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      橇装实流三相标准计量装置的研制


      橇装实流三相标准计量装置的研制,为解决胜利油田移动式计量装置和多相流量计的量值溯源问题,研制了橇装实流三相标准计量装置。该装置利用联合站三相分离器分离出的油气水分相计量后,经过流态发生器发生分层流、泡状流和段塞流。三相标准计量装置作为一种计量标准装置,可对小型移动计量装置进行量值传递,进一步保证油井示功图计量法的计量准确性。

      随着胜利油田信息化建设的**推进,新型采油管理区已完成建设。油井产量计量、原有计量站立式分离器量油方式逐步淘汰,示功图法计量方式得到了推广应用,系统覆盖率已超过90%。

      示功图法计量方式有以下优点:示功图量油方法使用简便,资金投入量低,便于油田生产管理,可实现产量连续自动计量,并能实时掌握井下工况,效率高,可通过管理软件实现批量求产。然而也存在以下不足之处:示功图形状易受井下工况影响,计算结果需根据诊断情况进行修正,其力学、数学模型复杂且多变,对于工况不稳定、含气量大的油井,很难实现误差在10%以内[1]

      尽管示功图法计量方式有诸多优点,但在计量精度的稳定性和可靠性两方面还不能满足油田的实际生产需要;因此,胜利油田使用小型移动计量装置(以下简称标产车)对示功图法进行校准,目前已投用150余台套。为确定标产车计量性能,胜利油田开展了实液比对测试工作。针对同1口工况不变的油井,比对分析标产车、立式计量分离器(800型)、多相流量计产液量数据,结果显示标产车受到装置体积小、停留时间短的影响,计量误差也难保证在±10%以内。

      为解决标产车和示功图量油法数据修正的问题,保证单井计量装置的量值溯源和量值传递的准确性,研制了橇装实流三相标准计量装置。

      1 三相标准计量装置的研究现状

      油田多相流主要包括两个方面:地面多相流和井下多相流。地面多相流是油田地面管道中的油水两相流或油气水三相流,管道有水平的、倾斜的和垂直的几种情况。根据标产车的使用条件,仅研究地面油气水三相流、水平管段的情况。

      油气水三相流标准计量装置根据测量介质类型不同分为模拟介质标准装置和实液介质标准装置两类。

      1.1 模拟介质标准装置

      此类型装置介质为柴油(油路)、水(水路)和空气(气路)。一般多建于室内,用于实验室多相流模拟研究,装置规模较小,可设透明管观测。国内外模拟介质多相流标准装置详情见表1。

      国内模拟介质三相流测量装置,以兰州海默科技公司的多相流实验室为例。

      测量介质:变压器油(密度895 kg/m3,闪点135~140℃,运动黏度11~12 mPa·s);自来水;压缩空气。

      测量能力:油流量,7.2~2 400 t/d;水流量,7.2~3 600 t/d;气流量,60~4 800 m3/d。

      测量准确度:油,0.2级~0.5级;水,0.5级;气,±1%~±2%。

      此类型装置的优点是安全性高,投资低(一般不超过300万元),生产运行成本低;缺点是模拟介质与实际应用中的流体物性有较大差异,模拟介质校准后的计量装置用在实液计量上系统误差较大,影响了量值传递的准确性。

      1.2 实液介质标准装置

      校准介质为原油(油路)、采出水(水路)和天然气(气路)。测试和标定结果较符合生产实际。一般建在室内或油田现场,投资和运行费用较高,建设投资一般几千万,运营费用每年100万左右,安全性要求高,无法使用透明管观测流型。国内外实液介质标准装置见表2。

      国内实液多相流测试装置,以大庆油田“油气水多相流量计现场实液测试装置”为例(图1)。“油气水多相流量计现场实液测试装置”建在大庆油田设计院油田地面技术现场试验基地,主要用于对油气水多相流量计及含水分析仪等油气计量仪表进行性能测试和评定,是目前世界上少数几套有影响的应用油气水实液进行测试的多相流试验装置之一。装置于2001年经中国计量科学研究院测试,主要技术性能指标达到或超过了国外同类装置技术性能指标,并获得了测试证书。

      (1)测量介质:净化油(原油密度859.2 kg/m3,原油黏度20 mPa·s,油中含水率小于0.5%);含油污水(水中含油率小于0.5%);采出气(气中含液率小于0.5%)。

      (2)测量能力:油流量,50 m3/h;水流量,50 m3/h;气流量,1 170 m3/h (0℃,101.325 kPa)。

      表1 国内外模拟介质多相流标准装置 

      表2 国内外实液介质标准装置  

      表2 国内外实液介质标准装置

      图1 大庆油田油气水多相流量计现场实液测试装置 

      测量准确度:油相,1.0级;水相,1.0级;气相,1.5级。

      上述装置的优点是校准介质物性与油井采出液近似,校准后的计量器具数据接近真实值,量值传递准确性高。缺点是此类装置油气水三路均由油田集输系统取得,需建设原油储罐、含油污水罐、天然气压缩装置等,投资规模大(大庆油田投资上千万元),生产运行费较高(运行1天约4万元),配套设施要求齐全,安全性高,加热、保温、防爆等性能要求严格。

      2 实流三相标准装置工艺流程设计

      2.1 装置建设方案

      为降低储油罐、污水罐和天然气压缩装置等建设投资,课题组利用联合站流程,采用三相分离器分离的油气水三相作为实液校准介质(图2)。

      图2 装置建设方案 http://www.chaojipinpai.com.cn/

      2.2 装置工艺流程设计

      为了保证此装置整体计量准确度,需针对测量、调节和控制进行设计。该装置是集校准、测量、调节和控制于一体的大型闭环系统(图3)。主要研发内容包括油气水三路计量系统平衡控制技术、油气水三路流量控制及**配比技术、油气水三相混合发生技术。自动化控制系统包括流量信号的读取与处理、阀门的调节、泵的控制、系统安全等功能,是一项复杂的系统工程。

      图3 装置工艺流程

      图3 装置工艺流程

      该装置可利用分相流量、气液配比的控制方案与控制算法,实现不同流态、不同含水率的各相流量协调控制。采用双闭环比值控制系统,其包含主流量的闭环控制、副流量的闭环控制、主-副流量的比例控制。

      3 管内流型发生技术

      油井采出液管内流型主要为分层流、泡状流(气团流)和段塞流(弹状流、冲击流)3种。结合Mandhane以及Taltel&Dukler气液两相流型图,参考中国石油大学王海琴等人的油气水三相流流型研究成果,确定满足油井采出液管线的油气水管道的经济流速范围[10],确定3种流型的气液折算流速范围(表3)。

      表3 不同流型对应的气液流速范围选取 

      表3的3种流型选取区域在Mandhane和Talt‐el&Dukler流型图中的位置,如图4和图5所示。由图4、图5可知,A区域为分层流流型的选取区域,B区域为泡状流(气团流)的选取区域,C区域为段塞流(弹状流、冲击流)的选取区域。

      根据胜利油田单井采出液*大气液规模,经计算后,油路、水路和气路选取DN80 mm的管道,管道规格为Φ89 mm×3.5 mm,则气相管道内实际的*大气体流量为228 m3/h,油相、水相在管道内的*大流量均为25 m3/h。各流型对应的气、液流量调节范围见表4。

      图4 Mandhane流型图内的选取区域 

      图5 Taltel&Dukler流型图内的选取区域  

      表4 不同流型对应的气、液流量调节范围  

      4 气路、油路、水路技术能力设计

      4.1 气路设置

      气路设置为2路。小流量1路:流量计测量范围0~50 m3/h (0℃,101.325 kPa),用于生成分层流和泡状流(气团流)。大流量1路:流量计测量范围30~230 m3/h,用于生成段塞流(弹状流、冲击流)。

      4.2 油路设置

      油路设置为2路。小流量1路:流量计测量范围0~5 m3/h,用于分层流。大流量1路:流量计测量范围2~25 m3/h,用于泡状流(气团流)和段塞流(弹状流、冲击流)。

      4.3 水路设置

      水路设置为2路。小流量1路:流量计测量范围0~5 m3/h,用于分层流。大流量1路:流量计测量范围2~25 m3/h,用于泡状流(气团流)和段塞流。

      4.4 主要仪器仪表选配

      主要仪表包括质量流量计、旋进旋涡流量计、电磁流量计,电动阀及各种阀门、管汇、温度变送器、压力变送器等(表5)。

      根据该装置的工艺流程设计思路,经详图设计、生产加工,完成了橇装实流三相标准计量装置主体部分的研制(图6)。

      图6 装置主体部分照片 

      5 结论

      实流三相标准计量装置研制成功后,可解决胜利油田移动标产车校准方面的难题。由于是采用联合站实液作为校准介质,避免了因工作介质的不同而带来的系统误差,同时也省却了投资建设储油罐、污水罐和天然气压缩装置,节约了建设成本。目前此装置已通过模拟介质标准装置比对,其液流量计量误差≤±1.0%,气流量计量误差≤±3.0%。

      表5 装置主要仪器仪表  

      表5 装置主要仪器仪表


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