低產油井新型計量裝置技術研究

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低產油井新型計量裝置技術研究

油井計量現狀與存在問題高含水期油井計量的特點國外油井計量狀新型油井計量裝置的研制與試驗對小斷塊油田低產低氣油井計量的設想

顧克江 任福妹
江蘇石油勘探局
(揚州 225009)

摘 要 低產油井的計量技術已研究多年,但始終未從根本上解決問題。試圖從分離器的結構上進行改造,從而進一步改進工藝流程,達到提高油井計量準確度的要求。同時參照國外油井計量的先進技術,通過改造傳統的計量流程,以達到提高油田計量技術的目的。
主題詞 油井計量 分離器 計量工藝 計量裝置
Abstract Technical studies on the measurement of stripper wells have been made for many years, but the problems have not been solved completely. This study is aimed at transforming the structure of the separator to further improve technological process and increase accuracy of measurement. Traditional process of measurement should also be innovated by applying advanced techniques of measurement abroad.
Subject Headings Well measurement, Separator, Measurement process, Measurement mechanism


隨著老油田進入高含水期,油井計量的難度越來越大。再加之生產的發展及經營管理的需要,對油田計量技術的要求也在提高。因此,認真解決油田井口計量問題,提高目前井口計量精度和管理水平,已成為油田生產中亟待解決的一個重要課題。

油井計量現狀與存在問題


目前,油田油井計量基本上采用的是立式兩相分離器作氣液分離,用玻璃管量油,人工取樣化驗含水率,雙波紋管差壓計測氣,這種計量方式在高含水期主要存在以下問題。

1 兩相分離器玻璃管量油,計量時間短,誤差大

玻璃管量油的優點是操作簡單,維修方便,經久耐用,在低含水期尚能滿足生產要求,進入高含水期后,液量有所增加,量油時間也只有1~2min,甚至更短。在如此短的時間內計量24h的產量,造成的誤差就較大,相對誤差約大于10%。

2 人工測定原油含水率,誤差大


要準確測量油井的產油量,就必須準確測出原油平均含水率。目前由于人工取樣的代表性與具體操作者的技能因素有很大關系,幾次的平均差值高達20%~30%,這就難以量準單井的產油量與產水量。

3 氣產量計量大多未運行

井口氣產量的計量,雖然配置了孔板流量計,但從現場調研情況看,使用得都不理想,大部分儀表未能投入正常運行,許多計量站還從未使用過,加之孔板多年不檢定,即使在用也很難說清其計量精度。


高含水期油井計量的特點


1 油井含水率高,且波動較大

使用兩相計量分離器計量高含水原油時,盡管流量計與在線含水分析儀都能正常地在測量范圍內工作,但測量出來的油井純油產量仍然誤差較大,不符合標準要求。假設計量總液量的流量計工作時沒有誤差,僅2.0級精度的高含水在線分析儀(一般高含水分析儀的可靠精度均不高于2.0級)或人工化驗造成的純油計量誤差就為2.2%~100%,詳見表1。

表1 含水率與純油精度誤差對照表

含水率
(%)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
95
98
純油精度誤差
(%)
2.2
2.5
2.86
3.33
4
5
6.7
10
20
40
100

  這是含水率測量誤差為±2%時對純油計量精度的影響。

2 油、氣、水三相計量分離器

從表1可知,在高含水期要想把油井的純油量計量準確,必須把混合液中的游離水分離出來,使得進量油儀表的原油含水率降到一定程度(如30%),總計量精度才能有所保證。使用三相分離器,把油、氣、水按一定要求分開,才能較為準確地計量油井的油、氣、水產量,對于泡沫原油進入DN600的計量分離器后,采用腰輪流量計計量液量,測量值要偏高4.5%(與質量法相比)。實踐證明,只有分得清,才能量得準。因此,三相分離器成了高含水期油井計量的關鍵技術。


國外油井計量狀況


油井計量主要特點有以下幾個方面:
(1)美國在油田井口計量中,低含水期采用兩相分離,中高含水期采用三相分離,定時連續計量。在油田建設設計時,均設計三相分離器,在低含水期,三相分離器當兩相使用,中高含水期,開始使用三相分離功能。美國油田計量的特點是小站流程。計量站設置計量分離器和生產分離器兩套裝置,生產分離器用來計量整個計量站的油、氣、水總產量,油井計量中的選井多采用多通閥。
(2)采用三相分離器計量大多與儀表配套使用,如配備流量計和在線含水分析儀可實現連續計量。
(3)計量站二次表基本智能化、數字化、流量、含水率等數據的采集、處理、運算、輸出都采用微機,可隨時顯示、定時打印、輸出凈油、凈水、氣量、含水率等數據。
(4)計量制度,一般每口油井計量8h或24h,計量周期為7d、12d、30d不等。


新型油井計量裝置的研制與試驗


在多年研究三相分離器計量技術的基礎上,并借鑒了國外的分離計量技術,我們研制了三相計量分離器并在現場進行了試驗,試驗結果證明,該分離器在工藝結構的設計上有所突破,取得了良好的使用效果。

1 分離器設計方案的形成

在20世紀70年代初期,有人曾經對法國臥式三相自動計量分離器進行了大量的現場試驗。在對其應用條件及我國油田的實際情況了解不夠的前提下,對其進行機械地仿制,如油水界面的控制浮球,最后還是失敗了。失敗的主要原因是分離器內油水界面控制不靈,經常發生水中跑油或油中跑水現象。油水界面控制不靈在其它集輸設備如原油立式或臥式沉降脫水罐、電脫水器等設備中普遍存在,這個問題在以后的十多年里一直困攏著油氣集輸工作者,人們在設定的油水界面位置上安裝過各式各樣的儀表,效果都不理想。雖然仿制法國三相分離器的試驗失敗了,但使我們認識到,要想獲得三相分離器的成功,必須攻克界面控制的難關。為了弄清三相分離器油水界面在工作條件下的實際狀況,我們進行了如下的試驗:設計了一臺Φ1000的臥式三相分離器,如圖1所示。在分離器側面液體部分自上而下等距離設計了一列取樣閥。在運行時通過大量取樣分析得知,分離器在運行狀態下液體部分并不總是存在著一個上面是油,下面是水的清晰的油水界面,而常常是液體部分的頂部為含水率很低的純油層,分離器底部為清水層,在其間是一個含水率漸變過渡層。多年的大量現場實驗使我們得到了如下寶貴的經驗:①界面控制是分離器成敗的關鍵技術;②以前用各種各樣的儀表來直接控制油水界面的嘗試是不可取的,在提高儀表控制精度上下功夫是方向性失誤。工藝條件對儀表的成敗起決定性作用。
鑒于以上認識,我們在參閱了國外的一些資料后得到了啟示,擬定了以下三相分離器設計方案(見圖2)。
考慮油井計量中油中雜質多,且高含水井含氣量不高,所以選用立式結構。分離器外附有集油桶和集水桶,各桶上下兩端設有液位控制器,該分離器把通常對油水界面的直接控制變成了由可調水堰管調節水的出口高度,與固定的油出口高度對應,從而間接控制了油水界面高度,使得分離出的油和水分別進入油桶和水桶,如果排出的油或水的指標不符合要求,只要調節水的出口高度就可方便地達到要求。油桶與水桶的液面控制是很容易實現的成熟技術,能夠可靠地運行。

2 油井計量裝置的構成與計量原理

單井來油經三相分離后,原油進入油桶,當液面達到上浮球時,浮球發出信號使氣動薄膜閥全開排油,原油經過在線含水分析儀,刮板流量計、薄膜閥等排出;分離后的水經水堰管口溢出,進入集水桶。同樣,當水位升到上浮球時,薄膜閥打開排水,水經過流量計、薄膜閥排出,當油或水液位降到下浮球位置,薄膜閥關閉,進行下一桶的油或水的積累。在分離器頂部的氣出口處,設有溫度、壓力變送器、過濾器、氣體腰輪流量計、自動式調壓閥、單流閥等。三相分離器的進油管線裝有一套加藥裝置,可連續可控地給來油加破乳劑。

3 三相分離器的主要技術指標

結構尺寸: Φ1600×4300
工作壓力: 0.6MPa
工作溫度: 40℃~47℃
液體處理量: 200m3/d
液體停留時間: >30min
分離后指標: 油中含水≤30%
污水含油≤0.4%

4 分離器在計量方面的優點

(1)采用立式分離器,允許油水界面在較大范圍內波動,有利于分離效果的控制。
(2)采用集油桶、集水桶,可調水堰結構,把難度大的直接控制油水界面的控制方法變成容易實施的液面控制和開關控制。
(3)間斷排液方式使得一塊計量儀表的量程可以適應產量相差懸殊的各口油井,即在分離器處理量范圍內,不論哪口油井的產量為多少,只要控制好流量計前后的壓差,流量計在計量時就不會超量程。因此在計量站內不必用不同量程的多個流量計來適應產量參差不齊的各口井的計量。
(4)分離器內部的沉降分離過程不受排流時液體流動的擾動,分離效果不受影響。

5 與三相分離器配套的主要儀表

彈性刮板流量計,用于量油、量水 精度:±1.0%
在線含水分析儀(0%~100%) 精度:±2.0%
氣體腰輪流量計 精度:±1.0%
單片機及打印輸出設備

6 試驗效果

①三相分離效果滿足計量要求。油中含水率<30%;水中含油<0.4%;②用可調水堰管控制油水界面主動、靈活,很有效,使最終分離出的油中含水率和水中含油率得以控制,這是技術上的一個突破;③單片機用于油井計量中,對油、水液位進行控制,自動采集油、氣、水流量信號和溫度、壓力信號并加以處理、運算,可隨時或定時打印結果。

7 誤差分析

由于儀表的直接測量值x與間接測量值y之間存在著函數關系y=f(x),則由微分學可知,直接測量值的測量誤差引起的間接測量值的誤差為函數的增量,而該增量可用函數的微分來表示。同樣,有n個直接測量值xi(i=1,2,…n)與間接測量值的函數關系為
y=f(x1,x2…xn)
則測量的總誤差可用函數的全微分表示為

上式是函數誤差計算的一般公式。對于我們所研究的計量裝置其儀表的誤差性質為隨機誤差。其計算公式為:

式中R為相關項也稱協方差。在實際測量中,各個直接測量值之間是相互獨立的,即R項為零。
計量分離器上單個儀表的測量誤差xi有隨機誤差,且相互獨立。根據獨立變量誤差疊加原理,其計量裝置的誤差可由下式進行計算:

整個計量分離器是一個完整的計量系統,其測量總誤差來源于四個方面:含水分析儀的準確度、彈性刮板流量計的準確度、水中含油的測量誤差以及未考慮因素的附加誤差。
含水分析儀的準確度為2.0%;
彈性刮板流量計的準確度為1.0%;
水中含油的測量誤差為±0.2%;
未考慮因素的附加誤差為±0.1%。
則裝置的總誤差為

  通過以上計算可以得出計量裝置的不確定度為2.5%。
此套裝置于近幾年先后在大慶、江蘇等油田試用,效果良好,基本解決了高含水油井的計量問題,具有良好的推廣價值。

8 需改進之處

①分離器體積太大,對于小斷塊低產井,需要設計小型化的、輕便的、撬裝式的;②對低氣液比井,盡管伴生氣較少,但在三相分離器內氣相空間所占的比例要合適,氣相空間大小對分離效果的影響是不容忽視的。


對小斷塊油田低產低氣油井計量的設想


小斷塊低產井的計量問題,長期以來一直未能很好解決。我們試想,在氣體分離后作兩相計量,根據互不相溶的兩種液體混合物的總體積等于這兩種液體體積之和的原理,通過測定與混合物的總體積和質量相關的兩個物理量,求解相關方程組得到這兩種液體的各自體積(質量)。
另一種方法就是采用活動式計量站,效果可能會更好些。用小型三相分離器配油、氣、水計量儀表和油泵、水泵連續計量,計量后輸入管網進轉油站。按合理的計量周期巡回計量。這種計量方式有以下特點:
(1)將傳統的"米"字形叢式固定計量站集輸流程改為串聯型集輸流程,大大減少了管線投資,同時降低了管理難度。
(2)實現了單井油、氣、水三相分離,儀表連續自動計量,保證計量精度。油與水±5%,氣±10%。
(3)實現了計量專業化管理,微機自動采集處理數據,打印油、氣、水日產量。消除了人為因素,為無人值守創造了條件。
(4)用拖車運載、全天候計量取代目前的固定式計量站。其效果顯著。


參考文獻


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9 張濤等 智能儀表可靠性設計的研究 自動化儀表,1998


(本文編輯:陳紅娟 收稿日期:2001-08-01)

 

 

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