油井用流量计计量方法及关键技术发展方向

1．哈尔滨工业大学控制科学与工程系，哈尔滨 150001；2大庆油田公司质量安全环保部，黑龙江大庆 163453
[摘要]文章阐述了计量间、单井计量车和新型智能多相流量计等多种油井计量方法，分析了分离器、流量计和相含率检测三个方面关键技术，提出了油井计量关键技术的发展方向。
[关键词]油井计量：分离器：流量计：相含率检测
油井生产过程中形成油、气、水三相流动，油井计量的任务是动态监测油井的产液量、产油量和产气量，并通过产量的动态分析得知井下油藏地质情况变化和生产异常，为生产决策提供准确的数据支持，需要测出油、气、水三相的分相流量，国家标准要求计量准确度为±10％。
1 油井计量方法
油井计量有计量间计量、翻斗计量、计量车、软件量油和新型智能多相流量计等多种计量方式。其中计量间计量、翻斗计量、计量车和大部分智能多相流流量计采用气液分离计量方法，部分单井测量装置采用不分离计量方法。软件量油属于间接测量产量的软
测量方法。
计量间采用三相分离器将每口油井的油、气、水分开或采用两相分离器将气、液相分开，然后分相计量。这种传统分离器测量方法通过间断性的进液排液计量产液量，计量方法不连续，工作过程繁琐，而且人为因素很大。
翻斗计量在计量罐中装两个小型翻斗，井口来液先进入其中一个翻斗，当翻斗内液体达到设定重量时翻斗翻转，然后来液进第二个翻斗，依次循环，翻斗每翻转一次记数器记一次数，实现单井产液计量。其优点是装置小、原理简单、操作方便。其缺点是气体直接放空不能计量，翻斗装置在北方油田冬季容易出现原油凝结现象。
单井计量车量油方式采用小型重力沉降式油气分离器将井口原油分离成气、液两相，分别计量。单井计量车的优点是采用车载分离计量方式，应用灵活，适合于单井产量较低，油井分散、距离较远的油区使用。其缺点是适用的单井产量范围小，仍是不连续量油，产气量不计量或气路计量准确度较低。
软件量油主要有示功图法和液面恢复法。示功图是通过示功仪记录抽油机每完成一次抽油过程(上冲程和下冲程)电流变化，从而计算出抽油机井载荷变化的图示。载荷的变化反映了抽油泵抽吸油量的变化。液面恢复法的原理是停止抽油，油井内液面上升，通过回声测井仪测量油井内液面的上升速度即可计算出相应的产液量。
智能化多相流量计通常采用各相不分离计量和部分分离计量两种方式。不分离计量原理如图1所示，通过多个传感器对整个多相流进行测量，其商业化产品已在美国、北海的一些油田得到应用。


部分分离式多相流计量基本原理是将多相流导人某种形式的气液分离器，将三相流分离成以液相和气相占主体的两种流体，然后分别计量，构成如图2所示。这样可以将测量流型和测量参数限制在相对变化较小的范围内，从而保证或提高多相流测量系统的测量范围和测量准确度，美国Agar公司的MPFM-400型多相流量计、英国Jiskoot公司基于小型气液旋流分离器的多相流量计、国内兰州海默公司的MPM2000H型多相流量计是典型的部分分离式多相流量计。


不分离与部分分离计量方式具有各自的优缺点，不分离计量装置体积小、重量轻，更适合于海上平台使用，但其结构组件比较复杂，受来流流型影响大，成本高技术不够成熟，通常有放射性构件；部分分离式计量装置不局限于某种特殊流型限制，结构和测量原理相对简单容易实现，成本低技术成熟，但体积和重量略大，王栋等人研究的分流分相的测量方法可以大大减小计量装置的体积。
2 油井计量关键技术及发展方向
油井计量的关键技术包括计量分离装置、流量计和相含率检测仪表几个方面。
(1)分离器
分离器按力学原理可分为重力式、离心式和混合式。
重力式分离器依据油气水三相密度不同，油气水流体在进入分离器后，液相中气泡受到浮力作用上浮至气液界面，气相中的液滴受重力作用下降到气液界面实现气液分离。
旋流分离器是一种利用离心力作用原理将非均匀混合物中不同密度的相分离的机械设备。根据旋流分离器的原理，不管什么混合物只要密度存在差异就可以实现分离，所以通常的旋流分离器有气液分离器、液液分离器、液固分离器、气液固三相分离器等。旋流分离器由于其结构尺寸比重力分离器小，通过特殊的结构设计可以达到理想的分离效果，所以在石油、化工等行业得到了大量的研究和应用。气液旋流分离器用于油气水多相计量环路作为油气分离的核心部分时，工程要求分离器的操控方法简便易行故障率低、结构简单尺寸较小便于安装运输、分离效果好保证计量准确度、压力损失小不影响油井正常生产。
目前，对气液旋流分离器的研究和工程应用方面还存在以下不足，一是没有完整的力学计算理论公式可以作为确定旋流分离器结构尺寸的依据；二是对旋流分离的过程参数变化、分离效果缺少过程检测方法，无法对分离效果进行可靠的预测；三是分离器通用性差，对工艺条件变化或介质物性变化适应能力差；四是气液分离器的压力和液位控制方法需要进一步研究，使其可以适应生产过程的波动，并有效地保证气液分离效果。所以，设计出对流动条件变化适应性强、结构简单、尺寸小、操控方便的气液分离器是研究发展方向。
(2)流量计
流量计分为体积流量仪表和质量流量仪表两大类。体积流量仪表可以分为容积式和速度式两种。质量流量计指检测仪表的输出信号直接反映质量流量，主要检测仪表有：科里奥利质量流量计、热式质量流量计等。
容积式流量计的主要优点是作为总量仪表准确性高，适应高粘度流体测量，粘度提高可以减少计量室漏失，多用于总量交接或贸易计量。主要缺点是机械结构复杂、庞大笨重，固体颗粒杂质容易造成流量计卡堵，不适应低粘度流体和以低粘度介质为主体的混合多相流体测量，压损较高。油井流量计量的特点是多相混合介质、介质含率变化较大、井口还含有泥沙等杂质，所以容积式流量计用于油井流量计量存在不适应性。
速度式流量计主要有差压式流量计(如孔板、喷嘴、文丘里管、弯管等)、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计、相关流量计等。
差压式流量计主要优点是结构简单牢固、便于制造、工作可靠、使用寿命长。其主要缺点是测量范围度窄，安装条件要求高，压损较大，引压部分是仪表的薄弱环节。故其发展方向是解决上述不足，开发线性节流装置提高测量范围度、降低节流件压力损失，节流装置与流动调整器配合使用减少直管段长度，把节流装置和取压装置做成一体，加上智能计算显示二次表，形成智能型差压流量计，从而省去引压管，改善动态特性，方便安装使用。
涡轮流量计主要优点是测量准确度等级可达0.5级以上；可测的最小流量较小，反应迅速；线性区间较大，量程比一般可达到10∶1。涡轮流量计的主要缺点是测量多相介质时各相含率动态变化物性变化影响计量准确性，安装要求高。
电磁流量计适用于测量导电单相液体或含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。
超声流量计优点有：可作非接触测量、无额外压力损失、适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体，USF可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。可见，USF是非常具有应用潜力的一种速度式流量计。
相关流量计是利用流体在管道中流动时产生的许多与流动有关的随机流动特征信号，通过相关分析获得流体的相关流速。在多相流测量中应用的相关测量方法有基于光纤、超声波、电导、温度等参数测量原理的仪表，同时通过这些参数的分析还可得到分相含率数据。相关流量计不干扰流体流动、小压损、受流体物性变化影响小，非常适应油井流量测量的需要，能够同时测量流量和相含率的的相关流量计将具有较好的应用前景。
科里奥利质量流量计优点：直接测量质量流量，有很高的测量精确度，可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。测量管的振动幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件和活动件。对应流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。又因流体密度会影响测量管的振动频率，而密度与频率有固定的关系，因此CMF也可测量流体密度，并由此可以计算出混合介质的分相含率。缺点是压损大。
通过对流量计的分析可见，在油井计量方面，容积式流量计存在不适应性，差压流量计、电磁流量计、超声流量计和涡轮流量计等速度式流量计不同程度存在不足，研制开发基于相关原理可同时测量流量和相含率的速度式流量计将具有较好的应用前景。
(3)相含率测量
相含率测量方法有密度法、成像法等多种方法。密度法原理简单易行，是油田应用最多的一种方法。电容法适合不导电介质为连续相的测量。电导法是当导电介质为连续相时替代电容法的一种方法。射线分析法是根据不同介质对穿过射线吸收率不同的原理设计的，优点是受流态影响小准确度高，缺点是仪表含放射源物质。电导探针或电容探针法利用探头处介质的导电特性变化来确定该点处的介质类型，通过多探头组合检测确定相分布，进而确定相含率。光纤探针法是利用油水或气液相光的折射率不同，通过检测反射回来光的强度变化确定探头处的介质，通过多探头组合检测确定相分布，从而确定相含率。探针法组成结构相对复杂，设备要求高。成像法主要有超声成像、射线成像等方法，此类方法原理复杂，仪器费用较高。目前，油田应用较多的是密度法、电容法、射线衰减法的仪表。用于油井计量的含率检测仪表的发展方向是开发原理简单、尺寸小、成本低的仪表，与流量计结合成一体最佳。
3 结束语
油井计量是多相流的计量，尽管目前有多种方法可以实现，但首先进行气液分离然后分别计量的方式占主体。分离计量方式包括分离器、流量计、相含水仪表等几项技术。根据重力和离心原理开发设计对流动条件变化适应性强、结构简单尺寸小、操控方便的气液旋流分离器是研究发展方向。在油井计量方面，容积式流量计存在不适应性，基于相关原理的速度式流量计可以实现流量和相含率的同时测量，具有较好的开发应用前景。根据油田开发和管理要求，开发设计原理简单、尺寸小、成本低、与流量计结合成一体的相含率检测仪表符合油井计量的要求。