油田單井計量技術分析與應用

畢海鵬　李高峰

摘 要 分析了油田現有單井液量、氣量計量及單井采出液含水率測量技術的優缺點，在此基礎上研制了價格低廉、穩定可靠，可以直接安裝在油井井口測量單井產液量、氣量的管式油井氣液兩相流量計和單井在線含水儀，從而計算出單井油、氣、水產量。經大量的現場試驗驗證，管式油井氣液兩相流量計液相計量誤差小于±3.0%、氣相計量誤差小于±5.0%，單井采出液在線含水儀測量誤差不大于±5.0%，可在單井計量中進行推廣。

關鍵詞 單井計量 在線 流量計 含水儀

中圖分類號 TP216? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0581-07

單井計量是油田開發決策的重要依據。油井的油氣水計量普遍采用采出液計量，配合采出液人工含水化驗方法，通過計算最終獲得單井油氣水的計量數據。為解決油田單井計量問題，國內外研究機構相繼研制了多種三相流量計和含水分析儀［1］，如西安交通大學研制的文丘里管式三相流量計、蘭州某單位研制的放射性相關系數法三相流量計和含水分析儀等。這些儀表應用到單井計量上，均存在適應性差、計量穩定性差及故障率高等缺陷，很難在油田大規模推廣應用。

近幾年，勝利、大港、長慶油田利用“示功圖油井遠程計量監控系統”實現了游梁式抽油機油井產液量的測量，但由于示功圖計算油井的產液量受電機功率因數、抽油桿偏磨、油氣比等不確定因素的影響，存在著誤差大（誤差一般在20%以上）、穩定性差的計量缺陷，另外，“示功圖油井遠程計量監控系統”不能解決電潛泵、螺桿泵油井的液量、氣量計量和單井含水測量問題。特別是油井采出液含水測量，目前普遍采用現場取樣、人工化驗的方式。隨著油田體制改革的不斷深入，單井原油含水化驗在生產運行管理中的問題和矛盾日益突出，主要表現在傳統注采化驗室布局分散，化驗效率低，能耗高，測量結果影響因素多，含水數據的規范性、及時性得不到保障，檢驗環境污染嚴重，化驗員積極性不高等諸多問題。

智能油田建設的技術核心和難點是油井計量數據的數字化，即利用現代的數字化計量儀表實現油井的液量、氣量及含水率等參數的測量，以代替傳統的人工“量油測氣”，實現油井生產運行狀態的自動監控和變化趨勢的快速分析，最終達到提高生產效率、降低生產成本的目標。鑒于現有單井計量技術存在的不足，研制開發出穩定可靠、經久耐用、價格低廉，直接能安裝在井口的自動計量儀表，對油田開發和數字化建設具有重要意義［2］。

1 新型單井計量儀表的研制

1.1 管式油井氣液兩相流量計

1.1.1 測量原理

立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置在油田已使用了50多年，目前仍是勝利油田單井計量應用的主要裝置，初步統計，油田90%以上的油井計量站仍使用立式分離器玻璃管液位計完成油井氣、液量的測量。但立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置存在著低伴生氣油井氣、液量測量困難、間歇波動油井計量誤差較大的技術缺陷，同時該計量方法需要人工操作，難以實現自動化；另外，立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置屬于壓力容器，不適合安裝在油井現場，且單套造價約十萬元，因此在每口油井安裝一套立式分離器玻璃管液位計不現實。

針對立式分離器玻璃管液位計在生產使用中存在的不足，在其工作原理的基礎上，研制開發了不受油井產能波動、能夠連續計量的管式油井氣液兩相流量計，經過近一年的現場應用，其計量準確性、工作穩定性達到了油田生產要求，良好的計量性能得到了生產現場的認可。

所謂“管式”是指流量計的主體測量部件是普通管段，本次設計的管式油井氣液兩相流量計選用了DN 159普通輸油管。管式油井氣液兩相流量計的測量原理如圖1所示。

管式油井氣液兩相流量計包括第一測量管A、第二測量管B、入口三通閥F1、出口三通閥F2、差壓變送器及連接管線等。測量管A和測量管B通過入口三通閥與來液管線連接，通過出口三通閥與排液管線連接。測量過程為：

a. 井口兩相流通過入口三通閥進入測量管A，通過控制出口三通閥，測量管A停止排液，此時測量管B來液關閉，測量管B排液閥打開；

b. 液體進入測量管A，根據差壓變送器所測得的p1、p0之間的壓差Δp1，計算液體瞬時流量和單井日產液量；

c. 氣體通過連接管線進入測量管B，根據差壓變送器所測得的p3、p2之間的壓差Δp2，計算氣體瞬時流量和單井日產氣量；

d. 當測量管A中液體質量（高度）達到設定質量（高度）時，三通閥F1、F2同時換向，井口來液則導入測量管B，分離出的氣體驅動測量管A中的液體排出，完成一個循環。

1.1.2 測量系統設計

管式油井氣液兩相流量計主要靠控制兩個電動三通閥實現A、B兩個測量管段交替進液和排液，通過采集管段上下兩點的壓差計算油井的液相流量和氣相流量。流量計顯示器不僅動態顯示液相瞬時流量和累積流量，同時也動態顯示氣相瞬時流量和累積流量。管式油井氣液兩相流量計自動控制軟件框圖如圖2所示［2］。

所設計的管式油井氣液兩相流量計自動化系統具有如下功能：

a. 實時監測井口溫度、壓力等參數；

b. 氣-液兩相瞬時流量、累積流量準確計量；

c. 設備故障自診斷報警；

d. 歷史數據曲線成圖及存儲輸出；

e. 計量數據無線傳輸；

f. 生產過程監測報警。

管式油井氣液兩相流量計的技術指標如下：

測量范圍 氣 0%～100%

液 0～500 t（可選）

測量誤差 氣 ±5.0%

液 ±3.0%

1.2 單井采出液在線含水儀

單井采出液含水在線自動監測技術一直是制約油田實現油氣生產全面自動化的技術瓶頸。多年來，石油行業相關單位針對單井原油含水測定技術開展了一系列的研究和應用推廣工作。近兩年，經過對國內外含水自動監測技術的調研、篩選和試驗，射頻法測量單井含水率取得了良好的應用效果。其原理是根據比爾定律和電磁波的物理特性，同一頻率的電磁波通過不同濃度的介質時，由于介質吸收了部分能量，透射電磁波的強度產生相應變化。若介質厚度不變，介質濃度越大，則電磁波強度的相應變化越顯著，其關系如下［3］：

在線含水儀硬件結構如圖3所示。工作時，感應單元向采出液中發射穩頻恒幅電磁波，電磁波穿透介質，透射電磁波強度隨含水率變化而變化，透射電磁波由感應單元接收，經分析處理單元轉換為含水率信號。該含水儀利用不同介質對電磁波吸收強度的變化，通過簡單分離、高速掃描及加權計算等技術，測量產出液含水率，實現了單井原油含水率的實時監測，具有實時跟蹤、自動遠傳及自動統計分析等功能。

2 單井計量儀表的現場應用

2.1 管式流量計現場應用

管式油井氣液兩相流量計樣機經過不斷完善改進，克服了礦化水腐蝕、結垢及原油凝蠟等現場因素的影響，具備了現場應用的能力。管式油井氣液兩相流量計經過在不同油井（產液量、氣液比、稠油稀油）一年多的使用，其計量準確性、穩定性、適應性和故障率得到了充分驗證。

2.1.1 現場應用條件

勝利油田有2.3萬余口油井，工況相差很大，有含水率10%左右的低含水油井，有含水率98%的高含水油井，有高產、低產油井，有超稠油油井及氣液比為10∶1的油井等。目前油田地面工藝流程大部分是以計量站為中心、多口油井匯集到計量站或聯合站的模式，利用立式分離器玻璃管液位計通過人工操作完成每口油井的氣液計量，再輸送到接轉站和聯合站外輸。

2.1.2 現場安裝流程

管式油井氣液流量計現場安裝流程如圖4所示。油井采出液（含氣）從井口流出，經過移動式標定車、管式流量計后進入生產管線。移動式標定車和管式流量計形成串聯，通過比對，可以評價出管式油井氣液兩相流量計的準確性［4］。

2.1.3 對比測試方法及數據分析

現場選取原油粘度范圍為14.8～137.2 mPa·s，氣液比范圍為0.38～22.30的具有代表性的8口單井進行試驗對比。比對方法為，將標定車與管式流量計串聯安裝在井口，二者同時連續測量一段時間，連續進行3次測量，分別取3次測量的平均值作為各自一段時間的測量值，并推算一天的測量值。

通過對比數據、誤差分析［5，6］，給出了部分油井產液量對比數據（表1）和產氣量對比數據（表2）。

由表1、2可以看出，液量計量試驗相對誤差最大為3.0%，氣量計量試驗相對誤差最大為4.8%。通過分析現場大量的應用數據，在所有測試對比數據中，98.5%的測試數據點液量計量相對誤差在±3.0%以內，99.2%的測試數據點氣量計量試驗相對誤差均在±5.0%以內，測量準確度滿足技術指標的要求。

2.2 單井采出液在線含水儀現場應用

分別在3個采油廠，選擇不同類型（粘度、含水、含氣、采油方式）、不同工況（間歇流、連續流、斷塞流）的油井對單井采出液在線含水儀進行了現場試驗。試驗采取含水儀數據與人工取樣化驗比對的方式進行，部分油井進行了間斷式跟蹤測試。部分試驗數據見表3～5。可以看出，單井在線含水儀測量值與人工化驗差值最大為-4.99%，最小為0.10%。由此可知，測量結果與人工化驗相比具有較好的一致性，能動態反映油井含水變化的趨勢，該在線含水分析儀適用于油田各類油井含水率的自動監測，準確性能夠滿足生產監測計量要求。

3 結束語

經過大量的試驗驗證，所研制的管式油井氣液兩相流量計液量計量相對誤差在±3.0%以內，氣量計量相對誤差在±5.0%以內，具有氣液兩相瞬時、累積等多種計量模式和自動采集傳輸功能，具有計量準確可靠、適應性強、安裝方便及投資維護成本低等優點。

單井在線含水儀測量結果與人工化驗相比誤差可控制在±5.0%以內，能夠滿足生產監測計量要求，具有適應性強、安裝簡單、實時跟蹤及自動統計分析等特點，其推廣應用前景十分廣闊。但是由于油田尚不具備對在線原油含水儀的評價技術手段，人工化驗比對方法難以保證被測樣品與含水儀監測樣品的一致性，比對結果不能對含水儀進行準確評價。下一步，筆者將研究利用聯合站現有分離效果，建立一套油氣水自動配比全量程多相流校準裝置，以實現油井在線含水儀和標產車、多相流量儀表的檢測、校準和評價，為油田生產信息化建設提供有力支持。

總之，單井油氣水的在線自動監測計量是油田轉型發展的大勢所趨，油田研制的管式油井氣液兩相流量計和在線含水儀配合使用，很好地解決了油田單井氣液自動計量和單井含水在線測量的難題，實現了單井油氣水的自動計量，真正實現從傳統的人工切換流程、取樣化驗向無人值守的自動計量轉變，對促進油田開發和智能油田建設具有重要的作用，有著廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

［1］ 紀綱.流量測量儀表應用技巧［M］.北京：化學工業出版社，2009：34-35.

［2］ 杜懷棟，王宏偉，李高峰.管式油井氣液兩相流量計的研制與應用［J］.自動化儀表，2016，37（11）：81-84；87.

［3］ 王池，王自和，張寶珠，等.流量測量技術全書［M］.北京：化學工業出版社，2012：210-215.

［4］ 蘇彥勛.流量計量與測試［M］.北京：中國計量出版社，2007：54-59.

［5］ 費業泰.誤差理論與數據處理［M］.北京：機械工業出版社，2009：34-36.

［6］ 李慎安.測量不確定度百問［M］.北京：中國計量出版社，2009：45-58.

（收稿日期：2022-11-19，修回日期：2023-06-06）