质量流量计在油田OGM计量站的应用

摘要：本文介绍了质量流量计在油田OGM计量站生产测试计量中的应用，对OGM计量系统做了概述，阐述了质量流量计的选用和含水计算测量方法，分析了对含气/含砂对质量流量计的液体流量测量和含水测量的影响，提出了解决措施，并结合实际应用提出了质量流量计选型中应注意的问题。

Abstract:The paper introduces the application of mass flow meter in production test metering in oilfield OGM station,briefly describes OMG metering system,clarifies the selection of mass flow meter and measuring method of water-cut,analyzes gas/sand effects and solutions on the metering of liquid flow rate and water-cut,and presents some attentions to be paid during model selection of mass flow meter based on the actual application.

0、引言：
 为掌握油田每口油井的动态，为油藏工程、油田开发提供准确的基础资料，须对每口油井进行生产测试计量，即对产液量、含水、密度等进行计量，全面地了解每口单井的生产动态。油田OGM计量站是在远离原油处理站且油井相对集中的区域建立的集油管汇集中计量站，可实现一套生产测试计量装置计量多口单井，避免了每口单井上安装一套计量装置，同时避免每口单井到原油处理站计量管线的敷设，节约大量投资。
 生产测试计量(即单井计量)方式有很多种，大多采用两相分离器或三相分离器配液量计量、含水计量、密度计量仪表等方式。液量计量仪表有液面计量、翻斗称重计量、速度式流量计量、容积式流量计量或科氏力质量流量计量等仪表，其中科氏力质量流量计(以下简称质量流量计)计量方式以计量精度高、量程比宽、安装简单、不需要直管段、组态方便、维护方便、操作简单等优点，在油田单井计量中得到了广泛的应用^[1]。近年，我们 为苏丹六区、苏丹三七区、土库曼斯坦巴格德雷区、尼日尔GOUMERI、尼日尔SOKOR、伊拉克AHDEB等油田提供了40多套质量流量计加两相分离器的生产测试计量橇，取得了较好的应用效果，也发现了一些问题。
 
1、OGM计量系统概述：
 OGM计量系统由集油管汇、生产测试计量橇等组成。生产测试计量橇包括两相分离器、液体流量计(质量流量计)、气体流量计(涡街流量计或孔板流量计)等。系统流程如下：多口单井来液至集油管汇，通过集油管汇选取一口单井来液进两相分离器进行气液分离，液路(油水混合液)通过质量流量计进行计量，气路通过涡街或孔板等流量计进行计量，气液计量后再合流进汇管，与其他未选单井的来液一起至原油处理站^[2]。OGM计量系统流程简图见图1。

图1 OGM计量系统流程简图

  如果将集油管汇选用多通阀橇，与两相分离器、质量流量计、RTU控制系统等一起，可实现OGM计量站的自动和远程选井计量功能。我们为苏丹六区、伊拉克AHDEB油田提供的就是这种集多通阀橇、两相分离器、质量流量计、RTU等一体的具有自动/远程选井计量功能的成套OGM计量站。
 
2、质量流量计的测量原理和选用：
2.1、质量流量计的测量原理：
 流体在旋转的管内流动时会对管壁产生一个力，称为科里奥利力(简称科氏力)。质量流量计就以科氏力为测量基础。
 如图2 所示，截取一根支管，流体在其内以速度V从A流向B，将此管置于以角速度ω旋转的系统中。设旋转轴为X，与管的交点为O，由于管内流体质点在轴向以速度V、在径向以角速度ω运动，此时流体质点受到一个切向科里奥利力Fc。这个力作用在测量管上，在O点两边方向相反，大小相同，为：

图2 质量流量计测量原理图
当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度为Δx 的管道都将受到一个切向科里奥利力：

 
式中，A为管道的流通截面积。由于存在关系式：质量流量mq=ρVA，所以ΔFc=2ωqmΔx。因此，直接或间接测量在旋转管中流动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。
 
2.2、质量流量计的选用：
 质量流量计采用EMERSON公司的Micro Motion质量流量计，由CMF型流量传感器和3700流量计算机(NOC)两部分组成，流量传感器内置密度传感器和温度传感器。质量流量计量精度为±0.1%，密度计量精度为±0.0005g/ml，温度计量精度为±1℃±0.5%读数。
 由于内置密度和温度传感器，每口单井油水混合液的质量流量、密度及温度由质量流量计直接测量出。通过质量除以密度可以得到体积，通过密度法可以计算出含水率，根据这两种方法，质量流量计的流量计算机计算出混合液的含水率、混合液的体积瞬时流量和累积流量、纯油的质量/体积瞬时流量和累积流量、产出水的质量/体积瞬时流量和累积流量等参数。
 一台质量流量计能同时测量油水产量、含水率、密度、温度等参数，这样避免了在线含水分析仪、密度计的使用；同时，在质量流量计的单井测试模式下，内部可以存储多达48口单井的计量数据，也就是一个OGM的质量流量计可以完成多达48个单井的 计量。质量流量计通过RS485与RTU控制系统进行通讯，与多通阀橇等其他设备一起可实现OGM计量站的自动/远程选井计量功能，大大方便人工操作和降低运行成本^[3,4]。
 
3、含水率的测量方法：
  质量流量计的流量计算机(NOC)依据以下含水率计算公式进行含水率计算：
 
(3)
 
  式中： 为含水率； ^ρ混 为油水混合液的密度； ^ρ油 为纯油的密度； ^ρ水 为产出水的密度。
  混合液的密度由质量流量计内密度传感器直接测量，纯油的密度、产出水的密度均通过取样由实验室分析出。将实验室分析出的每口单井的纯油密度、产出水密度组态进流量计算机，流量计算机就会自动地计算出含水率。

4、含气含砂对流量测量的影响及解决措施：
  液体中含气会影响到质量流量计流量测量的精度。大量资料表明：当油水混合液中含有的游离气体积比不超过15％时，流量计可以正常稳定地工作；当含气量小于5％时，流量计量精度几乎不受影响；当含气量约为l0％时，流量测量误差小于3％。一般情况下，在计量过程中，由于油井产出的混合液经过分离器后绝大部分气体被分离出去，所以气体对液量测量的影响很小。但这样也难以保证液体中不含有气体，特别是对于发泡性原油，对于这种情况，需要通过提高分离效率、增大分离停留时间、加注消泡剂等技术手段尽可能在混合液进质量流量计前将气体分离出去，才能提高流量计量的准确性。

5、含气含砂对含水测量的影响及解决措施：
在实际测量过程中发现，对于某些油田、某些区块的一些单井，如苏丹三七区Moleeta油田的一些单井，将参考温度下的纯油密度、产出水密度组态进流量计算机后计算出的含水率与实验室分析出的含水率相比偏差偏大，有很多单井的偏差超过5%甚至10%以上。经过分析得出以下原因：
 
  1）主要为含气对混合液密度造成的影响。质量流量计测量出的是工况压力下的密度，即含溶解气的饱和原油的密度，而实验室分析的是常压下稳定原油的密度。Moleeta油田的原油粘度大，混合液中含有较多的溶解气，使得测量出的混合液密度比不含溶解气的密度偏小，从而引起含水测量值的较大偏差。
 
  2）另外，Moleeta有部分单井含砂量较大，对混合液的
密度产生了影响，从而影响含水率的测量。再者，Moleeta油田大部分单井原油的密度在0.9~0.96g/ml之间，原油的密度较大，油水的密度差小，从而对含水率的偏差产生影响。
 
在实践中，我们摸索出一种纯油密度反推法，可以很好地克服工况条件下原油含气、含砂对含水率计算的影响。具体作法为：
 
1）先将实验室分析出的某一单井含水率及产出水密度组态输入到流量计算机内，由流量计算机根据含水率计算公式反推出该单井的纯油密度。由于水的可压缩性小且气体较难溶解于水中，产出水的密    度在工况压力下和常压下二者的密度变化小，影响可以忽略，由此反推出的纯油密度可以认为是工况下的密度。
 
2）再将该反推出的纯油密度保存在流量计算机内作为组态参数用于含水率的实时测量。
 根据此反推法测量出的含水率偏差较之前有了很大的降低，单井的含水率偏差基本在5%以下，甚至更低，能够满足单井测试计量的要求。


6、质量流量计选型中应注意的问题：
  1）对于高粘度原油，在选择流量计口径时，应综合考虑测量范围和压力损失，不能单一地要求低压力降而选择大口径的质量流量计。否则加大仪表口径不仅增加设备费用，同时大口径仪表在小流量下运行会增加测量误差。质量流量计在苏丹三七区的应用就是一个例子。苏丹三七区Moleeta油田的业主在技术文件中提供的流量范围为500～4500bbl/day，乳化液粘度为3500cP@60℃，而设定的
 允许压力降为不高于40kPa，结合质量流量计的计算书***终选择了4”口径的质量流量计。实际上，4”质量流量计可测流量***大为81600bbl/d。流量范围中，***小流量500bbl/ day对应的量程比为1:163，***大流量4500bbl/day对应的量程比为1:18。实际上，Moleeta油田的大部分单井的实际产量在1000bbl/day左右及以下，也就是说对于大部分单井，质量流量计在小流量下工作。而实际测量对比过程中，也发现4”质量流量计在Moleeta油田的计量效果不好，流量测量偏差较大。后更换一台2”质量流量计到现场做测试，流量计量偏差大大降低，而实际的系统压力降也不超过0.2MPa，满足生产测试计量要求。
  2）质量流量计的供电电源避免选用230V交流电源，应尽量选用24V直流电源供电。在苏丹三七区，油田现场230V交流电受当地电网波动的影响较大，输出电压不稳定，造成多台质量流量计的传感器模块和流量计算机的电路板损坏。为避免此类情况发生，通过改变质量流量计的供电为24V直流电源，由现场24VDC开关电源提供，后来再未发生质量流量计电路板因供电原因而损坏的问题。