油田开发用水计量器具量值溯源的探讨

朱振国 (中石化河南油田分公司第一采油厂,河南桐柏474780)

张红霞,范 民 (中石化河南油田分公司第二采油厂,河南唐河473400)

魏立君 (河南石油勘探局水电厂,河南南阳4731 32)

随着油田逐步进入开采后期,油田增注开采成为油田开发的重要手段,油田开发用水计量管理也得到高度重视。在油田开发用水计量中,按计量对象主要分为污水计量、污水处理计量、新鲜用水计量。在计量环节上,主要有注水单井计量、脱水计量、污水转注计量、污水回收计量、外排水计量等环节。在计量方式上,基本上以流量计计量为主,以容积计量、超声波测试等手段作为辅助手段进行,按照计量对象可以分为总量计量和注水井计量[1,2]。由于油田开发注水计量环节繁多,计量方式复杂,计量器具数量多,给计量器具管理带来了极大的难度,尤其是在对这些计量器具如何进行量值溯源上存在较大的难度。河南油田某采油厂通过建立计量器具管理体系,按照测量设备的ABC管理,结合近年来在油田开发用水计量器具管理的经验,对油田开发用水计量器具量值溯源进行了探讨。

1 油田开发用水总量计量器具的校准

油田开发用水主要是指用于地下注水以及与之相关的工程用水。

目前用于油田开发用水总量计量点主要包括注水总量计量、经处理后的转注水和新鲜用水3个方面。油田开发用水用于注水总量计量和处理后的转注水这2块的流量计一般采用的是稳定性能和精确性能较好的电磁流量计。这些流量计的口径一般在DN80以上,数量不是很多。这类流量计具有口径大、安装拆卸较为困难、送至标准装置上进行检定 (校准)不易实现等缺点。由于这类流量计一般不属强制检定的计量器具,因此除一部分送检定机构进行检定外,大部分是使用单位自行校准。依据目前的技术手段,一般采取超声波校准的方法来开展。

用于新鲜用水计量的流量计一般归属为强制检定类计量器具。由于新鲜用水水质较好,计量点少,为了优化投资和送检方便,新鲜用水计量的流量计一般采用旋翼式流量计。这类流量计都送至得到授权项目的计量检定机构进行校准。

2 注水井计量器具校准存在的问题

油田开发用水总量计量器具量值溯源较为容易,但用于注水井计量的流量计量值溯源却较为困难。主要是注水井流量计数量多,且油田井站偏远、分散,使通过实验室标准装置进行校准比较困难,成为油田开发用水计量工作的瓶颈。为解决注水井流量计校准问题,河南油田某采油厂从2006年底通过利用超声波流量计、标准流量计、标准体积罐3种方式进行了注水井在线校准的探讨性试验,并在取得了一定的成果后,在油田开发用水计量中进行了推广应用。

3 注水井流量计实验室校准同现场存在的偏差

在油田注水井单井计量中,一般使用的是电磁式流量计、高压水表 (水平螺翼式流量计)、磁电式(卡门涡街)流量计。在开展在线校准前,一般采用离线式,在实验室内的标准装置上开展流量计的校准。

3.1 实验室校准能力满足不了现场实际要求

以某采油厂为例,该厂共有663口注水井,其中A类井为154口,B类井为238口,C类井为271口。按照A、B、C类分法,每口注水井上的流量计校准周期分别为1个月、2个月、3个月,其流量计年校准量为154×12+138×6+271×4=3760(台/a)。当发生井下与地面流量偏差较大情况下时,还需要进行流量计校准。因此,该厂流量计每年校准台数应在4000台次左右。而该厂流量计校准装置年校准能力只有1000台次左右,无法满足实际生产的需要,致使大量的注水井流量计无法得到校准,使很多注水井流量计在超差中运行。在2006年历时4个月的注水大调查中发现,该采油厂667口注水井流量计测量正误差高于5%的为157口,测量负误差高于5%的为39口,超差率为29.4%。

3.2 实验室条件与现场工作存在的偏差

在实验室内开展校准工作的介质为常温常压清水,而油田注水压力高、水温高、机杂多 (见表1),易造成使用中的注水井流量计测量误差大,稳定性差。而这些对流量计的准确性的误差也无法进行定性分析,一般只能忽略不计。

表1 实验室校准介质与现场介质指标

路况差、在运输上的颠簸会造成某些流量计测量性能发生变化。此外,注水井流量计现场人员在安装、调水过程中也会由于方法、操作不当造成流量计故障、误差的产生。

3.3 离线校准对注水井的影响

在流量计送校过程中,由于关井,造成注水井憋压,水井反吐现象存在,造成单井注水工作的被动。同时,由于流量计的拆装、运输,会造成人员劳动强度大,校准环节多,会产生一定的安全生产隐患及造成生产被动。

为了解决日益突出的注水流量计校准和使用存在的问题,以同时满足大量开展校准工作和确保注水流量计校准的准确性为目标,笔者进行了在线校准注水井流量计的一系列的试验工作。依据现有的技术条件,笔者用超声波流量计比对法、标准流量计比对法、标准体积罐比对法3种方法进行了注水井流量计在线校准的探讨。

4 超声波流量计比对法在线校准的探讨

4.1 工作原理

超声波流量计是当超声波在流动的介质中传播的时候,相对于固定的坐标系统而言 (如管道中的管壁),其声波的某些声学特性与静止介质中的声学特性是不同的,在其基础上又叠加上了流体的流速信息,因而根据超声波某些声学特性随流速的变化就可以求出介质的流速。

多普勒式超声波流量计依靠水中杂质的反射来测量水的流速[3],但是根据测量原理,被测介质中必须含有一定数量的散射体 (颗粒或气泡),否则仪表就不能正常工作,因此多普勒式超声波流量计主要是测量脏的介质。而时差法[4]主要用来测量洁净的流体流量,不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。

4.2 在线校准试验

在实验室标准装置上,对注水井流量计进行校准,同时将便携式超声波流量计安装在标准装置上对其进行校准,做到注水井流量计和便携式流量计的误差都控制在1%以内;然后将注水井流量计安装到注水井上,用便携式超声波流量计对注水井流量计进行在线校准。通过实验室比对和在线校准比对的比较来确定便携式超声波流量计对注水井流量计在线校准的准确性。

在对选择的14口井进行试验来看,多普勒式流量计误差在2%～5%之间的有42.9%,误差在5%～10%的有42.9%,高于10%的有14.3%。时差法流量计误差在2%～5%的有14.3%,5%～10%的有57.1%,高于10%的有28.6%。

从试验结果来看,多普勒式超声波流量计测试效果要好于时差法超声波流量计,但都不能完全满足注水井流量计的准确性,且2种流量计都出现测量不到流体流量的问题。

4.3 试验分析

由于目前油田注水多为污水处理回注,注水水质受污水处理的影响和其他因素的影响,有时流体介质是很稳定的,固体颗粒悬浮物一般会控制在10mg/L以内;但有时固体颗粒悬浮物会达到10～18mg/L,粒径也呈现不规律变化,气泡含量较多。因此,注入水介质是洁净介质和脏介质交替变化的介质,从而造成超声波流量测量的不稳定性。这是造成2种超声波流量计无法准确测量的根本原因。超声波流量计在测量管道上要求有15D的直管径,且要求无振动,无电磁辐射干扰。但在实际中,注水井管道结垢严重,腐蚀严重,造成管道内壁凹凸不平,影响声波的发射和接收,而很多注水井由于管线流程埋地,地面没有足够的直管段,造成超声波流量计探头无法夹持。

5 标准流量计在线校准的探讨

5.1 工作原理

标准流量计比对法是利用标准流量计与被检流量计串联在同一管径的管道上。在流动稳定的情况下,任何时刻流过2台表的质量流量是相等的 (见图1)。依据这一原理,在现场对流程改造,使之符合标准法校准要求。

图1 标准表法工作原理

5.2 在线校准试验

通过对某聚合物站进行了简单流程改造 (在工艺管线上加装了一台标准流量计,如图1所示),对注水井流量计进行在线校准。经过改造后的流程,安装1台标准流量计,利用注水做为校准介质对注水井流量计进行在线校准。同时将一台误差为0.5%标准流量计和一台测量误差为2.0%的工作流量计同时在实验室内进行校准合格后,安装到现场流程上,进行现场比对校准。在工作流量范围区间内连续测量多点,其工作流量计同标准流量计测量误差为1.7%,比对结果较为理想。

由于标准流量计和工作流量计在同一管径,同一介质下进行流量值比对,因此比对效果较好。但在现场改造的时候,附加流程应尽量远离振动点,并应有一定的安全防护距离。

6 标准体积罐比对法在线校准的探讨

6.1 工作原理

标准体积罐比对法是利用在流量计后连接一标准体积罐,在单位时间内通过被校准流量计的体积量与该单位时间内进入标准体积罐的体积量进行比对。根据经济性和可行性综合考虑,在现场进行大批量校准流量计的标准体积罐结构应尽可能简单,以提高标准器的使用寿命。基于这一原则,采用人工换水的方式来进行校准。

图2 注水井水表在线校准示意图

6.2 在线校准试验

通过采用直径为24.5mm的高压管线做为放空管线,采用500L标准体积罐作为标准器具组成图2的校准流程。规定2人进行一组操作,1人在注水井口开关放空阀门,记录注水井流量计的始、终流量,另1人在标准体积罐处进行标准体积罐的水流换向操作。在注水井工作流量范围内 (根据其注水井调配水量决定),在单位时间内充满一标准体积罐满液体,与该单位时间内工作流量计所计量进行比对,来确定工作流量计的测量误差,以保证流量计的校准。从安全的角度考虑,一般规定在进行在线校准时,瞬时流量不得大于6m3/h。

6.3 试验分析

在实验室内校准的测量误差为1.3%的流量计安装到注水井上后,用标准体积罐法进行比对,工作流量计误差在1.9%内,可以满足注水工作的计量要求。

7 结 语

1)在一些使用清水介质的地方 (如聚合物站),使用超声波流量计效果较好。在注入水水质较差的地方,使用多普勒式超声波流量计效果较好。但有时现场情况复杂,注水水质存在着不确定因素较多,变化较大,使流量计选型出现困难,一旦选择不好,直接影响超声波流量计的使用,从而造成校准单位、被校准单位对超声波流量的准确性提出质疑。因此,在油田注水井流量计在线校准中,使用超声波流量计作为现场校准的标准器具尚需时日。

2)校准流量计法具有劳动强度低,操作简便的特点,但目前计量站注水管网为高压管网,水井多为油井转注,故计量站内配水间狭小。从场地、工艺流程和安全的角度考虑,很多计量站的注水井无法实现改造。因此,该校准方法只适用于在个别站点进行,无法进行规模推广。

3)虽然标准体积罐比对法在线校准注水井流量计不确定度大,操作人员劳动强度较大,操作繁琐,但其操作方法较为直观,结果较为可靠,操作规范化可控性强。一般计量人员经过简单培训即可进行校准操作。而注水井流量计测量误差要求不是很高 (一般测量误差低于5%),一般不易受到工作场所和环境的限制,可以适合于绝大多数计量站、注聚站的注水井流量计在线校准工作。

[1]徐帮学.仪器仪表质量检验标准规范与安全性评价手册[M].西宁:青海人民出版社,2003.

[2]苗瑜.企业计量管理与监督 [M].北京.中国计量出版社,2005.

[3]李晓光,马净.多普勒超声波流量计基本原理及应用[J].可编程控制器与工厂自动化,2005,(3):115～116.

[4]李广峰,高勇.时差法超声波流量计的研究 [J].电测与仪表,2000,37(9):13～19.