撬装单罐稠油自动计量装置的研发及应用

2022-09-22

一、研发背景

稠油, 即指粘度高且比重大的原油, 根据其粘度 (μ) 的大小《油气集输设计规范》 (GB50350-2005) 中将稠油分为三类:在统一的50℃条件下, 稠油粘度400<μ<10000MPa.S为普通稠油;10000<μ<50000MPa.S为特稠油;μ>50000MPa.S为超稠油。如:新疆油田九区、红浅区、四二区、百重七、克浅油田等区块原油粘度范围在400-1×104MPa.S (50℃) , 属于普通稠油;重18井区原油粘度范围在6400-22750MPa.S (50℃) , 基本属于特稠油;风城油田原油粘度10000-115×104MPa.S (50℃) , 属于为特稠油或超稠油。关于普通稠油, 新疆、辽河、胜利油田一般采取蒸汽吞吐、或汽驱开采技术进行开采 (采收率达25%左右) ;特稠油, 一般采取火烧油层 (火驱) 开采技术进行开采 (采收率可达70%左右) , 火驱开采技术用也适用于普通稠油的开采;SAGD开发技术 (采收率达50%左右) 适用于粘度范围较广的稠油的开采。关于超稠油的开采, 新疆油田、辽河油田正在进行SAGD开发技术的应用实践。稠油的计量难度很大, 尤其是特稠油或超稠油的计量难度就更大了。

2012年我们针对稠油的蒸汽吞吐、汽驱开采技术成功地研发出了“自平衡双罐稠油自动计量装置 (XTG-LE0.6X1.8-1.6) ”, 但此计量装置不适用于火驱开采技术的稠油计量 (因火驱开采必须对稠油中携带的气体进行计量) , 也不实用于SAGD开发技术的稠油计量, 而且装置成本较高。为了解决这一问题, 2013年我们开立此项目——研究开发“撬装单罐稠油自动计量装置”。旨在研发一套既适用于火驱开采技术、又适用于蒸汽吞吐和汽驱开采技术的稠油计量装置, 并对其是否适用于超稠油的计量进行探讨。

二、装置的构成

新型 (XTG-DCJ16-0.8-I) 撬装单罐稠油自动计量装置主要由:单罐稠油计量分离器、防爆插入式双法兰压差液位变送器、防爆气体流量计、防爆油温温度变送器、防爆后备排油螺杆泵、防爆排液单流阀、防爆排液电动球阀、防爆憋压电动球阀、防爆计量监测仪 (RTU) 、防爆配电箱、工艺阀门及管、压力表、照明系统、冬季采暖电暖器、设备隔热系统及彩钢板房等组成。详可见单罐稠油自动计量装置工艺自控流程图 (图1) 及装置实物照片 (图2、图3) 。彩钢板房, 长x宽x高=4000x2700x3000, 上述所有设备合理布局地安装于彩钢板房内;整个计量装置“集工艺阀门与配管、压力容器、仪表、通信、电气、采暖、建筑为一体化”, 可以吊装车载运输, 落地坐稳即成安装。用户只需连接外部管道及供电电缆即可进行计量作业。

三、关键设备

1. 防爆计量监测仪 (RTU)

由一套echo E50型RTU各功能模块及PWS-5显示屏、24VDC电源、继电器及开关与端子、防爆壁挂式机箱 (具有视窗) 及防爆操作键盘等组成。它是本计量装置的技术核心。我们用其计时功能和数学运算功能计算计量单井产液量和产气量;用其顺序控制功能管控电动球阀;用其RS485通信功能直接管控选进用的电动多通阀 (用户配) ;总体实现自动选井、自动计量;还可用其通信功能与油田SCADA系统联网, 既可在站上操作计量, 也可远程操作计量。操作人员通过防爆键盘的操作, 可以十分方便地实现:“多井人工排序, 自动按序选井, 自动按“预定罐次”或“预定时间”进行计量”;有关计量参数 (如计量起始限△P1、计量上限△P2、定次计量罐数、定时计量时间等) 操作人员也可通过防爆键盘随时设定;稠油单井液/气计量的数据自动存储于RTU内或上传于上位机系统。RTU内存储的历史计量数据可以随时查看。有两幅重要的人机界面见下图:

2. 稠油计量分离器

实际上就是一个内径为800mm的立式压力容器, 参见前面 (图1) , 它主要由上部的“分离室”和“消泡网”、中部的“计量室”、下部的“接油槽”及槽外的自然水包, 还有液位计接口、出液管路、出气管路等组成。设计压力为1.78MPa、设计温度200°C。

四、计量过程及原理

1. 计量过程

参见工艺自控流程图 (图1) , 本计量装置与电动多通阀配套使用 (或与人工手动选井配套使用) , 在计量监控仪 (RTU) 的监控制下:经电动多通阀选井而来某井的油气混合物首先进入稠油计量分离器的“分离室”进行气液分离:1、分离出的气相经过“消泡网”→气体流量计 (FQT-1) →电动球阀 (DV-2) →总出口球阀→流入埋地集油干线;2、分离出的液体向下自动流入“计量室”, 此时排液电动球阀 (DV-1) 处于关闭状态, 液体在圆柱形“计量室”内随着时间的推移液位缓慢上升;3、当稠油液位 (h) 上升至计量起始限H1 (对应液位压差△P1) 时开始计时 (t1) , 当液位 (h) 上升至计量上限H2 (对应液位压差△P2) 时, 停止计时。此时, RTU记下了液位变化量 (ΔH=H2-H1) 对应的压差变化量△Pj=△P2-△P1及时间变化量△t=t2-t1。同时, RTU立即打开排液电动球阀 (DV-1) 开始排液、并关闭憋压电动球阀 (DV-2) 加速液排!液相经过单流阀→排油电动球阀 (DV-1) →总出口球阀→流入埋地集油干线。经过10分钟后 (具体时间视实况设定) , 若液位流降至H1 (△P1) 之下, 则本罐 (或本次) 计量结束;若液位不能流降至H1之下, 则本罐 (或本次) 计量不算结束, RTU立即启动后备排油螺杆泵强行将罐内液位抽降至H1 (△P1) 之下后停泵, 这才使本罐 (或本次) 计量结束。本罐计量技术后, RTU及时关闭电动球阀 (DV-1) 、打开电动球阀 (DV-2) 开始下一罐 (或下一次) 的计量……如此过程循环进行, 直到设定计量罐数 (或设定计量时间) 到达为止。

2. 计量原理

RTU根据△Pj、△t、计量罐内横截面积S及气体计量计测量实时值Q, 即可计算出单井产液量及产气量:

(1) 单次计量产液量计算公式:

公式1

式中:Qd--日产液量 (t/d) S--分离器横截面积 (m2) ;

ΔPj--液位压差 (m.H2O) ;Δt—单罐效计量时间 (min) ;

计量常数:C=SxΔPj=0.25πD2ΔPj (D=0.8m)

一般取ΔPj=0.5m.H2O则C=0.2513 (t)

(2) 连续n罐 (或次) 计量平均产量计算公式:

式中:Qp--n罐计量平均日产液量 (t/d) ;C=SxΔPj计量常数 (t)

Δtin--计量罐数 (或次数) ;--第i罐有效计量时间 (min) ;

(3) 连续n次计量气量平均产量计算公式:

式中:Qi--第i罐计量时气体流量计实测瞬时流量 (Nm3/h)

Ty--连续n次计量各次有效计量时间总和 (S)

Δti--第i罐有效计量时间 (S) ;

五、装置技术特点

本撬装“单罐稠油自动计量装置 (XTG-DCJ16-0.8-I) ”是在总结吸收“自平衡双罐稠油自动计量装置 (XTG-LE0.6X1.8-1.6) 研发成功经验的基础上改进而来的。关于稠油计量的原理完全相同, 增加了稠油携带气量的计量功能, 具有如下几个技术特点:

1. 将双罐计量改成了单罐计量。

减少了1个计量罐;减少了1台双法兰差压液位变送器;将2台电动三通球阀改成了2台电动直通球阀;增加了后备排油螺杆泵;等等;在完成同等功能的前提下降低了成本, 并减小了装置的体积。

2.

增加了计量稠油携带气量的旋进漩涡流量计 (对单井本身气量变化范围很大或井与井气量相差很大的计量站, 将采用了一大一小两台流量计及电动三通球阀, 在RTU的监控下自动切换计量, 会极大地提高装置对单井气量的计量范围) 。因此, 本计量装置既适用于火驱开采技术、也适用于蒸汽吞吐或汽驱开采技术的稠油井的产能计量。对SAGD开采技术的稠油井的计量也可以进行尝试。

3.

对排油方式进行了改进, 增加了适合稠油的后备螺杆泵进行排油, 使计量罐油的排油有了保障, 解决了用罐计量稠油的技术“瓶颈”问题, 为稠油的“罐—液位—时间”计量法夯实了基础;同时缩短了排油时间, 以便每天能计量更多的油井。

4. 撬装化:

省投资、省工期、使用方便;大大减少了工程管理工作量及操作人员的劳动强度;

5.

操作简单方便;计量站可实现无人值守。

六、装置技术指标

XTG-DCJ16-0.8-I型单罐稠油自动计量装置技术指标如下:

1. 适应单井特稠油和普通稠油的计量;

2. 计量稠油液量范围:0.5-70t/d;

3. 稠油携带气计量范围:3.6-76m3/h (或3.6-150m3/h) ;

4. 计量精度:液量≤±7%、气量≤±5%;

(满足计量规范要求计量精度:液量≤±10%、气量≤±10%)

5. 管控1-2台电动多通阀可对11-22口稠油井进行自动选井与计量;

6. 设计压力1.78MPa、设计温度200°C;

7. 计量压力损失:≤0.02MPa;

8. 装置外型尺寸:L×W×H:4000×2700×3000;

9. 装置重量:约3.5t。

七、试用情况

XTG-DCJ16-0.8-I型单罐稠油自动计量装置于2013上半年研发制造出来, 2013年后半年, 在国外哈萨克斯坦油田及国内新疆油田得到了试用。实践表明, 本计量装置各项功能及技术指标均达到了预期的目标。而且对稀油井的计量也能适用。但对超稠油井的计量还未做实验。

结束语

1. 采用双法兰差压变送器直接测量计量罐内稠油液位的高度压差, 计量监控仪根据该“压差”及其所用的时间来计算计量单井产液量;计量精度高、计量范围宽 (量程比可达100:1) 。

2. 增加了计量单井稠油携带气量的功能, 拓宽了适用范围:本计量装置既适用于火驱开采技术、也适用于蒸汽吞吐或汽驱开采技术的稠油井的计量。

3. 排油时采用后备螺杆泵进行强力排油, 提高了排油的保障性, 并缩短了排油时间, 以便每天能计量更多的油井。

4. 整个装置实现了橇装成套一体化, 结构合理紧凑, 安装方便, 迁移方便, 可大大缩短工期、大大减少现场施工工作量, 减少了工程费用。

5. 经过实践检验, XTG-DCJ16-0.8-I型单罐稠油自动计量装置各项功能及其技术指标均达到了预期的目标。

综上所述, 本撬装单罐稠油自动计量装置的研发是成功的。本计量装置实现了撬装成套化、工厂预制化、现场组装化;结构合理紧凑、占地面积小;便于运输及安装;能缩短工期及节省工程费用;操作简单, 使用方便, 适用范围宽光;自动选井, 自动计量, 计量误差小、排油效果好。与自平衡双罐稠油计量装置相比, 具有造价低、适用范围宽广等许多特点, 重要的是能为稠油采油作业为实现“高效采油”及时而准确地提供稠油井的动态技术数据。可在今后国内外稠油开采项目中大力推广应用。本装置已取得了国家实用型专利。

摘要：稠油常用“蒸汽吞吐、汽驱、火烧油层、SAGD”等稠油开采技术。稠油具有粘度高、密度大、流动性差、携砂量大、泡沫油量大、油水乳化严重, 难于分离等特点, 给稠油井的产能计量带来了较大的困难。本文探讨了撬装单罐稠油自动计量装置的研发及应用, 为特稠油或超稠油的计量做了有益的尝试。

关键词：单罐,稠油,火驱,自动计量,撬装