油井液量含水自动测量新技术的应用

鄢雨 石彦 冯小刚 蒋轩宇 张绍鹏

中国石油新疆油田分公司准东采油厂

油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况、制定生产方案具有重要的指导意义。随着油田的开发和现代工业技术的发展，油井计量技术和设备仪表也在不断地更新改进。目前,国内油田集输大多采用“油井-计量接转站-联合处理站”的二级布站模式，所以油井计量仍以计量站轮井计量为主，存在着集输流程长、建设成本高等诸多问题。在单井在线计量技术上，只有针对抽油机井的功图法计量技术得到了广泛的应用，也在长庆油田、胜利油田等得到较成熟的应用[1-6]。近年来，螺杆泵采油和无杆泵采油方式由于其安全性好、维护工作量小等优点，逐渐代替传统抽油机在各油田开始规模应用，但还没有与之相配套的单井在线计量技术。为此，针对油井产液量计量，对比分析了目前使用较成熟的容积法计量、质量流量计计量、功图法计量、差压法计量和称重法计量等技术(见表1)[7-12]；对于油井含水率在线测量，对比分析了密度法、电磁电导法、电容法、射线法和微波法等技术(见表2)。确定称重法和微波法为研究方向，据此自主研发了一种液量含水自动计量撬，能实现油井产液量、产油量、含水率等数据的连续在线计量。

表1 常见液量计量技术对比计量技术优缺点容积法用于稀油计量,需依托计量站,不适用于单井质量流量计测量介质广泛,在充分脱气的情况下准确度较高,但成本较高,须依托计量站,不适用于单井功图法适用于抽油机井,不适用于无杆泵采油计量差压法价格便宜,不适用于液量和压差较小的井称重法技术成熟,测量介质范围广;气体对测量准确度影响小;直接计量得到产液质量,减少换算工作

表2 常见含水测量技术对比测量技术优缺点密度法易受含砂、含气等情况影响,适用油水两相模型测量电磁电导法不适用于低含水期和特高含水期的测量电容法易受温度影响,引起温度漂移,测量范围小,不适用于我国油井产出液含水较高的现状射线法准确度高,但存在放射性安全问题微波法准确度较高,不接触流体,不会对流程产生干扰,测量范围广

1 液量含水自动计量撬的研制

1.1 计量撬组成

液量含水自动计量撬由称重计量系统、含水测量系统、动力排液系统、测量控制系统及数据运算系统组成(见图1)。

1.1.1称重计量系统

称重计量系统包括称重缸体、称重传感器等部件。3个称重传感器分别置于撬装装置底部，呈三角形布局，其主要功能为实时地对计量撬包括其中的产出液进行称重，称重数据参与计量结果的计算。称重传感器的测量范围为：0～1 500 kg，最小分辨力为0.1 kg，最大允许误差为0.3%。

称重缸体为计量撬储液空间，油井产出液通过进液口进入称重缸体内称重计量后，再由出液口排出进入集输系统。计量撬可实现带压测量，适用于0～2.5 MPa的压力范围，满足国内各油田单井测量需求。对于不同产量油井的称重计量需要选用不同型号尺寸的称重缸体。

1.1.2含水测量系统

采用微波法含水仪实现原油含水率的在线测量，其原理是根据微波在油气水三相中传播速度的不同来测定含水率。仪器内部使用光滑材料镀层，减少探头粘附原油。能同时采集瞬时含水率、1 min平均含水率、1 h平均含水率等，计算平均含水率时首先舍弃异常突变值，剩余数据再采用正态分布的方式参与计算，使得结果更稳定。

1.1.3动力排液系统

系统由活塞、支撑套筒、支撑座、减速箱、伺服电机等组成，伺服电机提供动力，通过丝杆带动活塞往复运动的方式解决称重缸体内的排液问题。在称重缸体内进液达到设定值后，活塞开始运动，将称重缸体内产出液排出，以便进行下一次称重计量。通过外力排液的方式，解决了传统翻斗式称重装置对气量小的油井无法排液的问题，使得该装置不受油井气量的影响。

1.1.4测量控制系统

测量控制柜RTU单元为该系统核心，能实时采集远传计量撬各项运行参数，具备压力、运行电流等参数报警及紧急停止保护功能，并可实现远程启停、参数设置，保证计量撬正常运行，参数控制界面见图2。

1.1.5数据运算系统

编制了一套科学的程序计算方法，采用软件对数据进行处理运算后，输出日产液量、日产油量、日综合含水率等结果，并对接油井生产日报系统，实现各项数据的实时采集、计算与输出。计算日综合含水率时将油井阶段产液量和对应阶段的含水率结合起来，使得结果更接近油井实际值(见图3)。

图3中油井产液日综合含水率计算见式(1):

=37.4%

(1)

式中：f为日综合含水率，%。

若采用简单的算术平均算法，其计算结果为50%，而采用式(1)计算得到的油井日综合含水率为37.4%，更真实可靠。

1.2 计量撬原理

计量撬采用称重的方式实现对油井液量的计量，称重传感器进行实时在线称重，并记录称重数据。当液体经过进液口进入称重缸体时，此时记录一个称重初始值W1和初始时间T1，当称重缸体内进液量达到设定值后，再记录一个称重结束值W2和结束时间T2，油井产量可由称重结束值和初始值的差值与对应的进液时间差计算得到。当称重缸体内进液量达到设定值后，由伺服电机控制活塞运动进行称重缸体的排液，排液完成后再继续下一次的计量。油井伴生气通过上部单流阀进入集输管线，保证缸体内不会憋压。

产液量q可由W1、W2、T1、T2计算得到，见式(2)：

(2)

式中：W1、W2为称重缸体初始质量和排液质量，kg；T1、T2为称重缸体初始质量和排液质量所对应的时间，s；q为计量撬单次计量产液量，t/d。

根据油井的实际情况，可制定出适合需求的计量模式，设置计量撬每天计量次数，每次计量会得到一个产液量q值，日产液量Q液可由多次计量q值加权计算得出，见式(3)：

(3)

式中：w1、w2、wn分别为第1次、第2次、第n次计量进液时间内质量增加值，kg；t1、t2、tn分别为第1次、第2次、第n次计量对应的进液时间，s；q1、q2、qn为第1次、第2次、第n次计量产液量，kg/s；Q液为油井日产液量，t/d。

油井日综合含水率计算见式(4)：

(4)

式中：q1、q2、qn分别为第1次、第2次、第n次计量液量，t/d；f1、f2、fn分别为第1次、第2次、第n次计量对应含水率，%；f日为油井日综合含水率，%。

油井日产油量计算见式(5)：

Q油=Q液×(1-f日)

(5)

式中：Q油为油井日产油量，t/d；Q液为油井日产液量，t/d；f日为油井日综合含水率，%。

1.3 技术优势

(1) 撬装化，连接简单，安装方便，尺寸小，仅为1.8 m×0.8 m×0.8 m。

(2) 数据传输方便，支持通用采集协议标准，包括modbus、RS485、以太网，操作人员在中控室实现远程控制。

(3) 自动化程度高，可以实现日产液量、日产油量、日综合含水率的24 h自动连续计量。

(4) 计量范围广，可以根据油井产量选择不同量程范围的计量撬。

(5) 适用油品范围广，无论是稀油、稠油、页岩油，均能实现准确快捷的计量。

2 现场应用

根据方案设计，研制形成了工业化产品，在经过严格的室内实验后，计量撬能实现液量、含水率的在线检测，且测量准确度较高。同时,也针对不同区块油井开展了现场试验，验证了计量撬在不同原油黏度、不同含蜡量、不同产液量、不同气油比等条件下的测量准确度和运行可靠性。

现场应用时，液量含水自动计量撬安装在单井井口回压阀门之后。计量撬每往复运行1次，计算得到1次产量数据。标定时，将计量撬出口管线接入标定桶内，采用经过校验的电子秤用直接称重的方式对计量撬排入至标定桶的油水介质进行称重，并将此称重值折算成日产量数据与计量撬计算得到的数据进行对比分析。将微波法测量值与实验室蒸馏法、离心法进行对比分析，验证含水率测量误差。目前，已进行了现场20口井的试验应用(见图4)。其中，2口无杆泵采油井数据对比情况见表3、表4。

经过现场试验数据分析对比，计量撬液量计量误差达到±10%以内，含水率测量误差达到±5%以内，满足Q/SY 06002.2-2016《油气田地面工程油气集输处理工艺设计规范》的要求。 同时，计量撬在-40～60 ℃的环境温度下运行可靠、性能稳定，长期运行也能保证测量准确度。

3 效益分析

液量含水自动计量撬的成功应用实现了油井的在线计量，且对于螺杆泵、无杆泵采油方式都能很好地应用。实现单井在线计量及数据自动远传后，可取消油田集输流程中的计量站环节，缩短油田集输管线，降低地面建设费用，同时也可以降低生产运行成本。以准东油田北10区块无杆泵采油示范区为例，按照56口井计算。若按传统计量站模式建设，须建设5座计量站才能满足集输计量需求。且单井在线计量方案相比于计量站方案会节约20%左右的集输管线，还可大幅度降低生产运行成本(主要是人工巡井成本)。总体来讲，实现单井在线计量将节约地面建设费用28.4万元，节约运行成本168万元/年(见表5)。

表3 北408井计量数据序号日产液量日综合含水率日产油量计量值/(t·d-1) 标定值/(t·d-1) 差值/%测量值/%标定值/%差值/%计量值/(t·d-1)标定值/(t·d-1)差值/% 14.494.54-1.11.93.2-1.34.404.390.225.015.12-2.12.32.7-0.44.894.98-1.734.624.88-5.31.92.9-1.04.534.74-4.444.924.763.42.14.5-2.44.824.556.054.264.35-2.12.23.5-1.34.174.20-0.765.104.5911.12.13.2-1.14.994.4412.474.684.464.92.33.8-1.54.574.296.684.814.506.92.14.3-2.24.714.319.3平均值4.744.651.92.13.5-1.44.644.493.4

表4 ST2369井计量数据序号日产液量日综合含水率日产油量计量值/(t·d-1)标定值/(t·d-1)差值/%测量值/%标定值/%差值/%计量值/(t·d-1)标定值/(t·d-1)差值/%13.603.532.036.228.08.22.302.54-9.6 23.994.10-2.734.327.17.22.622.99-12.3 34.113.963.836.535.21.32.612.571.7 43.823.751.935.025.79.32.482.79-10.9 54.134.21-1.937.741.0-3.32.572.483.6 63.783.663.336.136.00.12.422.343.1 72.983.26-8.637.238.0-0.81.872.02-7.4 82.773.01-8.036.936.50.41.751.91-8.6 平均值3.653.69-1.136.233.42.82.332.46-5.2

表5 经济效益分析类别项目单位传统计量站方案单井在线计量方案地面建设费用计量站建设万元4000集输管线敷设万元588470.4征地万元255.8185单井在线计量万元0560合计万元1 243.81 215.4生产运行成本含人工巡井、化验、油耗等万元/年21042

4 结论

(1) 通过对现有计量技术的研究分析，筛选出适合螺杆泵、无杆泵采油井单井计量的计量技术。

(2) 研制出液量含水自动计量撬，测量准确度高，满足规范要求。

(3) 液量含水自动计量撬采用称重的方式实现产量计量，体积小，计量不受气体影响，适用范围广泛。

(4) 液量含水自动计量撬解决了针对螺杆泵、无杆泵等采油方式无有效单井在线计量方法的难题，填补了技术空白。

(5) 实现单井在线计量、数据自动远传，能简化油田集输工艺，减少现场员工巡井工作量，降低地面建设费用和生产运行成本。