质量流量计在原油计量中的应用分析-参考

质量流量计在原油计量中的应用分析来源：中国流量仪表网发布时间：2011-5-68:36:00原油计量误差随着原油含水率升高而不断变化，同时油田生产对计量准确度的要求也越来越高，如何有效避免和消除影响原油计量准确度的因素，找到一种较理想的计量方式或手段，已成为油田计量中亟待解决的一个重要课题。一、原油计量误差1.油量计算公式及误差组成油田计量参数包括产气量、产油量和产水量。产气量一般是指经过气液两相分离后计量出的数值，本文不作分析。以下所有讨论都围绕气、液两相分离后（分离效果比较理想）原油综合液中的纯油、纯水计量展开。计算产油量的数学模型是：（1）式中：M——纯油量，t；Q——综合液量，t；N——含水率。产油量M的误差由两个因素组成，即Q、N。对式（1）两边求全微分：（2）式（2）两边同时除以M即得到原油计量的相对误差：（3）式中：dQ/Q——计量仪表的准确度误差；dN/（1-N）——含水测量误差。从以上分析可以看出，原油计量误差由仪表准确度误差和含水测量误差两部分组成。二者均为系统误差。2.两种误差影响因素分析油田开发过程中按照含水率的高低分无水期、低含水期、中高含水期3个时期。无水期一般来说时间比较短暂；由于不含水，不存在含水测量误差，计量误差由计量仪表准确度决定，数值较小。伴随着注水等地质措施的实施，很快将进入含水期，计量误差由仪表准确度误差和含水测量误差组成，含水值由手工取样化验获得，其中化验操作过程带来的误差很小，可以忽略不计，误差主要来自于所取样品的代表性，如果含水率相对比较稳定，波动小，那么样品代表性好，含水误差小，反之亦然。随着含水率不断升高，含水波动往往变大，尤其到中高含水期，含水值变化会更大；如果仅靠每隔一两个小时取一次样来推测这一段时间内的原油整体含水属性显然远远不够，其代表性难以让人信服。同时，中高含水期的原油综合液会产生游离水，在输油管线内出现油水分层，管道下部是明水，上部是含乳化水的原油，取样口怎样设置也是一个问题，在水平管道中间取样并不一定能达到理想效果，但在管道进行全截面取样很难做到，所有种种因素都会对手工取样化验含水的测量产生不利影响，从而影响原油计量误差。根据式（3）推算，表1是不同含水期，由于仪表误差和含水误差对原油计量误差造成的影响，计量仪表准确度基本能达到1%，含水测量误差以3%计算（按照取样代表性），在中高含水期，含水测量误差会大得多。表1仪表误差和含水误差对原油计量误差的影响注：表中原油计量误差是根据系统误差数据处理方式得到的。由表1可以看出，在中高含水期，影响原油计量误差的决定性因素是含水测量，而含水误差大小直接取决于取样的代表性，因此在中高含水期尤其在含水率波动较大的情况下，采用间断性取样测量含水值很困难，解决办法就是采用连续、在线含水测量方式，质量流量计是一种比较理想的计量手段，我油田目前使用了FISHER和MICROMOTION公司生产的两种类型的质量流量计。二、质量流量计的使用状况1.工作原理及性能我油田先后采用了FISHER制造的双环型测量管和MICROMOTION的双U型管质量流量计，工作原理是测量流体所产生的科氏力，一次表内部的激励线圈使测量管产生震动，当液体流过时由于液体本身惯性对震动的测量管产生一应力，通过检测振幅和频率的变化而获得流体的质量、流量和密度；另外在流量计内部安装有温度传感器，以便于含水值计算时对纯油、纯水密度进行温度修正。经过二次表换算处理，直观反映出纯水、纯油累积产量、含水率、瞬时流量等生产常用数据，质量流量计属于连续性在线测量仪表，时刻跟踪流体介质的变化，可以综合反映一个区块的原油生产动态。质量流量计的流量准确度很高，可达0.2%，流量范围宽，密度测量准确度为±0.003g/mL，但内部管径相对细小，从而造成压损相对较大。2.现场运行状况目前，我油田主要将质量流量计用于区块计量，安装在中转站长输管线总出口，计量一个区块或采油队的生产状况。就流量准确度而言，质量流量计可以用于外输贸易计量，足以满足内部原油计量要求。根据前文所述，造成原油计量误差大的主要原因是含水误差，原油经过中转站的化学破乳、加热等工艺处理后，管道内油水分层会更加明显，靠间断性取样获取中高含水区块的准确含水值是远远不够的，与其他仪表相比，质量流量计所具有的在线含水测量功能优势显得更为突出。质量流量计含水值由密度测量值得到，计算公式如下：（4）式中：ρe——综合液密度，由流量计直接测得，g/mL；ρo——纯油密度，取样化验值，作为固定参数输入仪表，g/mL；ρw——纯水密度，取样化验值，作为固定参数输入仪表，g/mL；N——含水率。质量流量计的含水误差直接取决于密度测量的准确性，现场使用中应消除对密度测量产生不利影响的因素，具体内容将在下文中讨论。总的来说，质量流量计在我油田运行效果较好，运行平稳，显示数据与实际吻合，为油田生产提供了重要的数据和参数。三、影响质量流量计的因素质量流量计直接测量值有质量流量、密度、温度，其误差也相应由这三方面组成。温度误差会对含水计算时纯水、纯油密度的温度修正产生影响，其大小取决温度传感器的准确度，一般来说，影响很小，可以忽略。内部生产计量对流量准确度要求并不高，我们一般采用与其他同准确度的流量计进行数据对比的方式，流量误差能够控制得很小。根据式（4），影响密度测量的因素将对含水计量产生直接作用，而含水计量的准确与否也是决定质量流量计能否正常运行的关键所在。1.影响密度测量的内部因素质量流量计的电路元件老化或测量电路的准确度发生漂移都会对测量参数（包括流量、密度、温度）产生影响。流量、温度的误差校验操作相对简单，但密度信号的校验要复杂得多，标定介质要求流体均匀无分层，密度波动小，至少要标定两个以上的密度点。就油田来说，最好分别采用柴油和水作标定介质，以保证质量流量计的实际密度测量范围处于两个密度标定点之间，并保持良好线性。2.影响密度测量的外部因素质量流量计在现场应用过程中，会或多或少地受到外界环境因素的干扰，一些容易忽视的环境因素却往往给它造成巨大的影响。油田常见影响综合密度的因素有含气、含砂或由于流体内部杂质引起的测量管壁结垢。按照式（4）计算，可知含气造成综合密度下降，含水测量值偏低，油量偏高，称之为“气增油”；与含气影响相反的是流体介质含砂和流量计测量管壁结垢，造成综合密度测量值升高，含水显示值偏高，含油量偏低，造成“砂吃油”和“垢减油”，这些因素对质量流量计纯油计量值影响很大。因此，综合介质必须充分做到气体、液体较理想地分离，流体中含砂应尽量在流量计前面得以消除，同时，应避免质量流量计内部管壁结垢，结垢后清洗很困难。我油田应用的质量流量计曾经多次出现结垢情况，给原油计量带来不利的影响。四、解决措施和事例针对以上影响因素，首先要工艺上尽量满足质量流量计使用要求，例如对于结垢问题，部分原因是含水高和地层水矿化度高所致，更大的因素是由于受流体温度影响。我油田某站曾经频繁发生流量计内部管壁结垢现象，1年3~4次，根本原因就是流体温度高75℃~80℃。我们改造了工艺流程，将流量计安装在换热器进口，工作温度下降很多（流体温度为45℃左右），再也没有发生结垢问题。对于原油综合液体中少量含气或少量含砂的因素，在工艺上难以从根本上解决，我们设想采用一种计算方法加以消除，另外这种方法对消除密度信号漂移影响同样适合。下面简要介绍该方法：当质量流量计的含水测量值和实际化验数据不相符时，可以认为它的密度测量信号产生了漂移（可能是外界因素，也可能是流量计内部因素的影响），以化验含水值N化为准确值进行推算的过程如下：将N化代入式（4），可以得到原油综合液的真实密度值ρe实：（5）将质量流量计的密度显示值（ρe显）与液体实际密度值（ρe实）相对比可以得到一个系数：（6）然后将原二次表内部的纯油密度ρo、纯水密度ρw同时乘以K并替换，此时流量计测量的含水值可根据式（4）计算：将式（6）代入得：（7）实（系数K已经消除）通过以上推导可以看到，密度漂移或外界因素的影响被有效消除，这种方法在我油田多个地点应用，并取得了很好的效果。下面举一则我油田的应用实例：某中转站，45℃时，纯油密度ρe显=0.845g/mL，纯水密度ρw=0.998g/mL，显示含水：N显=43.4%，显示密度：ρe显=0.9055g/mL，实际化验值N化=45.5%，含水测量产生误差。这是由于密度测量发生偏差引起的，可按照上文中介绍的方法加以消除。按照式（5）得到：ρe实=0.9084g/mL（将纯水、纯油密度代入即可）按式（6）计算系数：K=0.9055/0.9084=0.9968将K值分别乘以ρo、ρw得到新的油、水密度：ρo=0.9968×0.845=0.842g/mLρw=0.9968×0.998=0.9948g/mL把新密度值重新输入替换原密度参数即可。修正密度后，我们分别在含水41%和47%时重新取样化验对比，显示值和化验值结果完全一致。五、质量流量计的综合误差前文中谈到影响质量流量计的误差因素有3个：流量、温度、含水，就油田生产而言，含水计量问题更为突出。质量流量计的流量测量准确度可达0.2%，即使采用与其他高精度流量计数据对比的办法，误差也能够控制在0.5%以内，足以满足生产要求；温度测量误差可以控制在0.5℃~1℃，由此带来的密度修正误差很小，在进行误差估算时忽略不计。另外，纯水、纯油密度等输入二次表的参数误差由地层决定，可以将油、水密度波动范围定为±0.001g/mL。如果该区块在地质措施方面进行了大的调整和新层位开发，重新做一次纯油、纯水密度值化验是很有必要的。对式（4）求全微分，并以纯水密度ρw=1.0g/mL、纯油密度ρo=0.85g/mL进行推算，可以得出由纯水、纯油密度波动±0.001g/mL带来的含水误差（分别是±0.4%和±0.3%），由质量流量计密度测量准确度±0.003g/mL带来的含水测量误差为±2%，综合含水误差2.1%。可以看出影响质量流量计含水测量准确度的主要因素是密度测量，如果把密度测量准确度提高到±0.001g/mL，综合含水误差将会降低到0.9%，就油田生产计量而言，2%的含水计量准确度也是可以满足生产要求的。以流量计含水误差2%为例，按表1样式进行推算，所得结果如表2所示。表2原油计量误差因素分析由表2可以看出，质量流量计在含水计量方面有其使用的局限性，尤其高含水时，计量误差比较大，对于高含水原油，建议选用更高密度准确度的质量流量计；如果采用±0.001g/mL密度准确度的质量流量计，可以估算，表2中原油计量误差将相应减少到原来的1/3。无论原油含水率高低，质量流量计发挥了其他类型流量仪表难以取代的作用，特别是在原油经过破乳处理后油水分层明显、含水波动大的情况下，传统手工取样化验含水已失去意义，质量流量计的在线含水测量性能得到突出体现，为油田生产提供了重要、快捷的基本数据。六、结束语1.含水误差是油田计量误差的最重要影响因素，在中高含水区块或含水波动大的地区，靠手工取样化验获得准确含水值，很难做到。2.工艺上应满足质量流量计使用条件，对于影响密度测量的外部因素必须尽力消除。3.质量流量计含水测量准确度大约为2%，对高含水原油计量有其局限性，最好的解决措施是提高其密度准确度。4.与常规仪表相比，质量流量计有突出的优越性，它可以同时计量并显示多个生产常用参数，功能齐全，能够比较准确地综合反映一个区块的生产动态，但价格相对昂贵。