油水气三相计量装置在油田的应用

刘 旸

（中国石化集团有限公司 物资装备部，北京 100728）

0 引言

油井产量是油田开发的重要数据，是油田企业生产管理的基础，是地质分析和采油工艺的重要数据基础，基于三相计量的结果可以对井下地质情况进行分析，对采用的采油工艺是否合适做出判断，为优化采油工艺提供数据支撑。对于提高原油产液量、降低投资、节约成本具有重要的意义。

随着国内油田大部分油井进入开采末期，采油工艺上注水、注气、注聚等技术的应用，产出液气油比变化也越来越大，对油田各个部门来说，能够准确计量油井的油、气、水三相的产量，可以准确掌握油井的开发动态，可以准确判断油井和底层的变化，从而采取合理的工艺措施，达到增产节能的目的。

1 油田采油三相计量的现状和存在的问题

1.1 人工计量方式

传统采油三相计量最初采用分离器人工计量，特点是原理简单，投资少，通过人工定时倒流程，对分离器内液位的记录从而推算产量。但随着人工成本的增加和自动化水平要求的提高，再加上人工计量对人员技术水平要求高，而且计量为间断取样计量，总体计量准确度差，这种方式已经基本淘汰。

1.2 称重计量方式

又称翻斗计量[1]，采用重力式原理进行计量，液体进入计量容器内，在达到一定重量时容器失去重心自动翻转，实现一个计量过程，容器复位后进入下一个计量周期，通过这种方式在一个时间段内通过统计翻转次数实现计量，该类型由于是可动部件计量，故障率较高，且对油沫大和含蜡高的介质无法正常使用，在计量容器挂蜡后每次翻转比原设计要少很多，在油沫多的工况下，由于油沫含量大，单位容积下原油质量小无法到达翻转重量，其中的液体以油沫形式流走，造成无法计量。同时缺少气液分离的过程，无法对气体进行计量。这种计量方式误差较大，并且浪费较大且易造成环境危害。

1.3 双容积计量方式[2]

采用两个计量罐，两个计量罐内循环进液，当一个计量罐内满液后，通过控制系统，将进液自动切换进入另一个计量罐，此时满液计量罐的液体通过泵或者气压排空，此过程进行循环，通过一段时间内计量罐满液排空次数，控制系统计算两个计量罐排空总容积和排空次数乘积从而实现计量。对产量波动大或者介质粘度大的工况，由于计量罐内液体在排空过程中排出缓慢，此时另一个计量罐内已经满液而原先计量罐还没排空，会造成整个系统故障。由于故障频繁且原油介质含量复杂，此计量方式的计量精度较差。

1.4 功图计量方式[3]

依据油井采油泵各个参数与油井产液量之间的数学关系计算产量。通过对整个抽油装置中采油部分的数据收集，主要为采油装置功率、抽油杆抽程、压力等数据，并根据生产实践建立一个特定的数学模型来进行计算，从而得出单井的产量。随着目前油井末期地质条件和工艺的变化，油品中其它成分含量变化剧烈，而且含气量不稳定，压力波动大，而数据模型无法及时更新，造成计量误差偏差加剧，部分现场已经彻底失去计量精度造成系统瘫痪。

图1 三相计量装置工作原理图Fig.1 Working principle diagram of three-phase metering device

2 新型三相计量装置的应用

针对传统三相计量方式存在的问题，为更好解决油田末期采油作业中介质流量波动大甚至不连续、油水气三相变化大等问题，通过产学研紧密结合，开发出新型油气水三相计量装置，并得到良好应用，大幅提高了油井生产管理水平。

2.1 新型三相计量系统简介

充分考虑并结合目前油田采油工艺和地质情况，采用先进的分离和计量技术，在改进分离器提升分离效果的前提下，设计了介质测量和计量计算及控制系统，利用先进的测量仪表技术，通过使用高精度质量流量计、气体超声波流量计分别实现了液相油品和气相介质的准确测量和精确计算。其基本原理如图1 所示。

原油混合物在分离器内进行气液分离，然后根据液位压力等仪表读取相应数据，在此基础上通过自动化程序进行下一步的计量。计量采用方式为液体科氏质量流量计计量液态产液，气体超声波流量计计量分离出的气体。科氏质量流量计同时作为一种高精度的密度测量仪器，在此基础上，结合油水密度的差异，采用密度法计算出实时含水率，整个过程实现全自动化，而且对于间歇产液的工况也能够准确计量，并可实现24h 不间断计量。同时，在数据处理方面实现无线自动传输，进入油田现有的数据控制和生产管理系统，并对产量数据进行科学记录和分析，能得到各类型产量变化情况，并且利用历史数据，对不同气液比的原油建立数据库，形成原油气液比曲线，运用大数据技术，采用先进的曲线自动识别智能技术，实时监控原油的油水气三相状况，依据三相变化可对采油工艺改进提出指导性的意见。

2.2 气液分离系统的改进

根据不同的采油工况，在气液分离方面可选用合适的气液分离方式，传统的旋流、碰撞分离方式，针对间断型采油工艺，可使用新型的流态突变分离方式[4]，通过分离管径的变化，实现气液介质的速度差异，进而实现气液分离，在气液分离效果上达到98%以上。

2.3 新型三相计量系统性能提升

随着质量流量计、超声波流量计测量技术不断发展，已广泛用于原油三相计量。井口原油经分离后，液态采用质量流量计测量，气态采用超声波流量计测量，大幅提高了原油三相计量精度。科氏质量流量计采用DSP 技术，可以快速、准确地处理数据，该流量计无可动部件，适用于井口原油介质工况复杂的情形，不易卡堵；同时质量流量计还具备含水率测量功能，可实现一表双功能，即流量计量和含水率测量，计量准确度可达0.1 级，进而实现油、水两相的分别精确计量；超声波流量计在计量单井气量上有独特优势，量程比范围广，最高可达1:30，适合单井产气量不稳定、变化大的工况，同时采用检测超声波信号计算流量，流量管内无可动部件和任何的阻碍件，量程比大、压损小、流通能力强，使用寿命长。同时单井产气通常含有部分的液体，而超声波流量计具备湿气计量的功能，计量准确度可达0.5 级，非常适合在单井上进行气体的计量。这两种流量计的使用，使得计量装置在油田原油和伴生气计量上的效果提升明显，计量准确度和适应性均大大提升，满足了油田三相计量的计量要求，并且计量控制系统的自动化和智能化可以较好满足现在油田生产管理数字化建设的要求，系统开放、兼容，易接入油田管理系统。

技术指标均得到大幅提升，可以达到以下指标：

① 计量精度。液相相对误差：≤0.5%；含水率相对误差：≤3%；气相相对误差：≤1%。

② 测量范围。液相测量范围0m3/d ～5000m3/d ；气相测量范围：0m3/d ～9000m3/d ；含水率：0%～100%；含气率0%～100%。

③ 介质流型：所有流型。

④ 液相粘度：≤5000mPa.s。

⑤ 压损：≤0.1 Mpa。

⑥ 介质温度：0℃～100℃。

⑦ 工作压力： ≤6.3MPa。

⑧ 环境温度： -40℃～+55℃。

⑨ 计算机数据处理。液、气、水瞬时/累计流量显示，控制系统、测量仪表实时状态显示、统计报表。

⑩ 通讯方式：MODBUS RS485。

3 使用效果

新型三相计量装置井口安装使用后，通过现场对计量装置标定，实际计量准确度达到了技术指标的要求，并通过装置自动上传数据，根据不同油井不同时间段的产量波动变化，分别对注水量、抽油机的工作频率进行调整，结合调整后的产量变化查找规律，找到最优化的注水量和抽油机工作状态，对产量提高有显著的作用，并减少了抽油机低效运行的时间，节能效果明显，用电量大大降低，最终实现了增产节能的目的。新型三相计量系统的计量精度从以往的其他计量方式的5 级提升到1 级，通过控制注水量，每口井每天可节约注水1t ～10t，相应的电费也大大节约，可降低抽油机工作频率，节约电量在5kW·h ～50kW·h。通过一次性投入可取得长久的经济效益。

4 结束语

新型三相计量装置测量精度较其他传统计量方式有了明显提高，并且故障率大幅降低。随着生产管理要求不断提高，对三相计量装置的计量准确度要求也越来越高，新型测量装置的计量准确度得到大幅提高，从而为后续的指导采油工艺改进打下坚实基础。

三相计量装置的推广使用，增产节能效果显著，是一项低投资、高经济效益的技术性投入，解决了以往油田在井口、站内等计量中长期存在的问题，提高了油田生产管理的水平。