射频锁相阵列式油井三相计量装置现场试验

大庆油田有限责任公司第六采油厂

在油田生产中，油井含水率、产液量是油田最基本的生产参数，需要精准计量。油井的产量计量对于分析油田生产运行动态、制定科学的油田开发及调整方案、检验各种油田开发技术措施的效果、实现油田生产经营管理绩效的量化考核，使油田企业实现效益经营的目的都具有重要意义[1]。目前，油井计量装置向着小型化[2]、精确化[3-5]、自动化[6-7]、智能化[8]、连续化[9]发展。

大庆老区油田大部分采用计量分离器计量产液量，在井口取样化验含水率。为保证数据的及时性、准确性，每天都需要按照相关规定对单井进行产液量和含水率的测量与化验，当含水率发生波动时，还需重复取样化验，工人的劳动强度大[10]。为满足未来数字化油田发展需要，对基于射频锁相阵列式油井三相计量装置进行了适用性和稳定性研究，并相应地开展了现场试验。结果表明，射频锁相阵列式油井三相计量装置能够实现计量间生产数据的自动计量，配套无线网络建设，可以实现计量间的数字化建设，实现无人值守。同时发现室外的环境温度对计量装置无影响，进入计量装置的采出液温度高于20 ℃时，可以满足计量精度要求。

1 计量试验装置

1.1 仪器和设备

仪器和设备包括计量罐（气液分离仓、量油仓、水仓）、含水分析仪阵列、电动快开三通球阀、电动调节球阀、管道油泵、温度变送器、压力变送器及测控系统等（图1）。其中计量罐与含水分析仪阵列是设备的核心部分。计量罐呈哑铃型结构，是采出液实现快速分离的主要单元，具体结构见图2。含水分析仪阵列是三相计量装置的计量单元，由高频电磁波发射接收单元、反射电极、数据总线、数据处理单元等组成，具体结构见图3。

图1 射频锁相阵列式油井三相计量装置结构Fig.1 Structure of radio frequency phaselocked array oil well three-phase metering device

图2 计量罐内部结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the inner structure of measuring tank

油井采出液自集气室进入计量罐后，借助油井产出液自身的动能，经过分离伞的碰撞分散后，通过波纹板的迟滞摩擦，将较大的油包水和油包气颗粒转化成便于气液分离、油水分离的较小颗粒，达到气液的初步分离。分离的气泡快速上升进入集气室，油、水则进入量油仓，量油仓设有旋流槽，油水混合液在重力旋流的作用下快速分离，油停留在量油仓，水进入水仓。

图3 含水分析仪阵列结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the array structure of water analyzer

1.2 计量原理

1.2.1 产液量的计量

产液量主要采用容积法计量，即计算单位时间内进入计量罐的液量。采出液主要由油和水组成，因油和水存在密度差，为了更准确地计量出单井的产液量，含水分析仪阵列将计量罐分为34 个薄层，利用高频电磁波发生器发射电磁波信号，信号遇到水后衰减，通过衰减率计量单层中油和水的体积。最终分别将油、水体积乘以相应的密度得出油、水的质量，再除以进液时间，计算出单井产液量。具体计算公式为

式中：Vl为采出液体积，m3；Vo为采出液中油相体积，m3；Vw为采出液中水相体积，m3；ρo为油的密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3；Si为第i层的横截面积，m2；hi为第hi层的厚度，m；T为计量罐的进液时间，s；ml为单井产液量，kg/s。

1.2.2 含水率的计量

含水率是水的质量与采出液质量的比值。由于油和采出液的质量已在产液量计量过程中计算完成，所以含水率的具体计算公式为

式中：η为含水率；mo为采出液中油的质量，kg。

1.2.3 产气量的计量

产气量的计量主要采用排液法，即单位时间内排出计量罐的液量，相当于单位时间内进入计量罐的气量体积（转换为标况下的产气量）。排液前利用公式计算出初始的罐内液体积Vl1，然后开始进气排液；排液结束后，再利用公式计算出排液后的罐内液体积Vl2，初始体积减去排液后的体积计算出进罐的工况下气体体积Vg；根据单位进气时间t内的进气量，计算出标况下的单井日产气量。具体计算公式为

式中：Vl1为排液前初始罐内液体积，m3；Vl2为排液结束罐内液体积，m3；Vg为进罐的采出液中气相体积，m3；Qg为单井标况日产气量，m3；86 400为时间常数，24×3 600 s；A为温度校正系数，把不同温度下的产气量校正到标况下的产气量所用的系数，A=273.15/（工作温度+273.15）；p为计量罐排液时平均分压，Pa；t为排液时间，s；ρ为混合液的密度，kg/m3。

2 现场试验

为了进一步分析计量装置的准确性、可靠性、最佳测量时间、油井产出液含水率、温度等参数对计量结果的影响，对不同油井分别进行射频锁相阵列式量油和玻璃管量油试验，并对两种方法的计量结果进行了标定。在开展现场试验前，为了保证试验装置计量的准确性，在石油工业计量测试研究所对试验装置进行标定，确保试验装置达到规定的技术指标和精度要求。同时，在标定结束后，在试验现场对计量的理论标准曲线进行标定，确保试验装置适应不同区块原油物性的含水率计量精度。通过上述工作，为现场的试验提供坚实的技术基础。

为了验证试验装置在老区油田计量的准确性及适应性，分别在水驱、聚驱系统开展现场试验。通过对第六采油厂的地质开发现状进行分析，选择喇北西块二区的两座计量间（喇2710#计量间和喇2704#计量间）开展现场试验。根据试验内容要求，首先在喇2710#计量间开展现场试验。因该计量间属于水驱计量间，单井产液量相对较高，因此在分析人工计量与试验装置计量误差的同时，适时开展试验装置产液量上限计量的准确性试验。然后在喇2704#计量间开展现场试验，该计量间属于聚驱计量间，产液量较低，且安排在10 月份开展现场试验，有利于检测温度对试验装置的影响程度。现场试验工艺流程如图4所示。

图4 现场试验工艺流程示意图Fig.4 Schematic diagram of field test process flow

产液量计量分析包括试验前单井产液量变化情况分析、人工计量产液量与试验装置计量产液量对比分析、试验装置的产液量误差分析。

含水率计量分析包括试验前单井含水率变化情况分析、人工计量含水率与试验装置计量含水率对比分析、试验装置的含水率误差分析、人工计量含水率与试验装置计量含水率波动情况分析。

产气量计量分析包括人工计量产气量与试验装置计量产气量对比分析、试验装置的产气量误差分析。

3 结果分析

以喇6-26 井为例，该井隶属于喇2710#计量间（水驱），对其人工计量产液量、产气量、含水率与试验装置计量产液量、产气量、含水率进行对比分析。共计计量生产数据13 组，对试验单组数据取平均值后与人工计量数据进行对比，计算出试验装置计量数据与人工计量数据的误差。

图5 试验前喇6-26井产液量变化Fig.5 Liquid production change of La 6-26 Well before the test

由图5可以看出，该井整体液量较为平稳，产液量在205 t/d 左右波动。现场试验中，对喇6-26井共计计量产液量13 组，对单组数据取平均值后与人工计量产液量进行对比分析（图6）。从图6可看出，人工计量值与试验装置计量值变化趋势较为一致。以人工计量的产液量为标准值，用试验装置计量的产液量与标准值进行对比，计算出试验装置计量的产液量与人工计量产液量的相对误差（图7）。从图7 可以看出，由试验装置所计量的13组产液量数据中，误差在-2.61%～1.51%之间，均满足误差 ±10%的指标要求。

图6 喇6-26井产液量对比Fig.6 Liquid production comparison of La 6-26 Well

图7 喇6-26井产液量误差Fig.7 Liquid production error of La 6-26 Well

为了直观、准确地分析单井含水率的变化情况，对该井试验前30 天的含水率情况进行统计。通过调查井史，该井试验前30 天的含水率变化呈上升趋势，阶段时间内比较平稳。从图8 可看出，人工计量值与试验装置计量值变化趋势较为一致。从图9可以看出，波动误差均 3%。从图10可以看出，人工计量含水率与试验装置计量的含水率波动较为一致。

图8 喇6-26井含水率对比Fig.8 Moisture content comparison of La 6-26 Well

图9 喇6-26井含水率误差Fig.9 Moisture content error of La 6-26 Well

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

图11 喇6-26井产气量对比Fig.11 Gas production comparison of La 6-26 Well

现场试验中，对喇6-26 井共计计量产气量10组，对单组数据取平均值后与人工计量产气量进行对比分析。从图11 可看出，人工计量值与试验装置计量值变化趋势较为一致。以人工计量的产气量为标准值，用试验装置计量的产气量与标准值进行对比，计算出试验装置计量的产气量与人工计量产气量的相对误差（图12）。从图12可以看出，由试验装置所计量的9组产气量数据中，误差在-1.8%～9.3%之间，均满足误差 ±10%的指标要求。

图12 喇6-26井产气量误差Fig.12 Gas production error of La 6-26 Well

依次对喇2710#计量间11 口单井进行现场试验，将人工计量与试验装置计量的1 031 组产液量、768 组产气量、787 组含水率数据进行对比分析。试验装置计量的产液量与计量分离器计量的产液量进行对比，误差为-7.76%～9.00%，达到了油田公司要求的产液量误差 ±10%的指标要求。试验装置计量的产气量与计量间气表计量的产气量进行对比，误差率为-8.97%～9.3%，达到了油田公司要求的产气量误差 ±10%的指标要求。试验装置计量的含水量与人工取样化验的含水率进行对比，波动范围为-2.8%～2.97%，达到了油田公司要求的含水率波动范围 ±3%的指标要求。

4 结论

（1）在石油工业计量测试研究所对基于射频锁相阵列式油井三相计量装置进行性能测试标定表明，该装置的计量准确性符合计量规范要求。

（2）在喇2710#计量间、喇2704#计量间开展现场试验，共计计量28 口油井，将人工计量产液量、产气量及含水率与试验装置自动计量产液量、产气量、含水率进行对比，验证试验装置的准确性。从对比分析数据中可以看出，产液量计量误差达到 ±10%的指标要求，含水率波动范围达到±3%的指标要求，产气量计量误差达到 ±10%的指标要求。

射频锁相阵列式油井三相计量装置的适应性和稳定性良好，可以实现计量间产液量、含水率、产气量的自动计量，大幅度降低了工人的劳动强度，提高了量油效率，为油田计量向自动化、数字化方向发展探索了新途径，为计量间无人值守奠定了基础。