质量流量计在线计量矿产原油含水率的含气影响及解决方法

赵维恭，龚争辉，张爱兴，蔡玲玲 （中石化胜利油田分公司孤岛采油厂，山东东营257231）

目前矿产原油的含水率在线检测是一个制约油气计量的瓶颈问题，特别是高含水率期油田对含水率的测量精度要求较为苛刻，以国产质量流量计为基础的含水率测量模式难以达到高精度要求［1，2］。

以 “油井多相连续分测装置”为例，它是在气液旋流分离和自力式液位控制的基础上，分别用流量仪表对液体和气体进行计量，其中液体计量采用质量流量计。该装置的优点是可做多参数测量，既能以质量计量的方式计量油井产液量，又能同时进行液体密度测量，并由此派生出测量总液的含水率。该装置近几年来在孤岛采油厂进行了一些试验性的应用，从使用效果来看该装置对液量含水率的在线计量与人工化验结果相差大 （一般在－2%），不能满足高含水率油井的原油计量。

针对该装置计量矿产原油含水率误差大的问题展开了专项研究。通过研究发现，影响质量流量计在线测量含水率准确度的根本原因是油水混合液 （介质）中所含的微量气体。为此，创新了质量流量计含水率测算方法，修正了含气影响，经验证明符合生产实际，在线含水率测量准确度优于0．1%，整体技术达到国内领先水平。

1 原装置含水率计量初期试验

1.1 试验地点的选择

孤岛油田属于后期开发的老油田，其显著特点是：高含水率、油稠、油密度大、油表面张力大、存在油包气现象、油气分离难度大，对含水率的测量精度要求较为苛刻。试验地点的选择应充分体现孤岛油田的这一显著特点，孤一油藏经营管理区注采103站中3-1北计量间就具备这样的特点，是一个较好的试验地点。该计量间开油井7口，日产液量554t，日产油量17t，综合含水率97%左右，纯油标准密度化验值为948．7kg／m3左右。

1.2 计量工艺流程

中3-1北计量间计量工艺流程如图1所示。在计量间汇管处安装油气分离装置及气、液计量仪表，分别对计量站总产液量、产气量进行24h连续计量，液量计量仪表选用质量流量计，从而可间接测量出综合含水率参数，并由此可获得油量参数。

1.3 原装置对含水率计量的不准确性分析

为验证计量系统对含水率计量的精度，采取人工化验含水率数据与计量含水率数据相对比的方法。现场录取6组84个样的对比数据，对比结果表明，每组中计量系统所测得的平均含水率比实验室化验的平均含水率低0．74%。但对于综合含水率为97%左右的中3-1北计量间产液来说，0．74%的综合含水率误差即约3．7t的油量误差，中3-1北计量间日产油量大约为17t，油量的输送误差为21．8%。由此可见，提高含水率的计量准确性就成为该装置能否得到广泛应用的技术关键。

图1 中3-1北计量间计量工艺流程

2 含水率间接测量数学模型

质量流量计通过测量液体密度来间接测量液体含水率。计量间7口井的总液，经过旋流分离器进行了气、液分离，但旋流分离器不可能100%地将气、液彻底分离，分离后的混合液 （介质）中含有部分气体，且这部分气体的体积含气率不是一个固定值，它随时间是一个动态的变化量。由此可见含气量动态计算就成为质量流量计在线测量混合液 （介质）含水率的关键问题。

2.1 含气混合液 （介质）的简化模型

中3-1北计量间的工况条件是：压力0．36MPa（表压），温度48℃，水密度988．93kg／m3，油密度931．80kg／m3，气体密度2．946kg／m3。

工况条件下，将油气水混合液 （介质）模型简化，不考虑溶解气，即假设所有气体都是游离气。油气水混合液 （介质）密度计算公式如下：

式中：ρL2为有气体影响情况下的混合液 （介质）密度，kg／m3；ρL1为不含气的纯液密度，kg／m3；ρg为气体密度，kg／m3；fg为油气水混合液 （介质）中体积含气率，1。

2.2 回归法估算总含气量

在工况条件下，质量流量计只能提供介质密度ρL2参数，而不可能提供纯液密度ρL1参数。利用基础试验数据以回归的方法建立起fg与ρL2之间的一元线性关系。

通过技术论证，以理论试验的方法建立起不同比例的油气水混合液 （介质）中有关fw（体积含水率）、fg、ρL1、ρL2之间关系的10组基础数据，建立回归方程式为：

式中：fge（xi）为含气量的回归估计值，1；xi＝f （ρL2）是与介质密度ρL2、油密度ρo、水密度ρw相关的量，1。

2.3 溶解气体积含气率估算及其稳定性依据

实际工况条件下，压力0．36MPa（表压）下部分气体必然会溶于油 （或水）中。于是总含气量就由2部分组成：溶解气和游离气。含气对油水混合液密度及含水率的影响主要来自油水混合液所携带的游离气，但工况条件下游离气体积含气率不是一个固定值，它随时间是一个动态的变化量，求解困难。

2．3．1 溶解气体积含气率抽样估算

取样化验得到20℃时无气影响的混合液质量含水率为ψw，20，根据质量守恒定律，ψw，20就等于工况条件下无气影响理想混合液的质量含水率ψw，根据混合液密度ρL1可求出实际游离气体积含气率fgd。计算公式如下：

式中：fgd为实际游离气体积含气率，1。

2．3．2 溶解气体积含气率在混合液 （介质）中是稳定值

首先压力对溶解气体积含气率有直接影响，但工况条件下压力稳定在0．36MPa左右，因此压力对溶解气体积含气率的影响基本上是恒定的。其次油水混合液作为溶剂对溶解气体积含气率有直接影响，天然气较易溶于油中，也可溶于水中，虽然天然气溶于水中的溶解能力比溶于油中的溶解能力小10倍左右，但在混合液含水率较高时，水溶解天然气的作用便不可忽略，在特定的含水率范围内，混合液（介质）中的溶解气体积含气率可视为一个相对稳定的值。

3 现场试验

总液中溶解气体积含气率测试试验共5次，溶解气体积含气率的相对稳定值为0．05%。将人工取样化验含水率与模型测量含水率的试验对比，数据如表1所示。模型测量含水率与化验含水率最大误差不超过0．09%，准确度比仪表原始测量含水率提高一个数量级，可满足高含水率原油的计量要求 （0．1%），达到了预期目标。

表1 3种含水率测量方法的数据对比表

4 结论

1）通过现场验证表明，工况条件下含水率测量值必须修正，以消除微量气体影响。

2）建立含水率间接测量数学模型，含水率的测量精度大幅度提高 （最大误差为0．09%），完全达到了高含水率期对含水率误差要控制在0．1%以内的测量要求。

［1］张琪 ．采油工程原理与设计 ［M］．东营：中国石油大学出版社，2006．

［2］李颖川 ．采油工程 ［M］．北京：石油工业出版社，2002．