射頻鎖相陣列式油井三相計量裝置現場試驗

大慶油田有限責任公司第六采油廠

在油田生產中，油井含水率、產液量是油田最基本的生產參數，需要精準計量。油井的產量計量對于分析油田生產運行動態、制定科學的油田開發及調整方案、檢驗各種油田開發技術措施的效果、實現油田生產經營管理績效的量化考核，使油田企業實現效益經營的目的都具有重要意義[1]。目前，油井計量裝置向著小型化[2]、精確化[3-5]、自動化[6-7]、智能化[8]、連續化[9]發展。

大慶老區油田大部分采用計量分離器計量產液量，在井口取樣化驗含水率。為保證數據的及時性、準確性，每天都需要按照相關規定對單井進行產液量和含水率的測量與化驗，當含水率發生波動時，還需重復取樣化驗，工人的勞動強度大[10]。為滿足未來數字化油田發展需要，對基于射頻鎖相陣列式油井三相計量裝置進行了適用性和穩定性研究，并相應地開展了現場試驗。結果表明，射頻鎖相陣列式油井三相計量裝置能夠實現計量間生產數據的自動計量，配套無線網絡建設，可以實現計量間的數字化建設，實現無人值守。同時發現室外的環境溫度對計量裝置無影響，進入計量裝置的采出液溫度高于20 ℃時，可以滿足計量精度要求。

1 計量試驗裝置

1.1 儀器和設備

儀器和設備包括計量罐（氣液分離倉、量油倉、水倉）、含水分析儀陣列、電動快開三通球閥、電動調節球閥、管道油泵、溫度變送器、壓力變送器及測控系統等（圖1）。其中計量罐與含水分析儀陣列是設備的核心部分。計量罐呈啞鈴型結構，是采出液實現快速分離的主要單元，具體結構見圖2。含水分析儀陣列是三相計量裝置的計量單元，由高頻電磁波發射接收單元、反射電極、數據總線、數據處理單元等組成，具體結構見圖3。

圖1 射頻鎖相陣列式油井三相計量裝置結構Fig.1 Structure of radio frequency phaselocked array oil well three-phase metering device

圖2 計量罐內部結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the inner structure of measuring tank

油井采出液自集氣室進入計量罐后，借助油井產出液自身的動能，經過分離傘的碰撞分散后，通過波紋板的遲滯摩擦，將較大的油包水和油包氣顆粒轉化成便于氣液分離、油水分離的較小顆粒，達到氣液的初步分離。分離的氣泡快速上升進入集氣室，油、水則進入量油倉，量油倉設有旋流槽，油水混合液在重力旋流的作用下快速分離，油停留在量油倉，水進入水倉。

圖3 含水分析儀陣列結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the array structure of water analyzer

1.2 計量原理

1.2.1 產液量的計量

產液量主要采用容積法計量，即計算單位時間內進入計量罐的液量。采出液主要由油和水組成，因油和水存在密度差，為了更準確地計量出單井的產液量，含水分析儀陣列將計量罐分為34 個薄層，利用高頻電磁波發生器發射電磁波信號，信號遇到水后衰減，通過衰減率計量單層中油和水的體積。最終分別將油、水體積乘以相應的密度得出油、水的質量，再除以進液時間，計算出單井產液量。具體計算公式為

式中：Vl為采出液體積，m3；Vo為采出液中油相體積，m3；Vw為采出液中水相體積，m3；ρo為油的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；Si為第i層的橫截面積，m2；hi為第hi層的厚度，m；T為計量罐的進液時間，s；ml為單井產液量，kg/s。

1.2.2 含水率的計量

含水率是水的質量與采出液質量的比值。由于油和采出液的質量已在產液量計量過程中計算完成，所以含水率的具體計算公式為

式中：η為含水率；mo為采出液中油的質量，kg。

1.2.3 產氣量的計量

產氣量的計量主要采用排液法，即單位時間內排出計量罐的液量，相當于單位時間內進入計量罐的氣量體積（轉換為標況下的產氣量）。排液前利用公式計算出初始的罐內液體積Vl1，然后開始進氣排液；排液結束后，再利用公式計算出排液后的罐內液體積Vl2，初始體積減去排液后的體積計算出進罐的工況下氣體體積Vg；根據單位進氣時間t內的進氣量，計算出標況下的單井日產氣量。具體計算公式為

式中：Vl1為排液前初始罐內液體積，m3；Vl2為排液結束罐內液體積，m3；Vg為進罐的采出液中氣相體積，m3；Qg為單井標況日產氣量，m3；86 400為時間常數，24×3 600 s；A為溫度校正系數，把不同溫度下的產氣量校正到標況下的產氣量所用的系數，A=273.15/（工作溫度+273.15）；p為計量罐排液時平均分壓，Pa；t為排液時間，s；ρ為混合液的密度，kg/m3。

2 現場試驗

為了進一步分析計量裝置的準確性、可靠性、最佳測量時間、油井產出液含水率、溫度等參數對計量結果的影響，對不同油井分別進行射頻鎖相陣列式量油和玻璃管量油試驗，并對兩種方法的計量結果進行了標定。在開展現場試驗前，為了保證試驗裝置計量的準確性，在石油工業計量測試研究所對試驗裝置進行標定，確保試驗裝置達到規定的技術指標和精度要求。同時，在標定結束后，在試驗現場對計量的理論標準曲線進行標定，確保試驗裝置適應不同區塊原油物性的含水率計量精度。通過上述工作，為現場的試驗提供堅實的技術基礎。

為了驗證試驗裝置在老區油田計量的準確性及適應性，分別在水驅、聚驅系統開展現場試驗。通過對第六采油廠的地質開發現狀進行分析，選擇喇北西塊二區的兩座計量間（喇2710#計量間和喇2704#計量間）開展現場試驗。根據試驗內容要求，首先在喇2710#計量間開展現場試驗。因該計量間屬于水驅計量間，單井產液量相對較高，因此在分析人工計量與試驗裝置計量誤差的同時，適時開展試驗裝置產液量上限計量的準確性試驗。然后在喇2704#計量間開展現場試驗，該計量間屬于聚驅計量間，產液量較低，且安排在10 月份開展現場試驗，有利于檢測溫度對試驗裝置的影響程度?，F場試驗工藝流程如圖4所示。

圖4 現場試驗工藝流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of field test process flow

產液量計量分析包括試驗前單井產液量變化情況分析、人工計量產液量與試驗裝置計量產液量對比分析、試驗裝置的產液量誤差分析。

含水率計量分析包括試驗前單井含水率變化情況分析、人工計量含水率與試驗裝置計量含水率對比分析、試驗裝置的含水率誤差分析、人工計量含水率與試驗裝置計量含水率波動情況分析。

產氣量計量分析包括人工計量產氣量與試驗裝置計量產氣量對比分析、試驗裝置的產氣量誤差分析。

3 結果分析

以喇6-26 井為例，該井隸屬于喇2710#計量間（水驅），對其人工計量產液量、產氣量、含水率與試驗裝置計量產液量、產氣量、含水率進行對比分析。共計計量生產數據13 組，對試驗單組數據取平均值后與人工計量數據進行對比，計算出試驗裝置計量數據與人工計量數據的誤差。

圖5 試驗前喇6-26井產液量變化Fig.5 Liquid production change of La 6-26 Well before the test

由圖5可以看出，該井整體液量較為平穩，產液量在205 t/d 左右波動。現場試驗中，對喇6-26井共計計量產液量13 組，對單組數據取平均值后與人工計量產液量進行對比分析（圖6）。從圖6可看出，人工計量值與試驗裝置計量值變化趨勢較為一致。以人工計量的產液量為標準值，用試驗裝置計量的產液量與標準值進行對比，計算出試驗裝置計量的產液量與人工計量產液量的相對誤差（圖7）。從圖7 可以看出，由試驗裝置所計量的13組產液量數據中，誤差在-2.61%～1.51%之間，均滿足誤差 ±10%的指標要求。

圖6 喇6-26井產液量對比Fig.6 Liquid production comparison of La 6-26 Well

圖7 喇6-26井產液量誤差Fig.7 Liquid production error of La 6-26 Well

為了直觀、準確地分析單井含水率的變化情況，對該井試驗前30 天的含水率情況進行統計。通過調查井史，該井試驗前30 天的含水率變化呈上升趨勢，階段時間內比較平穩。從圖8 可看出，人工計量值與試驗裝置計量值變化趨勢較為一致。從圖9可以看出，波動誤差均 3%。從圖10可以看出，人工計量含水率與試驗裝置計量的含水率波動較為一致。

圖8 喇6-26井含水率對比Fig.8 Moisture content comparison of La 6-26 Well

圖9 喇6-26井含水率誤差Fig.9 Moisture content error of La 6-26 Well

圖10 喇6-26井含水率波動Fig.10 Moisture content fluctuation of La 6-26 Well

圖11 喇6-26井產氣量對比Fig.11 Gas production comparison of La 6-26 Well

現場試驗中，對喇6-26 井共計計量產氣量10組，對單組數據取平均值后與人工計量產氣量進行對比分析。從圖11 可看出，人工計量值與試驗裝置計量值變化趨勢較為一致。以人工計量的產氣量為標準值，用試驗裝置計量的產氣量與標準值進行對比，計算出試驗裝置計量的產氣量與人工計量產氣量的相對誤差（圖12）。從圖12可以看出，由試驗裝置所計量的9組產氣量數據中，誤差在-1.8%～9.3%之間，均滿足誤差 ±10%的指標要求。

圖12 喇6-26井產氣量誤差Fig.12 Gas production error of La 6-26 Well

依次對喇2710#計量間11 口單井進行現場試驗，將人工計量與試驗裝置計量的1 031 組產液量、768 組產氣量、787 組含水率數據進行對比分析。試驗裝置計量的產液量與計量分離器計量的產液量進行對比，誤差為-7.76%～9.00%，達到了油田公司要求的產液量誤差 ±10%的指標要求。試驗裝置計量的產氣量與計量間氣表計量的產氣量進行對比，誤差率為-8.97%～9.3%，達到了油田公司要求的產氣量誤差 ±10%的指標要求。試驗裝置計量的含水量與人工取樣化驗的含水率進行對比，波動范圍為-2.8%～2.97%，達到了油田公司要求的含水率波動范圍 ±3%的指標要求。

4 結論

（1）在石油工業計量測試研究所對基于射頻鎖相陣列式油井三相計量裝置進行性能測試標定表明，該裝置的計量準確性符合計量規范要求。

（2）在喇2710#計量間、喇2704#計量間開展現場試驗，共計計量28 口油井，將人工計量產液量、產氣量及含水率與試驗裝置自動計量產液量、產氣量、含水率進行對比，驗證試驗裝置的準確性。從對比分析數據中可以看出，產液量計量誤差達到 ±10%的指標要求，含水率波動范圍達到±3%的指標要求，產氣量計量誤差達到 ±10%的指標要求。

射頻鎖相陣列式油井三相計量裝置的適應性和穩定性良好，可以實現計量間產液量、含水率、產氣量的自動計量，大幅度降低了工人的勞動強度，提高了量油效率，為油田計量向自動化、數字化方向發展探索了新途徑，為計量間無人值守奠定了基礎。