油田井口稱重計量微波加熱技術研究

劉婷婷 何鵬 楊朝鋒 鮑文 梁裕如

陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院

油田原油單井計量主要目的是為了掌握地下儲油層的儲存和開采狀況，分析儲油層的變化動態，為制定科學的油田開發方案提供準確可靠的依據，實現油田管理科學化，開發效益最大化。但在油田開發后期階段，隨著單井產液量少及含氣、出砂、結蠟、間歇出液等諸多問題的出現,直接影響了單井稱重計量的準確度[1]。如何降低不良因素的影響，保證井口的準確計量是各大油田需解決的問題。

1 稱重計量的優點和存在的問題

稱重計量能夠減少因產液攜氣造成的假體積而帶來的準確度誤差，能夠穩定地計量機抽井間歇性產液，計量準確度高、自動化程度高、成本低。但原油含水在線測量受產液含水變化波動[2-4]、設備穩定性等諸多因素的影響，較難保持穩定。因此，一般采用定期取樣化驗油水密度來驗證計算原油含水率。

在低產油井的井口計量中，受油井間歇產液，含氣、出砂、結蠟等諸多因素的影響，采用稱重計量結合取樣計算含水率的方法能保持較好的計量穩定性，提高井口計量的準確度[5-6]。但在溫度較低的工況中進行計量時，受低產油井間歇產液影響，當單次來液量達不到最低計量標準時，為了減少計量誤差，須在計量罐內滯留來液，直到累計來液量達到計量標準時再進行稱重計量[7-10]。

因此，在計量結束后的排液過程中，由于來液在計量罐中停留時間較長，導致溫度下降，致使經常出現掛壁、結蠟等現象，甚至會“冰凍”在計量器中，影響稱重的準確度及含水率的計算，導致下次計量的誤差。因此，須對計量罐內產液進行加熱，將排液溫度控制在一定范圍內，才能減少稱重計量的誤差[11-13]。

常規采用電加熱等方式，這種加熱方式對原油是由外到內的傳熱過程，存在加熱速度慢、加熱效率低且需持續不間斷伴熱的問題[14-16]，從而大大浪費了能源。

2 微波加熱的原理和優勢

在計量器內，產液為油水混合液，其中水是極性分子組成的物質，能較好地吸收微波，而原油是由非極性分子組成，基本上不吸收或者很少吸收微波,但不影響計量器內微波的加熱效果。當產液為水包油時，水吸收微波被加熱，而水會“溫暖”地包裹著油，把熱量傳遞給油，共同升溫；當產液為油包水時，微波能量會透過原油加熱水珠，這時，原油就像“懷抱”無數“小太陽”的熱水珠，一起升溫；當產液僅為原油時，這時計量器就變成了微波諧振腔，微波在計量器內反復輻射，加熱原油。因此，利用微波對計量器內的累計來液進行一次性的“即時”快速加熱，使之能高效、快速地排液是可行的。

3 微波加熱效果的試驗研究

本研究設計了1臺帶有微波加熱的井口稱重計量裝置，通過在室內搭建平臺，進行稱重計量實驗，以觀察微波的加熱效果和了解對稱重計量的準確度影響。

3.1 計量設備整體結構設計

自動稱重計量器工作原理為：當產出液流入計量器到一定容量時，進液閥關閉，計量器自動稱重，通過密度法計算出單井產液含水率；然后打開排液閥，待排出全部計量產液后，關閉排液閥，打開進液閥，循環反復，累計產液量。設備結構如圖1所示。

計量罐體為雙層結構，外層內壁上部設有支撐臺，支撐臺上放置稱重傳感器，內層掛于外層內部的稱重傳感器上，內層外壁設有微波源加熱裝置。外層內部頂部設有液位計、液位傳感器、溫度傳感器等自控設備和伴生氣管線，方便伴生氣的計量和收集。外層內部下方與排液槽連通，排液槽與罐體頂部的緩沖罐通過溢流管連通。外層主要起來液緩沖、對內罐支撐、稱重后液體集流排出及收集溢流排液的作用，與此同時隔絕外部環境對稱重的影響。

表1 原油基本物性表井號層位φ(水)/%20 ℃密度/(kg·m-3)析蠟點/℃析蠟高峰點/℃w(蠟)/%w(膠質)/%w(瀝青質)/%凝點/℃50 ℃黏度/(mPa·s)雙五轉長6-280839.4130.1717.8925.243.420.31205.2041-116#長6-160839.7730.9424.248.4216.020.28236.0522-16-5#延1075849.8339.1328.156.6015.600.85169.6323-7-4#長4+50846.1036.0524.943.8019.440.38225.6223-69-2#長92851.0048.4224.678.6915.260.853210.5123-49-4#延95842.0032.2423.496.7019.290.29235.4023-23-2#長25856.0039.6322.755.0316.280.782510.87

3.2 微波加熱結構設計

3.2.1加熱溫升確定

為了解井口來液的流變特性，確定加熱溫升，進行了現場取樣，選取了7個有代表性層位的含水原油，油井基礎資料見表1。

由表1可以看出，不同層位的原油性質亦有一定的差別。延長油田原油均屬于輕質含蠟原油，含蠟質量分數為5%～30%，析蠟溫度為20～40 ℃。

為進一步了解延長區塊含水原油的流變特性，在實驗室對雙五轉-長6-2含水原油做了DSC熱分析曲線，如圖2所示。

同時，測試了雙五轉-長6-2含水原油不同溫度下的累積析蠟量(見表2)。

對雙五轉-長6-2含水原油的黏溫數據同時進行了測試(見表3)。

雙五轉-長6-2含水原油的黏溫曲線如圖3所示。

測試結果表明：含水原油在30 ℃以上時，黏度較低且只與溫度有關而與剪切率無關，表現出牛頓流體性質；在30 ℃以下時，原油的表觀黏度大且與剪切率有關，表現出非牛頓流體性質；溫度低于25 ℃以后，原油中不僅有蠟晶大量析出，而且黏度隨溫度下降而迅速上升。

表2 原油在各溫度下的累積析蠟量溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%300.01173.7248.51-912.38290.06164.1138.84-1012.63280.14154.5029.17-1112.87270.25144.8919.49-1213.10260.45135.2809.81-1313.33250.72125.65-110.12-1413.55241.04116.03-210.43-1513.76231.39106.40-310.72-1613.96221.7696.76-411.02-1714.16212.1487.12-511.30-1814.35202.5377.48-611.58-1914.53192.9367.83-711.86-2014.71

表3 原油的黏溫關系溫度/℃稠度系數/(Pa·sn)流變指數10 s-1黏度/(mPa·s)20 s-1黏度/(mPa·s)50 s-1黏度/(mPa·s)203 341.5 0.22549.1318.8155.42578.80.7544.337.329.7308.81.008.88.88.8356.91.006.96.96.9406.61.006.66.66.6505.21.005.25.25.2

延長油田原油屬于輕質含蠟原油，析蠟溫度為20～40 ℃，凝點為15～25 ℃。因此，將來液溫度加熱至30 ℃以上時，基本可以使來液保持良好的流動性能。

受低產油井間歇產液以稱重計量準確度要求的影響，考慮到冬季極端工況條件下，井口來液在計量罐內長時間停留，溫度降至與環境溫度相同，取該地區冬季平均溫度-10 ℃為基準，則加熱溫升為40 ℃。

3.2.2功率確定

低產油井日均產液量一般不超過1 t，以1 t產液量計算，則30 min平均產液量為20 kg。在微波作用下，水的介電損耗遠高于油，微波能大部分被水吸收，假定產液全部為水。含水原油吸收熱量計算如式(1)。

q=cmΔt

(1)

式中：q為吸收熱量，J;c為物體比熱容，J/(kg·℃);Δt為吸熱前后溫差，℃；m為質量，kg。

可知，當取Δt=40 ℃、c=4.2×103J/(kg·℃)、m=20 kg時，相同功率下，不同含水率的原油加熱相同溫升-10～30 ℃(升溫40 ℃)所需時間見表4。

表4 微波加熱耗時功率/kW頻率/MHz溫升/℃w(水)/%質量/kg時間/min12 4504010205.612 45040202011.212 45040302016.812 45040402022.412 45040502028.012 45040602033.612 45040702039.212 45040802044.812 45040902050.412 450401002056.0

由表4可知，低含水率下，微波加熱時間短，高含水率加熱時間長，這主要是微波選擇性吸收與水高比熱造成的。在低含水率情況下，大量微波能被少量油層水吸收，水溫迅速上升，與連續油相高效換熱，混合物體系溫度快速上升，而在高含水率下，這種情況并不存在。

油田開采后期，原油含水普遍較高，以平均含水率60%為計算基準，單次累計稱重體積取20 L，為了避免影響稱重計量的連續性，微波加熱時間應該控制在15 min以內。由表4可知，1 kW微波加熱源的加熱時間為33.6 min。因此，使用3 kW的微波加熱源確保能將排液加熱時間控制在15 min以內。

3.2.3能量饋入方式確定

微波加熱源的主視圖和俯視圖如圖4、圖5所示。

由于微波傳輸過程存在能量損耗，為了提高能量利用率，將3個微波加熱源分別按軸向120°，軸向位于計量器底部向上150 mm、300 mm和450 mm 處螺旋布置，促進計量器上下部實現對流換熱，微波能在此3處通過波導饋入，計量罐外壁開孔處采用石英玻璃密封。相比于對稱布置，螺旋布置能夠減少微波加熱源頻率之間的相互干擾，微波加熱源饋入的微波能在整個油層均勻分布，提升加熱效率，減少加熱時間。

饋入波導采用標準矩形波導、漸變波導以及非標準矩形波導的組合，可以有效地減少微波饋入反射，降低微波能損失。微波磁控管采用水冷散熱，循環冷卻水箱設在計量器外，水箱內添加防凍液。

3.3 室內實驗測試

3.3.1實驗工藝流程

為了驗證微波加熱應用于稱重計量的可行性，搭建了室內實驗平臺，實驗主要為驗證微波加熱源對計量罐內低溫產液加熱的高效性和即時性，以及對低溫產液造成的原油掛壁、結蠟的消除作用。稱重計量微波加熱工藝流程路線見圖6。

3.3.2實驗流程步驟

(1) 為了模擬井口環境溫度，利用低溫氮氣將計量罐內溫度降至并維持在-10 ℃。高壓常溫氮氣經過多級節流后，由緩沖罐頂溢流管線(圖5紅色所示)進入計量罐，從計量罐頂的伴生氣管線流出，同時將計量罐內溫度維持在-10 ℃。

(2) 選用延長某區塊含水原油，由小流量液體增壓泵將儲罐內含水原油泵送至原油電加熱器，將油樣溫度加熱至25 ℃，隨后進入計量裝置。單次進液量為20 L，由計量器內液位計監測，當進液量高度到達設定的門限值時，進液電磁閥自動關閉，停止進液，油液進入計量設備后，停留時間保持在30 min。

(3) 30 min后，啟用上述3個功率為1 kW、頻率為2 450 MHz的微波加熱源開始加熱。計量器內溫度傳感器對溫度進行監控，當油溫升至30 ℃時，停止加熱，對含水原油進行稱重計量，隨后打開排液閥排液，同時對原油計量誤差進行驗證，總共進行20組重復實驗。

3.3.3實驗結果

微波加熱輔助稱重計量的室內實驗數據見表5。

表5 微波加熱輔助稱量計量實驗結果油樣編號w(油)/%稱量質量/kg加熱時間/min含水原油質量(計量結果)/kg含水原油質量(驗證結果)/kg相對偏差/%155.0218.728.910.309.815.00256.0018.758.910.5010.034.70371.2419.2312.813.7013.045.10459.1520.1210.511.9011.285.50573.5517.5410.512.9012.334.60673.6919.3112.914.2313.535.20769.5220.6712.914.3713.764.40850.0818.578.29.308.874.80970.9317.3410.512.3011.764.601060.2317.6510.110.6310.095.401168.7416.5410.311.3710.825.101261.6418.1211.111.1710.496.501372.1719.2611.713.9013.096.201473.0919.2911.614.1013.544.101593.4520.1514.218.8317.785.901692.1617.9813.816.5715.934.001762.7418.4410.211.5710.965.501862.7618.9610.311.9011.236.001994.1420.1513.818.9718.174.402084.2819.6613.216.5715.665.80

計量結果由稱重質量乘以含油率得到，驗證結果采用取樣破乳，經油水分離后對原油稱重計量得到。

原油稱重室內實驗計量結果的相對偏差可由式(2)計算得到。

(2)

(3)

(4)

含油率=1-含水率

(5)

式中：ρ為待測產液的密度，kg/m3；ρ水為油層水密度，kg/m3；ρ油為原油密度，kg/m3；m為單次稱重的質量，kg；v為單次稱重的體積，m3；s為計量罐的橫截面積，m2；h為單次計量產液的高度，m。

由表5可知，微波加熱時間基本控制在15 min以內，由于現場計量時，加熱溫升可能無需達到40 ℃，且油層水的礦化度對微波吸收也有促進效果，礦化度越高，油層水對微波能的吸收也會相應提高。延長油田油層采出水體積分數一般為10×10-6，屬于偏高范圍，因此微波加熱可滿足高效、即時的加熱需求。

在實驗結束后，將實驗設備進行拆卸，觀察到計量罐內壁無明顯掛壁現象存在，也無結蠟現象出現。

通過將計量結果與驗證結果進行對比，發現相對偏差均遠小于設計規范要求的10%井口計量誤差規定，達到了較高的計量準確度。

4 經濟效益分析

在實驗工況下，3個1 kW微波加熱源可將滿罐20 L含水原油在10 min內從-10 ℃加熱到設定溫度30 ℃。同等工況下，若將微波加熱源換成總功率為3 kW的電加熱絲纏繞管體，則需加熱約30 min才能達到設定溫度，若換成總功率為6 kW的電加熱絲，則需加熱約10 min才能達到相同的效果。

電加熱是通過熱傳導將熱量從表及里傳遞而加熱含水原油，含水原油中不可避免地存在溫度梯度和能量損失，致使加熱不均勻，出現局部過熱。微波加熱主要是通過偶極極化和離子傳導，使極性分子摩擦產生熱量。無需任何熱傳導過程，就能使含水原油內外部同時加熱，加熱速度快且均勻，因此微波加熱效率明顯高于電加熱。

實際工況下在間歇來液過程中,當采用微波加熱時，在含水原油達到設定稱重液位后一次加熱稱重即可。而同等功率下采用電加熱進行加熱時，因存在熱傳導及熱量散失，為不影響正常生產須對來液進行預熱并維持在一定溫度，等計量罐達到指定液位后再進行加熱稱重，需要更長的加熱時間，這將造成預熱和維持溫度過程中的能量浪費，導致總體加熱效果變差。

5 結論

本研究嘗試通過將微波加熱與稱重計量相結合應用于低產油井間歇來液的井口計量，裝置設計采用將微波加熱源螺旋布置于稱重罐體上，通過室內含水原油稱重計量實驗對比驗證了微波加熱含水原油的即時性、高效性。

(1) 微波能高效加熱低產油井間歇來液，對計量體積為20 L的含水原油，加熱溫升40 ℃的平均耗時在10 min以內，同時發現油層水的礦化度越高,加熱時間越短。

(2) 油井產液在微波加熱作用下，原油掛壁、結蠟的現象明顯減少，并且稱重計量的相對偏差均遠小于10%，井口計量誤差要顯著高于設計規范要求，達到了較高的計量準確度。

(3) 實驗工況下，3個1 kW微波加熱源可將滿罐20 L含水原油在10 min內從-10 ℃加熱到設定溫度30 ℃，同等工況下總功率相同的電加熱絲纏繞管體需加熱約30 min才能達到設定溫度。針對間歇來液低產油井單井計量，相比于電加熱，微波加熱輔助稱重計量更及時、高效，具有更好的節能優勢和經濟效益。