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      橇裝實流三相標準計量裝置的研制


      橇裝實流三相標準計量裝置的研制,為解決勝利油田移動式計量裝置和多相流量計的量值溯源問題,研制了橇裝實流三相標準計量裝置。該裝置利用聯合站三相分離器分離出的油氣水分相計量后,經過流態發生器發生分層流、泡狀流和段塞流。三相標準計量裝置作為一種計量標準裝置,可對小型移動計量裝置進行量值傳遞,進一步保證油井示功圖計量法的計量準確性。

      隨著勝利油田信息化建設的**推進,新型采油管理區已完成建設。油井產量計量、原有計量站立式分離器量油方式逐步淘汰,示功圖法計量方式得到了推廣應用,系統覆蓋率已超過90%。

      示功圖法計量方式有以下優點:示功圖量油方法使用簡便,資金投入量低,便于油田生產管理,可實現產量連續自動計量,并能實時掌握井下工況,效率高,可通過管理軟件實現批量求產。然而也存在以下不足之處:示功圖形狀易受井下工況影響,計算結果需根據診斷情況進行修正,其力學、數學模型復雜且多變,對于工況不穩定、含氣量大的油井,很難實現誤差在10%以內[1]

      盡管示功圖法計量方式有諸多優點,但在計量精度的穩定性和可靠性兩方面還不能滿足油田的實際生產需要;因此,勝利油田使用小型移動計量裝置(以下簡稱標產車)對示功圖法進行校準,目前已投用150余臺套。為確定標產車計量性能,勝利油田開展了實液比對測試工作。針對同1口工況不變的油井,比對分析標產車、立式計量分離器(800型)、多相流量計產液量數據,結果顯示標產車受到裝置體積小、停留時間短的影響,計量誤差也難保證在±10%以內。

      為解決標產車和示功圖量油法數據修正的問題,保證單井計量裝置的量值溯源和量值傳遞的準確性,研制了橇裝實流三相標準計量裝置。

      1 三相標準計量裝置的研究現狀

      油田多相流主要包括兩個方面:地面多相流和井下多相流。地面多相流是油田地面管道中的油水兩相流或油氣水三相流,管道有水平的、傾斜的和垂直的幾種情況。根據標產車的使用條件,僅研究地面油氣水三相流、水平管段的情況。

      油氣水三相流標準計量裝置根據測量介質類型不同分為模擬介質標準裝置和實液介質標準裝置兩類。

      1.1 模擬介質標準裝置

      此類型裝置介質為柴油(油路)、水(水路)和空氣(氣路)。一般多建于室內,用于實驗室多相流模擬研究,裝置規模較小,可設透明管觀測。國內外模擬介質多相流標準裝置詳情見表1。

      國內模擬介質三相流測量裝置,以蘭州海默科技公司的多相流實驗室為例。

      測量介質:變壓器油(密度895 kg/m3,閃點135~140℃,運動黏度11~12 mPa·s);自來水;壓縮空氣。

      測量能力:油流量,7.2~2 400 t/d;水流量,7.2~3 600 t/d;氣流量,60~4 800 m3/d。

      測量準確度:油,0.2級~0.5級;水,0.5級;氣,±1%~±2%。

      此類型裝置的優點是安全性高,投資低(一般不超過300萬元),生產運行成本低;缺點是模擬介質與實際應用中的流體物性有較大差異,模擬介質校準后的計量裝置用在實液計量上系統誤差較大,影響了量值傳遞的準確性。

      1.2 實液介質標準裝置

      校準介質為原油(油路)、采出水(水路)和天然氣(氣路)。測試和標定結果較符合生產實際。一般建在室內或油田現場,投資和運行費用較高,建設投資一般幾千萬,運營費用每年100萬左右,安全性要求高,無法使用透明管觀測流型。國內外實液介質標準裝置見表2。

      國內實液多相流測試裝置,以大慶油田“油氣水多相流量計現場實液測試裝置”為例(圖1)。“油氣水多相流量計現場實液測試裝置”建在大慶油田設計院油田地面技術現場試驗基地,主要用于對油氣水多相流量計及含水分析儀等油氣計量儀表進行性能測試和評定,是目前世界上少數幾套有影響的應用油氣水實液進行測試的多相流試驗裝置之一。裝置于2001年經中國計量科學研究院測試,主要技術性能指標達到或超過了國外同類裝置技術性能指標,并獲得了測試證書。

      (1)測量介質:凈化油(原油密度859.2 kg/m3,原油黏度20 mPa·s,油中含水率小于0.5%);含油污水(水中含油率小于0.5%);采出氣(氣中含液率小于0.5%)。

      (2)測量能力:油流量,50 m3/h;水流量,50 m3/h;氣流量,1 170 m3/h (0℃,101.325 kPa)。

      表1 國內外模擬介質多相流標準裝置 

      表2 國內外實液介質標準裝置  

      表2 國內外實液介質標準裝置

      圖1 大慶油田油氣水多相流量計現場實液測試裝置 

      測量準確度:油相,1.0級;水相,1.0級;氣相,1.5級。

      上述裝置的優點是校準介質物性與油井采出液近似,校準后的計量器具數據接近真實值,量值傳遞準確性高。缺點是此類裝置油氣水三路均由油田集輸系統取得,需建設原油儲罐、含油污水罐、天然氣壓縮裝置等,投資規模大(大慶油田投資上千萬元),生產運行費較高(運行1天約4萬元),配套設施要求齊全,安全性高,加熱、保溫、防爆等性能要求嚴格。

      2 實流三相標準裝置工藝流程設計

      2.1 裝置建設方案

      為降低儲油罐、污水罐和天然氣壓縮裝置等建設投資,課題組利用聯合站流程,采用三相分離器分離的油氣水三相作為實液校準介質(圖2)。

      圖2 裝置建設方案 http://www.u40628.cn/

      2.2 裝置工藝流程設計

      為了保證此裝置整體計量準確度,需針對測量、調節和控制進行設計。該裝置是集校準、測量、調節和控制于一體的大型閉環系統(圖3)。主要研發內容包括油氣水三路計量系統平衡控制技術、油氣水三路流量控制及**配比技術、油氣水三相混合發生技術。自動化控制系統包括流量信號的讀取與處理、閥門的調節、泵的控制、系統安全等功能,是一項復雜的系統工程。

      圖3 裝置工藝流程

      圖3 裝置工藝流程

      該裝置可利用分相流量、氣液配比的控制方案與控制算法,實現不同流態、不同含水率的各相流量協調控制。采用雙閉環比值控制系統,其包含主流量的閉環控制、副流量的閉環控制、主-副流量的比例控制。

      3 管內流型發生技術

      油井采出液管內流型主要為分層流、泡狀流(氣團流)和段塞流(彈狀流、沖擊流)3種。結合Mandhane以及Taltel&Dukler氣液兩相流型圖,參考中國石油大學王海琴等人的油氣水三相流流型研究成果,確定滿足油井采出液管線的油氣水管道的經濟流速范圍[10],確定3種流型的氣液折算流速范圍(表3)。

      表3 不同流型對應的氣液流速范圍選取 

      表3的3種流型選取區域在Mandhane和Talt‐el&Dukler流型圖中的位置,如圖4和圖5所示。由圖4、圖5可知,A區域為分層流流型的選取區域,B區域為泡狀流(氣團流)的選取區域,C區域為段塞流(彈狀流、沖擊流)的選取區域。

      根據勝利油田單井采出液*大氣液規模,經計算后,油路、水路和氣路選取DN80 mm的管道,管道規格為Φ89 mm×3.5 mm,則氣相管道內實際的*大氣體流量為228 m3/h,油相、水相在管道內的*大流量均為25 m3/h。各流型對應的氣、液流量調節范圍見表4。

      圖4 Mandhane流型圖內的選取區域 

      圖5 Taltel&Dukler流型圖內的選取區域  

      表4 不同流型對應的氣、液流量調節范圍  

      4 氣路、油路、水路技術能力設計

      4.1 氣路設置

      氣路設置為2路。小流量1路:流量計測量范圍0~50 m3/h (0℃,101.325 kPa),用于生成分層流和泡狀流(氣團流)。大流量1路:流量計測量范圍30~230 m3/h,用于生成段塞流(彈狀流、沖擊流)。

      4.2 油路設置

      油路設置為2路。小流量1路:流量計測量范圍0~5 m3/h,用于分層流。大流量1路:流量計測量范圍2~25 m3/h,用于泡狀流(氣團流)和段塞流(彈狀流、沖擊流)。

      4.3 水路設置

      水路設置為2路。小流量1路:流量計測量范圍0~5 m3/h,用于分層流。大流量1路:流量計測量范圍2~25 m3/h,用于泡狀流(氣團流)和段塞流。

      4.4 主要儀器儀表選配

      主要儀表包括質量流量計、旋進旋渦流量計、電磁流量計,電動閥及各種閥門、管匯、溫度變送器、壓力變送器等(表5)。

      根據該裝置的工藝流程設計思路,經詳圖設計、生產加工,完成了橇裝實流三相標準計量裝置主體部分的研制(圖6)。

      圖6 裝置主體部分照片 

      5 結論

      實流三相標準計量裝置研制成功后,可解決勝利油田移動標產車校準方面的難題。由于是采用聯合站實液作為校準介質,避免了因工作介質的不同而帶來的系統誤差,同時也省卻了投資建設儲油罐、污水罐和天然氣壓縮裝置,節約了建設成本。目前此裝置已通過模擬介質標準裝置比對,其液流量計量誤差≤±1.0%,氣流量計量誤差≤±3.0%。

      表5 裝置主要儀器儀表  

      表5 裝置主要儀器儀表


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