渤海某平臺油井計量分離器計量精度提升研究

楊海波，徐振，閆旭

（中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津300459）

1 研究背景

近年來，我國的石油開采業(yè)正在快速進行轉(zhuǎn)型升級，石油開采的規(guī)范化程度越來越高，對于油井的要求也相應(yīng)地有所提高。油井是石油開采最為重要的工具，在采油工程建設(shè)中，需要充分考慮油井管理工作的品質(zhì)，通過規(guī)范化和系統(tǒng)化的管理，實現(xiàn)對石油開采的有效控制，提升技術(shù)水平，滿足石油開采的效率及品質(zhì)要求，從而切實推動石油開采量的提升，提高石油開采企業(yè)的整體競爭力[1]。在石油開采的過程中，油、氣、水的準確計量是油田開發(fā)不可缺少的環(huán)節(jié)，是科學(xué)、合理、高效開發(fā)油氣田的重要依據(jù)，其主要目的是：確定油井工作制度、計算全油田油氣水的總產(chǎn)量、分析油田開發(fā)動態(tài)[2]。

油井生產(chǎn)過程中，產(chǎn)出的流體形成油、氣、水三相，油井計量的目的就是動態(tài)地監(jiān)測油井的產(chǎn)量情況，并通過對油井產(chǎn)量的動態(tài)分析得知井下油藏變化情況和其他異常情況，為油藏動態(tài)調(diào)整提供準確的數(shù)據(jù)支持，這就需要測出油井產(chǎn)出的油、氣、水三相的流量。國家標準要求油井計量準確度為±10%，所以在油田油井計量中使用計量精確、設(shè)備智能化程度高、操作維護簡單、實時性好的計量方法對于油井精細化管理水平的提高具有十分重要的意義。隨著技術(shù)的不斷進步，在油井采油作業(yè)開展的過程中，計量技術(shù)日漸進步，采油隊可選擇的計量技術(shù)也越來越多，例如，三相分離計量法不失為一種有效的計量方法，在具體的計量過程中，可以將油、水和氣分開計量[3]。

渤海某油田屬于強邊底水油藏類型，油井投產(chǎn)初期含水率較低，但含水率上升很快，目前該油田老平臺油井基本處于高含水和特高含水時期。為充分發(fā)揮油藏潛力，2019年某中心平臺建成投產(chǎn)，該中心平臺配有一臺臥式三相分離器作為油井計量分離器，由于該平臺設(shè)計比較緊湊，甲板空間有限，遂將該計量分離器安裝于該平臺的下甲板，該計量分離器設(shè)計最大處理油量6.8 m3/h，最大處理氣量911 Sm3/h，最大處理水量97 m3/h，其中油相含水率50%，設(shè)計壓力1 100 kPaG，設(shè)計操作壓力750 kPaG。油相及氣相管線分別安裝一臺質(zhì)量流量計，水相管線安裝一臺電磁流量計，三相流體混合后進入位于該平臺中甲板區(qū)域的生產(chǎn)分離器，生產(chǎn)分離器油相連接外輸泵將初步處理的原油輸送至下游終端設(shè)施，該計量分離器如圖1所示。

圖1 計量分離器簡圖

該平臺的油井計量分離器為典型的三相重力沉降式分離器，基本結(jié)構(gòu)包括入口導(dǎo)流器、重力沉降室、波紋板、破渦器、堰板和除霧器等?；旌狭黧w進入分離器后，撞擊入口導(dǎo)流器部件，流體運動方向的突然改變使得氣液初步分離，這就保證了進入下一步分離的液體中不會含有較多的氣體，避免氣體對設(shè)備各儀表附件造成影響。流體進入沉降室后，水中油滴由于密度相對較小會向上流動，通過油水界面進入油層，而油中的水滴由于密度相對較大會向下沉降。分離器中的波紋板利用淺池理論實現(xiàn)了水相中的油滴的快速上浮，優(yōu)化了油水的分離效果。通過設(shè)定合理的油水界面高度，使浮在上部的原油越過堰板進入油室，水相通過堰板前的水相出口排出。氣體離開設(shè)備之前要經(jīng)過除霧器去除液滴，避免氣相中混合的液體對氣相流量計的計量精度造成干擾。

流量計分為體積流量儀表和質(zhì)量流量儀表兩大類。體積流量儀表可以分為容積式和速度式兩種。對于質(zhì)量流量計來說，檢測儀表的輸出信號直接反映質(zhì)量流量，主要檢測儀表有：科里奧利質(zhì)量流量計、熱式質(zhì)量流量計等[4]。該計量分離器的油相管線上安裝有一臺質(zhì)量流量計，質(zhì)量流量計通常為科里奧利質(zhì)量流量計，簡稱科氏力流量計，其測量精確度很高，可測量多種狀態(tài)的流體，包括具有高粘度的各種液體、含有固形物的黏稠液體、含有微量氣體的液體等。內(nèi)部測量管的振動幅度很小，可視作非活動件，并且測量管路內(nèi)有無阻礙件和活動件。

在油井計量當(dāng)中，對油氣集輸流程的計量對于整體的計量結(jié)果有著關(guān)鍵的影響和作用。該平臺建成投產(chǎn)后，初期油井含水率較低、產(chǎn)油量大，將該井倒入計量分離器后計量數(shù)據(jù)存在問題，計量不準確，通過倒入高含水率油井后，同樣存在計量數(shù)據(jù)不準確的問題，且該平臺下游終端設(shè)施實際收到的產(chǎn)量與油井計量數(shù)據(jù)存在較大的偏差。

通過分析，初步確定如下問題：該計量分離器水相流量計為電磁流量計，該類型流量計適用于測量導(dǎo)電單相液體或含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，所以水相含油對該流量計的準確性影響較大，由于海上原油處理流程及處理時間較短，且該計量分離器未設(shè)計反相破乳劑加注系統(tǒng)，使得油水分離難度更大，導(dǎo)致計量分離器的水相含油超標，進而造成水相電磁流量計的計量不準確；該平臺油井投產(chǎn)初期油井含水率較低、產(chǎn)油量較高，實際處理油量已經(jīng)超過其設(shè)計處理油量，導(dǎo)致油相計量數(shù)據(jù)不準確，油相和水相計量數(shù)據(jù)的偏差直接造成了油井計量數(shù)據(jù)的不準確。

2 擬解決關(guān)鍵問題

某中心平臺所開發(fā)油藏為強邊底水油藏，該類型油藏的特點為油井含水率上升很快，該油田老井基本已成為高含水率油井，新平臺建成投產(chǎn)后，新開發(fā)油井上線初期含水率低，產(chǎn)油量高，平臺油井計量分離器計量產(chǎn)量與下游終端實際收到的產(chǎn)量存在嚴重偏差，通過對該計量分離器及相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析排查，以及對計量分離器進行調(diào)整及改造，解決了該計量分離器計量偏差較大的問題，準確掌握了油井的運行情況。

①由于油井計量數(shù)據(jù)不準確，導(dǎo)致對油井實際產(chǎn)量不清楚，無法判斷油井的實際運行情況，對油井精細管理造成巨大障礙。通過研究分析，解決計量分離器計量精度問題，提高油井精細化管理水平。

②由于該計量分離器是根據(jù)高含水率油井特點進行設(shè)計的，對于低含水率油井的計量偏差較大。通過研究分析，解決油井投產(chǎn)初期含水率較低，油井產(chǎn)油量計量不準確的問題。

③該計量分離器水相流量計為電磁流量計，水中含油量對該流量計影響較大。通過研究分析，摸索出一套計量方法，解決水相流量計計量偏差較大的問題。

為準確掌握油井的運行情況，通過結(jié)合該項研究中的其他措施，可以方便辨別油井計量數(shù)據(jù)是否存在問題，提升了油井的精細化管理水平。

3 研究過程

3.1 對計量分離器相關(guān)儀表設(shè)備進行檢查

在研究初期，組織人員對現(xiàn)場儀控設(shè)備逐個進行排查，其間對計量分離器上的流量計、壓力變送器、液位變送器、調(diào)節(jié)閥等儀控設(shè)備進行示數(shù)核對，對流量計、液位計、變送器現(xiàn)場示數(shù)和中控示數(shù)進行核對，均未發(fā)現(xiàn)異常。對中控組態(tài)中流量計累計公式進行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常。通過對現(xiàn)場和中控儀表檢查，排除信號傳輸?shù)膯栴}。

3.2 排除計量分離器脫氣能力對質(zhì)量流量計精度的影響

在常規(guī)海上石油平臺設(shè)計中，一般將計量分離器與生產(chǎn)分離器布置在同一層甲板，二者設(shè)計操作壓力設(shè)定50 kPaG差值，但該平臺由于甲板空間受限，只能將計量分離器放置在下層甲板，生產(chǎn)分離器布置在中層甲板，二層甲板高度存在5.5 m 的高度差，折合55 kPaG 的靜水柱壓差，加之管阻影響，計量分離器與生產(chǎn)分離器存在200 kPaG 左右的壓差值。由于油井的被壓不同，油井產(chǎn)出的流體在進入計量分離器（操作壓力750 kPaG）時，脫氣效果較進入生產(chǎn)分離器可能存在一定差異，這導(dǎo)致計量分離器中更多的溶解氣隨著原油進入油相質(zhì)量流量計。在計量分離器未投用消泡劑的情況下，從計量分離器油相取樣口取樣，取樣時發(fā)現(xiàn)，剛?cè)〕龅臉樱ㄒ妶D2a）明顯有很多氣泡。放置10 min 后（見圖2b）有更多大氣泡，同時，液位下降較多。放置4 h 后，取出油體積不到之前的1/2。

圖2 油相取樣靜置10 min 前后對比圖

溶解在原油中的氣泡勢必影響油相密度，但需要確認氣泡是否會對油相質(zhì)量流量計的計量產(chǎn)生影響。為此，操作人員在計量分離器入口臨時加注消泡劑，以消除泡沫對質(zhì)量流量計的影響，加注消泡劑后，從計量分離器油相取樣時發(fā)現(xiàn)泡沫得到一定的抑制，但是油相質(zhì)量流量計的計量瞬時量及一段時間內(nèi)的累積量與加注消泡劑前相比無變化，之后通過咨詢該流量計廠家，該類型質(zhì)量流量計具有抗氣泡影響的功能，因此，通過試驗結(jié)合廠家回復(fù)，基本可以確定計量分離器脫氣能力、油相內(nèi)的溶解氣對油相質(zhì)量流量計的計量精度無影響。

3.3 對計量分離器油相含水分析儀準確度進行驗證

該油相含水分析儀為全量程在線含水分析儀，為確定其準確度，現(xiàn)場化驗人員連續(xù)多次取樣，表1 為不同含水率階段含水分析儀顯示數(shù)據(jù)及取樣化驗數(shù)據(jù)對比。測試對比前，調(diào)整流程，確保油相流程含水分析儀基本穩(wěn)定在某數(shù)值附近。取樣期間取樣口未安裝儀表導(dǎo)液管，流體流出不均勻。

表1 含水分析儀與化驗含水率數(shù)據(jù)對比結(jié)果

由表1 可知，低含水率期間，化驗含水率差值較小，之后將油相調(diào)整為高含水率狀態(tài)，采用同樣的取樣手法，發(fā)現(xiàn)部分數(shù)據(jù)差值較大，雖然在低含水率期間，含水分析儀的測量結(jié)果與化驗含水率值差值較小，但就其相對誤差而言，仍然較大。

由此可見，含水分析儀和手動離心化驗部分數(shù)據(jù)差值仍較大，分析誤差的原因，推測原因可能是取樣口未安裝儀表導(dǎo)流管，導(dǎo)致出液不均勻，所取油樣不能真實反映管道中的真實狀態(tài)。于是對油相取樣口安裝儀表導(dǎo)液管，之后現(xiàn)場取樣化驗，結(jié)果如表2所示。

表2 加裝儀表導(dǎo)液管后含水率分析儀與化驗含水?dāng)?shù)據(jù)對比

由表2 可知，含水分析儀和手動離心化驗結(jié)果相差較小，多次取樣化驗亦如此，差值在可接受的范圍內(nèi)，基本能確定含水分析儀較為準確，能較準確反映油流含水率變化。

3.4 計量分離器處理能力分析及油相質(zhì)量流量計量程調(diào)整

由于新上線油井普遍含水率較低，加之個別井產(chǎn)液量較大，井液進入計量分離器后全部通過油相管線進入生產(chǎn)分離器。該計量分離器油相處理能力僅為163 m3/d（未考慮設(shè)計余量），計量高產(chǎn)量油井期間計量分離器的油相流量計超量程，為保證流量計能正常顯示計量瞬時量，決定擴大油相計量的量程范圍。咨詢該油相流量計廠家的工程師后，由相關(guān)工作人員將計量分離器油相流量計量程進行了調(diào)整。計量分離器油相為3 英寸150 LB 管線，經(jīng)過計算校核，該管線在正常工況操作壓力下純水流速最大能達到40 m3/h。因此，將該流量計原0～15 m3/h 的量程修改為0～35 m3/h，確保油相流量計能夠得到正常計量。由于該計量分離器是針對高含水率油井進行設(shè)計的，該計量分離器水處理能力達到2 328 m3/d，水相處理能力滿足要求。

3.5 中控界面中計量分離器平均含水率計算組態(tài)的增加及優(yōu)化

由于油井的含水率波動較大，為使計量數(shù)據(jù)準確，計量分離器計量油相含水率需使用平均含水率來反映油井的實際含水率。為此，在中控界面增加含水分析儀平均含水率計算組態(tài)來計算出在油井計量期間4 h 內(nèi)的平均含水率。如此，在油井計量期間，使用平均含水率代替瞬時含水率，當(dāng)油井倒入計量分離器后，中控操作人員通過點擊中控界面上的“數(shù)據(jù)復(fù)位”按鈕，開始對倒入的油井進行平均含水率計算，待計量4 h 后，該油井的平均含水率會自動計算顯示，大大提高計量精度，確保計量油量準確。

3.6 計量分離器藥劑系統(tǒng)改造

該計量分離器為油、氣、水三相分離，其中，氣相和油相使用質(zhì)量流量計，水相使用電磁流量計，個別油井含水率已達80%，現(xiàn)場嘗試將油、水兩路流程分別計量，避免出現(xiàn)油相超量程而出現(xiàn)無法計量的情況。為此，現(xiàn)場對計量分離器界面液位計進行了試驗，導(dǎo)通水路流程，將調(diào)節(jié)閥設(shè)為自動，并臨時加入破乳劑，之后從水相取樣口取樣觀察，水質(zhì)較差，含油大于1000 ppm，鑒于油井為高含水率油井，聯(lián)合反相破乳劑在計量分離器中使用可能改善水質(zhì)?；诖?，現(xiàn)場嘗試使用臨時可移動式藥劑注入泵，使用臨時軟管將反相破乳劑注入計量流程，計量分離器水相水質(zhì)顏色變?yōu)椤盎野咨?，取樣化驗水中含油量約150 ppm，實現(xiàn)了計量分離器的油、水兩相分別計量，提高了計量的精度。

3.7 其他原因分析

除了上述已解決的計量偏差問題，油井產(chǎn)液含水率波動大也是造成上下游產(chǎn)量數(shù)據(jù)差距大的原因。針對新上線油井，由于含水率較低且原油粘度較高且密度較大，為避免油嘴堵塞，現(xiàn)場操作人員每2 h 活動一次油嘴，并為油壓設(shè)置報警參數(shù)，便于及時發(fā)現(xiàn)油嘴堵塞問題，同時，在中控系統(tǒng)中設(shè)置電潛泵電機的運行電流及繞組溫度報警值。經(jīng)觀察，油井電泵運行基本穩(wěn)定，電流在1 A 內(nèi)波動，油壓在30 kPaG內(nèi)波動，井口無套壓，但含水率波動較大，在30%～70%波動（前文已證實含水分析儀基本準確，可以用來反映油井含水率變化）。

對于部分處于含水率快速上升階段的油井，其含水率逐日波動上升，當(dāng)天產(chǎn)油量也呈逐漸遞減趨勢，因此也導(dǎo)致單井產(chǎn)量波動，進而導(dǎo)致油田日產(chǎn)油量波動。

經(jīng)統(tǒng)計，該中心平臺部分油井也存在同樣情況，上述油井在同樣生產(chǎn)制度下，計量產(chǎn)液量變化并不大，因此，含水率波動是造成油井產(chǎn)油量波動的主要原因。推測待日后含水率升高至一定數(shù)值后，各油井含水率波動將逐漸縮小。由于油井單次計量時間為4 h，日產(chǎn)量為該4 h 產(chǎn)量的折算值，不能準確反映該井日產(chǎn)量，導(dǎo)致單井計量與下游終端設(shè)施實際接收量存在一定的偏差，但產(chǎn)液量基本相符。

4 效果分析

①對于含水率較低、產(chǎn)量較大的油井，倒入計量分離器后只利用油相流量計進行計量，流量計滿足使用要求，且計量準確，新井上線產(chǎn)液穩(wěn)定后進行計量，計量數(shù)據(jù)基本和下游終端實際接收產(chǎn)量相符合。

②對于含水率較高的油井，通過加注破乳劑及反相破乳劑，并根據(jù)不同產(chǎn)量的油井調(diào)整藥劑加注量，實現(xiàn)了水相和油相流量計的計量準確。

③對于含水率波動較大的油井，首先計量該井的總產(chǎn)液量，其次利用計算得到的計量期間的平均含水率可得到該井的產(chǎn)量情況。

④通過增加單井運行參數(shù)報警功能，實現(xiàn)了對單井的精細化管理，結(jié)合油井運行參數(shù)的變化可分析該井存在的問題，相應(yīng)地，可推斷出該井計量數(shù)據(jù)的準確性。

⑤通過該項目實施，實現(xiàn)了高含水油田初期油井的準確計量，精確掌握了油井的實際運行情況，為下一步油井制度調(diào)整提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，實現(xiàn)了油井的精細化管理。

5 后續(xù)優(yōu)化方向

①通過對數(shù)據(jù)的計算，只對計量分離器油相流量計的量程進行了修改，若平臺后期上線大液量、低含水率的油井，存在油相流量計無法準確計量的問題。計劃對計量分離器油相管線及相關(guān)設(shè)備進行改造擴容，更換大尺寸管線、油相液位調(diào)節(jié)閥及流量計，以滿足未來大液量油井上線的需求。

②為提高計量分離器的油水分離效果，保證水相電磁流量計的計量精度，對計量分離器入口管線進行改造，增加破乳劑及反相破乳劑的永久性加注設(shè)備。

③在計量分離器入口處增加加熱設(shè)備，提高進入計量分離器的液體溫度，改善油水分離效果。

④在不增加藥劑加注設(shè)備的情況下，可對水相管線及電磁流量計進行改造，更換為容積式或質(zhì)量流量計，并增加含水分析儀，通過兩處管線上的流量計及含水分析儀對油井產(chǎn)量進行計量。

⑤定期對計量分離器流量計等相關(guān)儀表設(shè)備進行標定，保證計量準確。

⑥使油井計量系統(tǒng)向智能化、小型化及連續(xù)化方向發(fā)展，要考慮新型多相流量計的適用性。隨著海上石油平臺的智能化發(fā)展，油井計量智能化也成為必然，受海上石油平臺空間限制，采用更緊湊的計量設(shè)備可大大降低平臺建造及維護成本，通過智能化發(fā)展，能夠大幅度減少在油井計量方面的人力投入，提高計量的精度。

⑦為其他新建平臺提供建造設(shè)計經(jīng)驗。隨著老油田逐步進入開發(fā)后期，在新平臺建造設(shè)計階段，一方面，需要準確了解老油田油井的生產(chǎn)狀況；另一方面，需要對新開發(fā)油井設(shè)計合理的設(shè)備參數(shù)，為生產(chǎn)管理提供真實的決策依據(jù)，避免新平臺投產(chǎn)后相關(guān)設(shè)備不滿足流程運行需求。

6 結(jié)語

通過對提升油井計量分離器計量精度的摸索，分析得出計量數(shù)據(jù)存在偏差的原因，通過對計量分離器的改造、優(yōu)化操作程序和增加中控相關(guān)功能等措施，提高了油井計量的精度，掌握了油井的實際運行情況，為下一步油井制度的調(diào)整提供依據(jù)，實現(xiàn)了油井的精細化管理。該項目實施的整個過程具有可復(fù)制性，對其他平臺設(shè)施提升計量分離器的計量精度具有一定的指導(dǎo)意義。