 含氣) 從井口流出，經(jīng)過管式流量計(jì)進(jìn)入計(jì)量站。因此，立式分離器玻璃管液位計(jì)和管式流量計(jì)形成了封閉的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以通過比對，評(píng)價(jià)管式油井氣液兩相流量計(jì)的準(zhǔn)確性。

3． 3 現(xiàn)場對比測試及數(shù)據(jù)分析

將立式分離器玻璃管液位計(jì)油井計(jì)量裝置作為對比標(biāo)準(zhǔn)，通過比對管式油井氣液兩相流量計(jì)與其之間的差值，來評(píng)定管式油井氣液兩相流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。

試驗(yàn)方法為: 現(xiàn)場選取原油黏度范圍為 14． 8 ～ 137. 2 mPa·s，氣液比范圍為 0． 38 ～ 22． 3 的具有代表性的 8 口單井進(jìn)行試驗(yàn)比對。比對方法是: 先用立式分離器玻璃管液位計(jì)對油井來液進(jìn)行三次連續(xù)液量、氣量計(jì)量，取三次的平均值作為油井當(dāng)日的產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量 x。在此測試期間，管式油井氣液兩相流量計(jì)顯示的油井日產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量作為測量值 x。按照誤差定義，測量誤差為：

3． 4 結(jié)果分析

通過油井 T61 － X708 、T61 － X202 對比數(shù)據(jù)可以看出，液量試驗(yàn)誤差***大為 2． 67% ，氣量試驗(yàn)相對誤差值***大為 － 3． 21% 。

對其他 6 口油井同樣進(jìn)行了對比測試( 由于數(shù)據(jù)較多未一一列出 ) 。在所有測試對比數(shù)據(jù)中，有98． 2% 的測試數(shù)據(jù)點(diǎn)液量相對誤差在 ± 3% 以內(nèi)、氣量試驗(yàn)相對誤差均在 ± 5% 以內(nèi)，說明管式油井氣液兩相流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)到了液相計(jì)量誤差小于 ± 3% 、氣相計(jì)量誤差小于 ± 5% 的水平

4.結(jié)束語

管式油井氣液兩相流量計(jì)具有計(jì)量準(zhǔn)確可靠、適用性強(qiáng)、安裝方便、價(jià)格低廉( 單臺(tái)造價(jià) 2 萬元) 的優(yōu)點(diǎn)。該管式油井氣液兩相流量計(jì)自應(yīng)用到油田生產(chǎn)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(píng)。該流量計(jì)很好地解決了油田油井氣液自動(dòng)化計(jì)量的難題，對促進(jìn)油田的開發(fā)和數(shù)字化建設(shè)具有十分重要的意義，有著廣闊的應(yīng)用前景。