摘 要：本文介紹了質(zhì)量流量計在油田OGM計量站生產(chǎn)測試計量中的應用，對OGM計量系統(tǒng)做了概述，闡述了質(zhì)量流量計的選用和含水計算測量方法，分析了對含氣/含砂對質(zhì)量流量計的液體流量測量和含水測量的影響，提出了解決措施，并結合實際應用提出了質(zhì)量流量計選型中應注意的問題。

關鍵字：質(zhì)量流量計 油井 生產(chǎn)測試計量 含水率 影響分析

    0 引言

    為掌握油田每口油井的動態(tài)，為油藏工程、油田開發(fā)提供準確的基礎資料，須對每口油井進行生產(chǎn)測試計量，即對產(chǎn)液量、含水、密度等進行計量，全面地了解每口單井的生產(chǎn)動態(tài)。油田OGM計量站是在遠離原油處理站且油井相對集中的區(qū)域建立的集油管匯集中計量站，可實現(xiàn)一套生產(chǎn)測試計量裝置計量多口單井，避免了每口單井上安裝一套計量裝置，同時避免每口單井到原油處理站計量管線的敷設，節(jié)約大量投資。

    生產(chǎn)測試計量（即單井計量）方式有很多種，大多采用兩相分離器或三相分離器配液量計量、含水計量、密度計量儀表等方式。液量計量儀表有液面計量、翻斗稱重計量、速度式流量計量、容積式流量計量或科氏力質(zhì)量流量計量等儀表，其中科氏力質(zhì)量流量計（以下簡稱質(zhì)量流量計）計量方式以計量精度高、量程比寬、安裝簡單、不需要直管段、組態(tài)方便、維護方便、操作簡單等優(yōu)點，在油田單井計量中得到了廣泛的應用。近年，我們?yōu)樘K丹六區(qū)、蘇丹三七區(qū)、土庫曼斯坦巴格德雷區(qū)、尼日爾GOUMERI、尼日爾SOKOR、伊拉克AHDEB等油田提供了40多套質(zhì)量流量計加兩相分離器的生產(chǎn)測試計量橇，取得了較好的應用效果，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。

    1 OGM計量系統(tǒng)概述

    OGM計量系統(tǒng)由集油管匯、生產(chǎn)測試計量橇等組成。生產(chǎn)測試計量橇包括兩相分離器、液體流量計（質(zhì)量流量計）、氣體流量計（渦街流量計或孔板流量計）等。系統(tǒng)流程如下：多口單井來液至集油管匯，通過集油管匯選取一口單井來液進兩相分離器進行氣液分離，液路（油水混合液）通過質(zhì)量流量計進行計量，氣路通過渦街或孔板等流量計進行計量，氣液計量后再合流進匯管，與其他未選單井的來液一起至原油處理站。OGM計量系統(tǒng)流程簡圖見圖1。

圖1 OGM計量系統(tǒng)流程簡圖

    如果將集油管匯選用多通閥橇，與兩相分離器、質(zhì)量流量計、RTU控制系統(tǒng)等一起，可實現(xiàn)OGM計量站的自動和遠程選井計量功能。我們?yōu)樘K丹六區(qū)、伊拉克AHDEB油田提供的就是這種集多通閥橇、兩相分離器、質(zhì)量流量計、RTU等一體的具有自動/遠程選井計量功能的成套OGM計量站。

    2 質(zhì)量流量計的測量原理和選用

    2.1 質(zhì)量流量計的測量原理

    流體在旋轉(zhuǎn)的管內(nèi)流動時會對管壁產(chǎn)生一個力，稱為科里奧利力（簡稱科氏力）。質(zhì)量流量計就以科氏力為測量基礎。

    如圖2所示，截取一根支管，流體在其內(nèi)以速度V從A流向B，將此管置于以角速度ω旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中。設旋轉(zhuǎn)軸為X，與管的交點為O，由于管內(nèi)流體質(zhì)點在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運動，此時流體質(zhì)點受到一個切向科里奧利力Fc。這個力作用在測量管上，在O點兩邊方向相反，大小相同，為：

    δFc＝2ωVδm   （1）    

圖2 質(zhì)量流量計測量原理圖    

    當密度為ρ的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度V流動時，任何一段長度為Δx的管道都將受到一個切向科里奧利力：    

    ΔFc：ΔFc=2ωVρAΔx     （2）    

    式中，A為管道的流通截面積。由于存在關系式：質(zhì)量流量mq=ρVA，所以ΔFc=2ωqmΔx。因此，直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管中流動流體的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量。

    2.2 質(zhì)量流量計的選用

    質(zhì)量流量計采用EMERSON公司的MicroMotion質(zhì)量流量計，由CMF型流量傳感器和3700流量計算機（NOC）兩部分組成，流量傳感器內(nèi)置密度傳感器和溫度傳感器。質(zhì)量流量計量精度為±0.1%，密度計量精度為±0.0005g/ml，溫度計量精度為±1℃±0.5%讀數(shù)。

    由于內(nèi)置密度和溫度傳感器，每口單井油水混合液的質(zhì)量流量、密度及溫度由質(zhì)量流量計直接測量出。通過質(zhì)量除以密度可以得到體積，通過密度法可以計算出含水率，根據(jù)這兩種方法，質(zhì)量流量計的流量計算機計算出混合液的含水率、混合液的體積瞬時流量和累積流量、純油的質(zhì)量/體積瞬時流量和累積流量、產(chǎn)出水的質(zhì)量/體積瞬時流量和累積流量等參數(shù)。

    一臺質(zhì)量流量計能同時測量油水產(chǎn)量、含水率、密度、溫度等參數(shù)，這樣避免了在線含水分析儀、密度計的使用；同時，在質(zhì)量流量計的單井測試模式下，內(nèi)部可以存儲多達48口單井的計量數(shù)據(jù)，也就是一個OGM的質(zhì)量流量計可以完成多達48個單井的計量。質(zhì)量流量計通過RS485與RTU控制系統(tǒng)進行通訊，與多通閥橇等其他設備一起可實現(xiàn)OGM計量站的自動/遠程選井計量功能，大大方便人工操作和降低運行成本。

    3 含水率的測量方法

    質(zhì)量流量計的流量計算機（NOC）依據(jù)以下含水率計算公式進行含水率計算：

        （3）

    式中：W_C為含水率；ρ_混為油水混合液的密度；ρ_油為純油的密度；ρ_水為產(chǎn)出水的密度。

    混合液的密度由質(zhì)量流量計內(nèi)密度傳感器直接測量，純油的密度、產(chǎn)出水的密度均通過取樣由實驗室分析出。將實驗室分析出的每口單井的純油密度、產(chǎn)出水密度組態(tài)進流量計算機，流量計算機就會自動地計算出含水率。這里面存在一個問題，質(zhì)量流量計測量出的是混合液在工況溫度、壓力下的密度，而實驗室分析出的純油、產(chǎn)出水的密度是常溫、常壓下的密度，密度是隨溫度、壓力不同而變化的，如果不考慮二者的溫壓條件不同而簡單地依據(jù)上述計算公式進行含水率計算是不準確的。對于液體來說，溫度是液體密度變化的最主要因素，壓力對液體的密度影響不大。為準確計算含水率，有必要將混合液密度、純油密度、產(chǎn)出水密度統(tǒng)一到同一參考溫度下。流量計算機內(nèi)提供了這種溫度補償計算，將質(zhì)量流量計測量出的混合液工況溫度下的密度直接換算成參考溫度下的密度，以保證三者的密度為同一溫度下的密度，從而保證含水率測量的準確性。MicroMotion3700流量計算機內(nèi)提供了60℉、15℃、20℃這三種參考溫度供選擇，在實際操作過程中，選擇其中一個溫度為參考溫度，并要求實驗室按照這個參考溫度分析出純油密度、產(chǎn)出水密度并組態(tài)進流量計算機即可。

    4 含氣含砂對流量測量的影響及解決措施

    液體中含氣會影響到質(zhì)量流量計流量測量的精度。大量資料表明：當油水混合液中含有的游離氣體積比不超過15%時，流量計可以正常穩(wěn)定地工作；當含氣量小于5%時，流量計量精度幾乎不受影響；當含氣量約為l0%時，流量測量誤差小于3%。一般情況下，在計量過程中，由于油井產(chǎn)出的混合液經(jīng)過分離器后絕大部分氣體被分離出去，所以氣體對液量測量的影響很小。但這樣也難以保證液體中不含有氣體，特別是對于發(fā)泡性原油，對于這種情況，需要通過提高分離效率、增大分離停留時間、加注消泡劑等技術手段盡可能在混合液進質(zhì)量流量計前將氣體分離出去，才能提高流量計量的準確性。

    液體中含砂也會對質(zhì)量流量計的流量測量精度產(chǎn)生影響，而且液體流速低時砂石會在流量計測量管壁堆積結垢，甚至影響流量計的正常工作。在這種情況下，質(zhì)量流量計可垂直安裝，使懸浮的固體顆粒下沉，夾雜的空氣或其他氣體的氣泡上浮，以降低測量偏差。如果液體含砂量確實特別大，則需要在質(zhì)量流量計前加裝除砂裝置。

    5 含氣含砂對含水測量的影響及解決措施

    在實際測量過程中發(fā)現(xiàn)，對于某些油田、某些區(qū)塊的一些單井，如蘇丹三七區(qū)Moleeta油田的一些單井，將參考溫度下的純油密度、產(chǎn)出水密度組態(tài)進流量計算機后計算出的含水率與實驗室分析出的含水率相比偏差偏大，有很多單井的偏差超過5%甚至10%以上。經(jīng)過分析得出以下原因：

    1）主要為含氣對混合液密度造成的影響。質(zhì)量流量計測量出的是工況壓力下的密度，即含溶解氣的飽和原油的密度，而實驗室分析的是常壓下穩(wěn)定原油的密度。Moleeta油田的原油粘度大，混合液中含有較多的溶解氣，使得測量出的混合液密度比不含溶解氣的密度偏小，從而引起含水測量值的較大偏差。

    2）另外，Moleeta有部分單井含砂量較大，對混合液的密度產(chǎn)生了影響，從而影響含水率的測量。再者，Moleeta油田大部分單井原油的密度在0.9~0.96g/ml之間，原油的密度較大，油水的密度差小，從而對含水率的偏差產(chǎn)生影響。

    在實踐中，我們摸索出一種純油密度反推法，可以很好地克服工況條件下原油含氣、含砂對含水率計算的影響。具體作法為：

    1）先將實驗室分析出的某一單井含水率及產(chǎn)出水密度組態(tài)輸入到流量計算機內(nèi)，由流量計算機根據(jù)含水率計算公式反推出該單井的純油密度。由于水的可壓縮性小且氣體較難溶解于水中，產(chǎn)出水的密度在工況壓力下和常壓下二者的密度變化小，影響可以忽略，由此反推出的純油密度可以認為是工況下的密度。

    2）再將該反推出的純油密度保存在流量計算機內(nèi)作為組態(tài)參數(shù)用于含水率的實時測量。

    根據(jù)此反推法測量出的含水率偏差較之前有了很大的降低，單井的含水率偏差基本在5%以下，甚至更低，能夠滿足單井測試計量的要求。

    6 質(zhì)量流量計選型中應注意的問題

    1）對于高粘度原油，在選擇流量計口徑時，應綜合考慮測量范圍和壓力損失，不能單一地要求低壓力降而選擇大口徑的質(zhì)量流量計。否則加大儀表口徑不僅增加設備費用，同時大口徑儀表在小流量下運行會增加測量誤差。

    質(zhì)量流量計在蘇丹三七區(qū)的應用就是一個例子。蘇丹三七區(qū)Moleeta油田的業(yè)主在技術文件中提供的流量范圍為500～4500bbl/day，乳化液粘度為3500cP@60℃，而設定的允許壓力降為不高于40kPa，結合質(zhì)量流量計的計算書最終選擇了4”口徑的質(zhì)量流量計。實際上，4”質(zhì)量流量計可測流量最大為81600bbl/d。流量范圍中，最小流量500bbl/day對應的量程比為1：163，最大流量4500bbl/day對應的量程比為1：18。實際上，Moleeta油田的大部分單井的實際產(chǎn)量在1000bbl/day左右及以下，也就是說對于大部分單井，質(zhì)量流量計在小流量下工作。而實際測量對比過程中，也發(fā)現(xiàn)4”質(zhì)量流量計在Moleeta油田的計量效果不好，流量測量偏差較大。后更換一臺2”質(zhì)量流量計到現(xiàn)場做測試，流量計量偏差大大降低，而實際的系統(tǒng)壓力降也不超過0.2MPa，滿足生產(chǎn)測試計量要求。

    2）質(zhì)量流量計的供電電源避免選用230V交流電源，應盡量選用24V直流電源供電。在蘇丹三七區(qū)，油田現(xiàn)場230V交流電受當?shù)仉娋W(wǎng)波動的影響較大，輸出電壓不穩(wěn)定，造成多臺質(zhì)量流量計的傳感器模塊和流量計算機的電路板損壞。為避免此類情況發(fā)生，通過改變質(zhì)量流量計的供電為24V直流電源，由現(xiàn)場24VDC開關電源提供，后來再未發(fā)生質(zhì)量流量計電路板因供電原因而損壞的問題。

    7 結束語

    質(zhì)量流量計能同時測量油水產(chǎn)量、含水率、密度、溫度等參數(shù)，避免了在線含水分析儀、密度計的使用。一臺質(zhì)量流量計可完成多達48個單井的計量，并能與RTU、多通閥橇一起實現(xiàn)OGM計量系統(tǒng)的自動/遠程選井計量功能，方便人工操作，降低運行成本，在油田OGM生產(chǎn)測試計量中具有獨特的優(yōu)勢。在實際應用中，對于含氣大、發(fā)泡性原油，可通過提高分離效率、增大分離停留時間、加注消泡劑等技術手段提高流量計量精度；對于原油中的含砂，可通過質(zhì)量流量計垂直安裝和在質(zhì)量流量計前加裝除砂裝置的技術手段來提高流量計量精度；通過純油密度反推法，可以很好地克服原油含氣、含砂對質(zhì)量流量計含水率計量的影響。在實際選型中，應避免選用大口徑小流量運行的質(zhì)量流量計，避免向質(zhì)量流量計提供230V交流電。通過上述措施，可以保證質(zhì)量流量計的計量準確性，提高質(zhì)量流量計的使用可靠性，為油藏工程、油田開發(fā)提供準確的基礎數(shù)據(jù)。