質量流量計在油田OGM計量站的應用
摘要：本文介紹了質量流量計在油田OGM計量站生產測試計量中的應用，對OGM計量系統做了概述，闡述了質量流量計的選用和含水計算測量方法，分析了對含氣/含砂對質量流量計的液體流量測量和含水測量的影響，提出了解決措施，并結合實際應用提出了質量流量計選型中應注意的問題。
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：
為掌握油田每口油井的動態，為油藏工程、油田開發提供準確的基礎資料，須對每口油井進行生產測試計量，即對產液量、含水、密度等進行計量，全面地了解每口單井的生產動態。油田OGM計量站是在遠離原油處理站且油井相對集中的區域建立的集油管匯集中計量站，可實現一套生產測試計量裝置計量多口單井，避免了每口單井上安裝一套計量裝置，同時避免每口單井到原油處理站計量管線的敷設，節約大量投資。
生產測試計量(即單井計量)方式有很多種，大多采用兩相分離器或三相分離器配液量計量、含水計量、密度計量儀表等方式。液量計量儀表有液面計量、翻斗稱重計量、速度式流量計量、容積式流量計量或科氏力質量流量計量等儀表，其中科氏力質量流量計(以下簡稱質量流量計)計量方式以計量精度高、量程比寬、安裝簡單、不需要直管段、組態方便、維護方便、操作簡單等優點，在油田單井計量中得到了廣泛的應用[1]。近年，我們 為蘇丹六區、蘇丹三七區、土庫曼斯坦巴格德雷區、尼日爾GOUMERI、尼日爾SOKOR、伊拉克AHDEB等油田提供了40多套質量流量計加兩相分離器的生產測試計量橇，取得了較好的應用效果，也發現了一些問題。
1、OGM計量系統概述：
OGM計量系統由集油管匯、生產測試計量橇等組成。生產測試計量橇包括兩相分離器、液體流量計(質量流量計)、氣體流量計(渦街流量計或孔板流量計)等。系統流程如下：多口單井來液至集油管匯，通過集油管匯選取一口單井來液進兩相分離器進行氣液分離，液路(油水混合液)通過質量流量計進行計量，氣路通過渦街或孔板等流量計進行計量，氣液計量后再合流進匯管，與其他未選單井的來液一起至原油處理站[2]。OGM計量系統流程簡圖見圖1。
圖1 OGM計量系統流程簡圖
如果將集油管匯選用多通閥橇，與兩相分離器、質量流量計、RTU控制系統等一起，可實現OGM計量站的自動和遠程選井計量功能。我們為蘇丹六區、伊拉克AHDEB油田提供的就是這種集多通閥橇、兩相分離器、質量流量計、RTU等一體的具有自動/遠程選井計量功能的成套OGM計量站。
2、質量流量計的測量原理和選用：
2.1、質量流量計的測量原理：
流體在旋轉的管內流動時會對管壁產生一個力，稱為科里奧利力(簡稱科氏力)。質量流量計就以科氏力為測量基礎。
如圖2 所示，截取一根支管，流體在其內以速度V從A流向B，將此管置于以角速度ω旋轉的系統中。設旋轉軸為X，與管的交點為O，由于管內流體質點在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運動，此時流體質點受到一個切向科里奧利力Fc。這個力作用在測量管上，在O點兩邊方向相反，大小相同，為：
圖2 質量流量計測量原理圖
當密度為ρ的流體在旋轉管道中以恒定速度V流動時，任何一段長度為Δx 的管道都將受到一個切向科里奧利力：
| ΔFc：ΔFc=2ωVρAΔx | (2) |
式中，A為管道的流通截面積。由于存在關系式：質量流量mq=ρVA，所以ΔFc=2ωqmΔx。因此，直接或間接測量在旋轉管中流動流體的科里奧利力就可以測得質量流量。
2.2、質量流量計的選用：
質量流量計采用EMERSON公司的Micro Motion質量流量計，由CMF型流量傳感器和3700流量計算機(NOC)兩部分組成，流量傳感器內置密度傳感器和溫度傳感器。質量流量計量精度為±0.1%，密度計量精度為±0.0005g/ml，溫度計量精度為±1℃±0.5%讀數。
由于內置密度和溫度傳感器，每口單井油水混合液的質量流量、密度及溫度由質量流量計直接測量出。通過質量除以密度可以得到體積，通過密度法可以計算出含水率，根據這兩種方法，質量流量計的流量計算機計算出混合液的含水率、混合液的體積瞬時流量和累積流量、純油的質量/體積瞬時流量和累積流量、產出水的質量/體積瞬時流量和累積流量等參數。
一臺質量流量計能同時測量油水產量、含水率、密度、溫度等參數，這樣避免了在線含水分析儀、密度計的使用；同時，在質量流量計的單井測試模式下，內部可以存儲多達48口單井的計量數據，也就是一個OGM的質量流量計可以完成多達48個單井的 計量。質量流量計通過RS485與RTU控制系統進行通訊，與多通閥橇等其他設備一起可實現OGM計量站的自動/遠程選井計量功能，大大方便人工操作和降低運行成本[3,4]。
3、含水率的測量方法：
質量流量計的流量計算機(NOC)依據以下含水率計算公式進行含水率計算：
(3)
式中： 為含水率； ρ混 為油水混合液的密度； ρ油 為純油的密度； ρ水 為產出水的密度。
混合液的密度由質量流量計內密度傳感器直接測量，純油的密度、產出水的密度均通過取樣由實驗室分析出。將實驗室分析出的每口單井的純油密度、產出水密度組態進流量計算機，流量計算機就會自動地計算出含水率。
4、含氣含砂對流量測量的影響及解決措施：
液體中含氣會影響到質量流量計流量測量的精度。大量資料表明：當油水混合液中含有的游離氣體積比不超過15％時，流量計可以正常穩定地工作；當含氣量小于5％時，流量計量精度幾乎不受影響；當含氣量約為l0％時，流量測量誤差小于3％。一般情況下，在計量過程中，由于油井產出的混合液經過分離器后絕大部分氣體被分離出去，所以氣體對液量測量的影響很小。但這樣也難以保證液體中不含有氣體，特別是對于發泡性原油，對于這種情況，需要通過提高分離效率、增大分離停留時間、加注消泡劑等技術手段盡可能在混合液進質量流量計前將氣體分離出去，才能提高流量計量的準確性。
5、含氣含砂對含水測量的影響及解決措施：
在實際測量過程中發現，對于某些油田、某些區塊的一些單井，如蘇丹三七區Moleeta油田的一些單井，將參考溫度下的純油密度、產出水密度組態進流量計算機后計算出的含水率與實驗室分析出的含水率相比偏差偏大，有很多單井的偏差超過5%甚至10%以上。經過分析得出以下原因：
1）主要為含氣對混合液密度造成的影響。質量流量計測量出的是工況壓力下的密度，即含溶解氣的飽和原油的密度，而實驗室分析的是常壓下穩定原油的密度。Moleeta油田的原油粘度大，混合液中含有較多的溶解氣，使得測量出的混合液密度比不含溶解氣的密度偏小，從而引起含水測量值的較大偏差。
2）另外，Moleeta有部分單井含砂量較大，對混合液的
密度產生了影響，從而影響含水率的測量。再者，Moleeta油田大部分單井原油的密度在0.9~0.96g/ml之間，原油的密度較大，油水的密度差小，從而對含水率的偏差產生影響。
在實踐中，我們摸索出一種純油密度反推法，可以很好地克服工況條件下原油含氣、含砂對含水率計算的影響。具體作法為：
1）先將實驗室分析出的某一單井含水率及產出水密度組態輸入到流量計算機內，由流量計算機根據含水率計算公式反推出該單井的純油密度。由于水的可壓縮性小且氣體較難溶解于水中，產出水的密 度在工況壓力下和常壓下二者的密度變化小，影響可以忽略，由此反推出的純油密度可以認為是工況下的密度。
2）再將該反推出的純油密度保存在流量計算機內作為組態參數用于含水率的實時測量。
根據此反推法測量出的含水率偏差較之前有了很大的降低，單井的含水率偏差基本在5%以下，甚至更低，能夠滿足單井測試計量的要求。
6、質量流量計選型中應注意的問題：
1）對于高粘度原油，在選擇流量計口徑時，應綜合考慮測量范圍和壓力損失，不能單一地要求低壓力降而選擇大口徑的質量流量計。否則加大儀表口徑不僅增加設備費用，同時大口徑儀表在小流量下運行會增加測量誤差。質量流量計在蘇丹三七區的應用就是一個例子。蘇丹三七區Moleeta油田的業主在技術文件中提供的流量范圍為500～4500bbl/day，乳化液粘度為3500cP@60℃，而設定的
允許壓力降為不高于40kPa，結合質量流量計的計算書***終選擇了4”口徑的質量流量計。實際上，4”質量流量計可測流量***大為81600bbl/d。流量范圍中，***小流量500bbl/ day對應的量程比為1:163，***大流量4500bbl/day對應的量程比為1:18。實際上，Moleeta油田的大部分單井的實際產量在1000bbl/day左右及以下，也就是說對于大部分單井，質量流量計在小流量下工作。而實際測量對比過程中，也發現4”質量流量計在Moleeta油田的計量效果不好，流量測量偏差較大。后更換一臺2”質量流量計到現場做測試，流量計量偏差大大降低，而實際的系統壓力降也不超過0.2MPa，滿足生產測試計量要求。
2）質量流量計的供電電源避免選用230V交流電源，應盡量選用24V直流電源供電。在蘇丹三七區，油田現場230V交流電受當地電網波動的影響較大，輸出電壓不穩定，造成多臺質量流量計的傳感器模塊和流量計算機的電路板損壞。為避免此類情況發生，通過改變質量流量計的供電為24V直流電源，由現場24VDC開關電源提供，后來再未發生質量流量計電路板因供電原因而損壞的問題。
