通過分析勝利油田現(xiàn)有單井計量技術(shù)的優(yōu)缺點，基于傳統(tǒng)立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置測量原理，設(shè)計研制了一種價格低廉、穩(wěn)定可靠、可直接安裝在油井井口的管式油井氣液兩相流量計。現(xiàn)場試驗證明，該流量計適用于低產(chǎn)、波動、間歇、低氣液比、稠油等各種類型的油井，液相計量誤差小于 ± 3% ，氣相計量誤差小于 ± 5% ，造價低于 2 萬元。該流量計計量性能優(yōu)良，在油田開發(fā)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

0.引言

為解決油井氣、液計量問題，國內(nèi)外研究機構(gòu)相繼研制了多種三相流量計 ，如西安交大研制的文丘里管式三相流量計。但這些三相流量計，均存在適應(yīng)性差等缺陷。示功圖油井遠(yuǎn)程計量監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對游梁式抽油機油井產(chǎn)液量的計量，但該系統(tǒng)受電機功率因數(shù)等不確定因素的影響，存在誤差大等計量缺陷，且無法解決電潛泵、螺桿泵油井的液量和氣量計量問題。

通過對各計量方式的現(xiàn)場應(yīng)用和對比測試，認(rèn)為計量油井氣、液較有效的方法是通過立式分離器玻璃罐液位計進(jìn)行計量。因此，深入分析研究立式分離器玻璃管液位計的工作原理，研發(fā)穩(wěn)定可靠、價格低廉、能直接安裝在井口的氣液流量計，對油田的開發(fā)和數(shù)字化建設(shè)具有重要意義 。

1.立式分離器玻璃管液位計的工作原理

立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置已成功應(yīng)用于油田 50 余年。據(jù)初步統(tǒng)計，90% 以上的油井計量站仍沿用立式分離器玻璃管液位計完成油井的量液和測氣工序。

立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置的工作原理是: 井排來液，然后來液通過計量間的閥組進(jìn)入分離器?；旌狭黧w在分離傘的作用下，液體中的氣體被分離出來，此時若打開閥門 F1 ，分離器中的液位會不斷上升，分離器底部水包中的水在液體的作用下，使玻璃管內(nèi)水的液位上升，讀取玻璃管液位從刻度 1 到刻度 2的時間 t1 。當(dāng)玻璃管液位上升到刻度 2 時，關(guān)閉閥門 F1 ，油井來液中的氣體在分離器上部聚集，致使分離器的液位不斷下降; 同樣地，玻璃管內(nèi)的液位也會隨之下降，讀取玻璃管液位計從刻度 2 到刻度 1 的時間 t2 。利用相關(guān)計算公式，即可得到油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量，實現(xiàn)油井的氣液兩相計量 。

根據(jù)流體虹吸原理，分離器液體產(chǎn)生的壓力等于玻璃管水柱的壓力 ，則:

式中: P1 為分離器內(nèi)的工作壓力; α 為含水率修正系數(shù)。當(dāng)含水率為 90% 時，α 約為 0． 99; 當(dāng)含水率為 80% 時，α 約為 0． 98，依次類推。

從式( 3) 和式( 5) 可以得出，只要讀取玻璃管液位上升( 下降) 高度和時間，即可測量出油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量。

立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置通常使用的立式分離器直徑為 800 mm，高為 2 000 mm。分離器內(nèi)部用作計量的容積腔可以看作是一定直徑的圓筒，從結(jié)構(gòu)上看，分離器內(nèi)部在測量過程中無任何可傳動部件，與質(zhì)量流量計或刮板流量計相比，其計量性能不受油井流體中雜質(zhì)的影響。另外，盡管分離器存在結(jié)蠟和結(jié)垢現(xiàn)象，可能使計量段容積變小，但在一段時間內(nèi)計量段容積變化量較小，因此立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置的計量穩(wěn)定性高、故障率低，無需經(jīng)常進(jìn)行周期校準(zhǔn)。玻璃管液位計作為計量裝置的顯示部件，其工作穩(wěn)定可靠、故障率極低。

立式分離器玻璃管液位計憑借其獨特的技術(shù)特點，在油田油井計量中始終處于經(jīng)久不衰的地位。大慶、勝利、遼河、克拉瑪依、中原等各大油田目前仍使用立式分離器作為油井計量的主要裝置。

但立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置存在低伴生氣油井量液測氣困難、間歇波動油井計量誤差較大的技術(shù)缺陷，同時該計量方法需要人工操作，難以實現(xiàn)自動化計量。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(xiàn)場，且單套造價在十萬元左右，因此在每口油井安裝一套立式分離器玻璃管液位計并不現(xiàn)實。

2.管式油井氣液兩相流量計的設(shè)計原理

針對立式分離器玻璃管液位計在生產(chǎn)使用中存在的不足，勝利油田技術(shù)檢測中心在立式分離器玻璃管液位計工作原理的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了不受油井產(chǎn)能波動、能夠連續(xù)計量的管式油井氣液兩相流量計。經(jīng)過近兩年的現(xiàn)場應(yīng)用，其計量準(zhǔn)確性、工作穩(wěn)定性均達(dá)到了油田的生產(chǎn)要求，以良好的計量性能得到了采油廠的認(rèn)可。

2． 1 管式油井氣液兩相流量計工作原理

所謂“管式”是指流量計的主體測量部件是普通管段，本次設(shè)計的管式油井氣液兩相流量計選用了DN159 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。

油井井口來液( 含氣) 進(jìn)入管式氣液兩相流量計，當(dāng)三通閥 F1 處于左通右關(guān)、F2 處于左關(guān)右開的狀態(tài)時，井口來液首先導(dǎo)入測量管 A，隨著油井產(chǎn)出的液體不斷流進(jìn)測量管 A，測量管 A 中的液位會不斷上升，分離出的氣體從測量管 A 的上部進(jìn)入測量管 B，促使測量管 B 中的液體排出。當(dāng)測量管 A 中液體質(zhì)量達(dá)到設(shè)定質(zhì)量時，三通閥 F1 、F2 同時換向，井口來液則導(dǎo)入測量管 B，隨著測量管 B 中液位的不斷上升，分離出的氣體從測量管 B 的上部進(jìn)入測量管 A，促使測量管 A 中的液體排出，完成一個循環(huán)。

在測量管 A 和測量管 B 分別安裝差壓傳感器，若 A 中液柱上升，則 P0 與 P1 增大、P2 與 P3 減小; 若 B 中液柱上升，則 P0 與 P1 減小、P2 與 P3 增大。通過測量管段的差壓，計算出油井的液體流量和氣體流量。

根據(jù)液柱壓強的定義:

從式( 8) 和式( 13) 可以看出，油井的產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量只與 A、B 管液柱差壓有關(guān)，只要準(zhǔn)確測量管段液位的差壓，就可以得到油井的液體流量和氣體流量。

2． 2 管式油井氣液兩相流量計的加工制造

綜合考慮油井的產(chǎn)液量、流量計的準(zhǔn)確度 ( 計量誤差) 和電動三通閥的換向頻次，可計算出 A、B 管段的設(shè)計高度和差壓傳感器兩個引壓點的位置。

勝利油田分為抽油機油井、電潛泵油井、螺桿泵油井，一般抽油機油井的產(chǎn)液量在 100 t /d 以下，電潛泵和螺桿泵油井的產(chǎn)液量則高達(dá) 400 t /d。對于中低產(chǎn)油井，選用的油井氣液兩相流量計是雙管; 對于高產(chǎn)油井，考慮到電動三通閥換向過于頻繁且對于計量準(zhǔn)確度有一定要求，因此選擇通過增加管段的方法延長換向時間，選用的油井氣液兩相流量計是四管的。四管的油井氣液兩相流量計，每兩個測量管段為一組。為確保液位基本平衡一致，同組中的兩管之間加裝了連

通管。

2． 3 管式油井氣液兩相流量計的自動化設(shè)計

管式油井氣液兩相流量計主要通過控制兩個電動三通閥，實現(xiàn) A、B 兩測量管段交替進(jìn)液和排液的過程。通過采集管段上下兩點的差壓，計算油井的液相流量和氣相流量。流量計顯示器不僅動態(tài)顯示液相瞬時流量和累積流量，同時動態(tài)顯示氣相瞬時流量和累積流量。

管式油井氣液兩相流量計硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 。

設(shè)計的管式油井氣液兩相流量計自動化系統(tǒng)具有如下功能:

①實時監(jiān)測井口溫度、壓力等參數(shù);

②準(zhǔn)確計量氣 － 液兩相瞬時流量、累計流量;

③設(shè)備故障自診斷報警;

④歷史數(shù)據(jù)曲線成圖及存儲輸出;

⑤計量數(shù)據(jù)無線傳輸;

⑥生產(chǎn)過程監(jiān)測報警。

管式油井氣液兩相流量計的技術(shù)指標(biāo)如下: 含氣率為 0 ～ 100% ; 液體測量量程為 0 ～ 500 t; 氣量誤差不大于 ± 5． 0% ，液量計量誤差不大于 ± 3． 0% ; 公稱壓力分為 1． 6 MPa 、2． 5 MPa、4． 0 MPa 、6． 4 MPa; 信號可通過 GPＲS 遠(yuǎn)距離傳輸。

3.管式油井氣液兩相流量計的現(xiàn)場應(yīng)用

管式油井氣液兩相流量計樣機經(jīng)過不斷完善和改進(jìn)，克服了礦化水腐蝕、結(jié)垢和原油凝蠟等現(xiàn)場因素的影響，具備了現(xiàn)場應(yīng)用的能力。管式油井氣液兩相流量計經(jīng)過在不同油井( 產(chǎn)液量、氣液比、稠油稀油) 一年多的使用，其計量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性和故障率均得到了充分驗證。

3． 1 現(xiàn)場應(yīng)用條件

勝利油田 30 000 多口油井的工況相差很大，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(chǎn)油井、低產(chǎn)油井，有超稠油井 ( 原油黏度大于 10 000 mPa·s) ，有氣液比為 10: 1 的油井。

目前，油田地面工藝流程大部分采用計量站為中心、多口油井匯集到計量站的模式 ( 偏遠(yuǎn)油井采取單井高架罐或多功能罐的工藝流程模式) ，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(zhuǎn)站和聯(lián)合站。

3． 2 現(xiàn)場安裝

將管式油井氣液流量計直接安裝在油井井口，油井采出液( 含氣) 從井口流出，經(jīng)過管式流量計進(jìn)入計量站。因此，立式分離器玻璃管液位計和管式流量計形成了封閉的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以通過比對，評價管式油井氣液兩相流量計的準(zhǔn)確性。

3． 3 現(xiàn)場對比測試及數(shù)據(jù)分析

將立式分離器玻璃管液位計油井計量裝置作為對比標(biāo)準(zhǔn)，通過比對管式油井氣液兩相流量計與其之間的差值，來評定管式油井氣液兩相流量計的計量準(zhǔn)確度。

試驗方法為: 現(xiàn)場選取原油黏度范圍為 14． 8 ～ 137. 2 mPa·s，氣液比范圍為 0． 38 ～ 22． 3 的具有代表性的 8 口單井進(jìn)行試驗比對。比對方法是: 先用立式分離器玻璃管液位計對油井來液進(jìn)行三次連續(xù)液量、氣量計量，取三次的平均值作為油井當(dāng)日的產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量 x。在此測試期間，管式油井氣液兩相流量計顯示的油井日產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量作為測量值 x。按照誤差定義，測量誤差為：

3． 4 結(jié)果分析

通過油井 T61 － X708 、T61 － X202 對比數(shù)據(jù)可以看出，液量試驗誤差***大為 2． 67% ，氣量試驗相對誤差值***大為 － 3． 21% 。

對其他 6 口油井同樣進(jìn)行了對比測試( 由于數(shù)據(jù)較多未一一列出 ) 。在所有測試對比數(shù)據(jù)中，有98． 2% 的測試數(shù)據(jù)點液量相對誤差在 ± 3% 以內(nèi)、氣量試驗相對誤差均在 ± 5% 以內(nèi)，說明管式油井氣液兩相流量計的計量準(zhǔn)確度達(dá)到了液相計量誤差小于 ± 3% 、氣相計量誤差小于 ± 5% 的水平

4.結(jié)束語

管式油井氣液兩相流量計具有計量準(zhǔn)確可靠、適用性強、安裝方便、價格低廉( 單臺造價 2 萬元) 的優(yōu)點。該管式油井氣液兩相流量計自應(yīng)用到油田生產(chǎn)以來，故障率小于 1． 5 次 / 年，良好的性能得到了廣大用戶的普遍好評。該流量計很好地解決了油田油井氣液自動化計量的難題，對促進(jìn)油田的開發(fā)和數(shù)字化建設(shè)具有十分重要的意義，有著廣闊的應(yīng)用前景。