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孔板流量計誤差分析與改進措施

作者:鄭 武 來源:中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 發布時間:2020-05-07 14:05:34

 摘 要:孔板流量計廣泛應用於石油石化行業,是獲取海上油田油井、氣井天然氣產量的重要計量工具。但在長時間生產運行過程中,孔板流量計的計量數據會產生一定的誤差。產生這些誤差的原因很多,通過對孔板測量原理的研究,結合現場實際運行情況,分析可能影響孔板流量計計量精度的因素,並在此基礎上提出相應的工藝流程改進措施,以提高天然氣產量計量的準確度,為油氣井精細管理提供可靠、精準的數據支持。

 
1 孔板流量計工作原理
        孔板流量計具有結構簡單、安裝簡便、使用可靠性高等特點,是海上油田油氣井計量時zui常用的流量計。它是由節流裝置(孔板)、取壓裝置、緊固裝置和附件組成。孔板流量計的工作原理是利用流體節流的原理,也就是當充滿管道的流體流經管道內的節流裝置時,流體將在節流件處形成局部收縮,從而使流體的流速增加,靜壓力降低,於是在節流件前後產生了靜壓力差。由於其與流量存在著一定的函數關係,流體的流速越大,產生的壓差也越大,可通過孔板前後兩端的取壓裝置將差壓信號傳送給差壓變送器,再轉換成模擬信號輸出,通過遠程的流量計算儀,實現流體流量的計量(圖 1)。
孔板工作原理
        這種測量流量的方法以水力學的能量守恒定律和流動連續性方程為基礎。
 
       天然氣質量流量計算基本公式:
QQ截圖20200507141038.jpg
式中: mq 為天然氣質量流量;ρ1 為天然氣在操作條件下上遊取壓孔處的密度,可通過計算或實測得出;C 為流出係數;β 為直徑比,β = d D/ ;d 為操作條件孔板開孔直徑;D 為操作條件上遊測量管內徑;ε為可膨脹性係數;Δp 為上下遊取壓孔位置上所取得的靜壓力差。
 
        按天然氣在操作條件下和在標準參比條件下密度與其溫度、壓力的關係,並引入與幹空氣的相對性推導計算實用公式。
天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式:
QQ截圖20200507141042.jpg
       式中: vn q 為天然氣在標準參比條件下的體積流量;Avn 為體積流量計量係數(其值視計量單位而定,秒體積流量(m3/s)計量係數為 3.179×10-6);E 為漸近速度係數;FG 為相對密度係數;FZ 為超壓縮係數;FT為流動溫度係數;P1 為孔板上遊側取壓孔氣流絕對靜壓。
 
        由上述公式可以看出,氣體的體積流量 vn q 與孔板開孔直徑 d 、上下遊取壓孔位置上所取得的靜壓力差 Δp 有著密切的關係。
 
2 計量誤差的原因分析
2.1 流量計安裝不合理
        孔板流量計的安裝應符合相應的安裝規範。根據 GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》,節流裝置應安裝在 2 段具有等直徑的圓形橫截麵的直管段之間,毗鄰孔板的上、下遊直管段應符合一定的技術要求。一般情況下,海上油田孔板安裝要求為:毗鄰孔板的上遊直管段長度應為 10 D(D為測量管內徑),下遊直管段長度應為 5 D。在實際安裝的過程中基本可以滿足要求,但往往一些細節問題會被忽視,也會造成安裝誤差,如:直管段內壁粗糙度不符合要求,引起誤差;施工人員領料、用料不符合規範,實際安裝管道與設計要求不符等。
 
2.2 取壓與氣流異常
       從地層中開采出的原油進入油井計量分離器進行油氣水三相分離,這一過程中,當出現天然氣氣液 分離效果不好或分離器內部結構件(波紋板、捕霧器)故障破損時,也會產生不利的影響因素。如:①會使導壓管路、測量腔室在長時間使用中產生積水、積油現象,嚴重的情況下原油中的油泥及顆粒也會進入導壓管,發生堵塞,從而影響計取壓的準確性,造成計量誤差(圖 2);②在冬季,環境氣溫較低時,有可能會使積液產生凍堵,此時流量計也不能真實地反映出孔板的前後壓差,造成計量數據不準確;③儀表變送器經過長期使用,會發生相應的零點漂移,造成測量數據偏差。
孔板油泥汙垢
 
       依據 GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》,氣流通過孔板的流動應保持亞音速,是穩定或僅隨時間緩慢變化的,應避免脈動氣流。當不能滿足孔板安裝直管段的長度要求時,應安裝阻流件及流動調整器,以確保氣流的穩定。
 
2.3 測量範圍選擇不合理
       在正常生產中,由於油藏屬性、地層能量、開采方式等的不同,每口油井的生產狀態與產量也會不同。單一開口尺寸的孔板流量計的計量範圍是固定的,一般情況下常用孔板的量程比為 1∶3。實際操作中,應根據油井的開發生產方案中的預測產氣量或已 知產氣量選擇與之相適應的孔板進行油井的計量。
 
2.4 人員操作及維護不當
       對高產井與低產井的計量,由於其產氣量的範圍會超出測量範圍,不可避免的工作就是更換不同孔徑的孔板,以確保計量的準確性。人員的一些操作失誤會直接導致計量數據不準確。對於該項操作有著相應的嚴格要求:①孔板喇叭口的朝向應為管線下遊方向;②安裝拆卸孔板不能使用蠻力或尖銳工具,避免孔板變形和工作麵劃傷;③安裝密封圈應檢查有無破損情況;④更換下來的孔板應妥善保存,防生鏽、防 擠壓,運送途中避免磕碰。如果單一孔板能夠滿足計量範圍的要求,則更應該注意定期的檢查與維保。孔板長時間未更換,受工藝介質衝刷、腐蝕、雜質堆積等因素的幹擾,其工作麵易產生衝刷磨損、孔板變形、工作麵結垢等。對此人員未能及時檢查發現,也會造成計量數據的偏差。
 
3 提高計量精度的措施
3.1 優化流程減少操作失誤
       以某海上油田為例,該油田共有油井數 23 口,其單井產氣量分布由低到高的範圍約為(3×102)~ (9×104)m3/d。由於該油田油井產氣量範圍波動較大,單一開口尺寸孔板的滿刻度量程無法滿足單井計量要求(表 1),需要頻繁更換孔板。人員技能水平的 差異,將不可避免地帶來操作失誤的情況,影響計量精度。為此通過對計量分離器生產流程進行優化設計,擴大孔板流量計的測量範圍以減少人員直接接觸所引起的操作失誤。
孔板尺寸及滿刻度流量表
       通過在原油井計量分離器氣相出口增加 1 路氣相計量管線和高級一體化孔板流量計,實現不同氣量的油井在不拆卸更換孔板的情況下,利用切換流程使用相對應的測量範圍的孔板進行計量。
 
       此次改造後,將 2 台高級一體化孔板流量計分別裝入 1.065 8 in(27.071 mm)及 2.531 in(64.287 mm)尺 寸的孔板,以實現大孔板和小孔板對該油田全部油井產氣量測量範圍的全覆蓋,操作人員隻需開關閥門, 即可完成大小孔板的流程切換,避免了頻繁更換孔板造成損壞。在減少人員工作量與工作強度同時,有效提升了孔板流量計的計量精度(圖 3、圖 4)。
改造流程示意圖
       通過對孔板流量計的維護,可以消除大部分的影響因素。例如:①定期對取壓管線以及流量計腔室的積液排放;②通過拆檢可以及時發現孔板及測量腔室淤泥汙垢並及時進行清理;③入冬季前相關管線、儀表附件等的保溫檢查;④儀表變送器定期檢查、排放、標定,消除零點漂移等因素造成的誤差。在管理製度上,應建立相關的程序(周檢、月檢、年檢),並及時更 新,加強相關技能培訓,增強員工責任心。
孔板參數設置圖
4 結 論
       對於新投產施工投用的流量計,其測量誤差產生的原因多是安裝不規範或錯誤安裝所致。對於已長時間投用的流量計,測量誤差產生的原因多是維護不 及時、操作失誤或工藝方麵的原因所致。綜上所述,通過相關的分析找出流量計測量誤差產生的原因並采取改善措施,才能保障生產正常運行。

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