江蘇金鼎自動(dòng)化儀表有限公司 ：姚佳明
1 問(wèn)題的提出
科氏力質(zhì)量流量計(jì)在測(cè)量流體流量的同時(shí)也可以測(cè)量出流體的密度，這一特點(diǎn)使其在油田礦場(chǎng)原油計(jì)量中得以廣泛應(yīng)用。通常油井產(chǎn)出的油、氣、水經(jīng)兩相分離器進(jìn)行氣液分離后，液體為油水混合液。由于沒(méi)有適用的原油含水儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量原油含水率，傳統(tǒng)的方法是用容積式流量計(jì)測(cè)量液體流量，然后再?gòu)囊后w中取樣化驗(yàn)含水率，從而計(jì)算得到純油量。應(yīng)用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量油水兩相流體既可以測(cè)量到液體總流量，也可以測(cè)得兩相流體的密度，從而可計(jì)算出流體的含水率和純油流量。
質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原油含水率的計(jì)算公式如式為
對(duì)式（1）微分得
式中Wc為質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的含水率；ρm為質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的混合液密度；ρo為工況原油密度；ρw為工況水密度；dWc為質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量含水率的準(zhǔn)確度；dρm為質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量混合液密度的準(zhǔn)確度。
由式（1）可知，只有知道油、水的密度，才能通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的混合液體密度計(jì)算得到原油含水率。應(yīng)用中需要將純油與純水的密度值作為已知量輸入流量計(jì)的二次表運(yùn)算系統(tǒng)，因此如何確定油水密度成為質(zhì)量流量計(jì)在原油測(cè)量中的一個(gè)重要步驟。
由式（2）可知，含水測(cè)量準(zhǔn)確度與質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量混合液體密度的準(zhǔn)確度有關(guān)，與油水密度差有關(guān)，同時(shí)與純油、純水的密度值本身的準(zhǔn)確與否有關(guān)。
實(shí)際應(yīng)用中，質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量密度的準(zhǔn)確度是儀表本身性能決定的，根據(jù)不同廠家的儀表性能，其準(zhǔn)確度分別有±0.1%、±0.3%等不同的精度。而一旦確定了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的油水性質(zhì)，則密度差也是一個(gè)相對(duì)固定的值。所以由以上兩因素確定的對(duì)含水測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量是基本固定的。下面討論如何準(zhǔn)確地確定油水密度。
2 確定密度的方法
2.1 現(xiàn)場(chǎng)確定油水密度考慮的原則
質(zhì)量流量計(jì)是在工況狀態(tài)下測(cè)量原油的流量與密度值，計(jì)算出的原油含水率是工況狀態(tài)下的含水率，因此確定工況狀態(tài)下的密度值要考慮以下原則：①油田不同區(qū)塊的油、水密度不同，在測(cè)量前應(yīng)對(duì)不同油田的純油密度和純礦化水密度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，作為已知參數(shù)輸入；②在儀表應(yīng)用過(guò)程中，油水密度應(yīng)與測(cè)量開始時(shí)確定的值一致，若使用中途發(fā)生變化應(yīng)重新確定；③純油密度應(yīng)是活油密度，即在分離器工作條件下的飽和原油的密度，而不是穩(wěn)定脫氣狀態(tài)下的原油的密度（用穩(wěn)定原油密度作為輸入值會(huì)造成儀表測(cè)量含水偏低，引起純油計(jì)算偏高）。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用以下兩種方法確定工況下的純油密度。
2.2 采用已知的原油標(biāo)準(zhǔn)密度進(jìn)行換算
多數(shù)廠家的質(zhì)量流量計(jì)二次表的數(shù)學(xué)模型中具有將原油標(biāo)準(zhǔn)密度修正到工況密度的功能。原油中純油、純水的標(biāo)準(zhǔn)密度值一般較容易獲得，因此在應(yīng)用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原油時(shí)應(yīng)預(yù)先對(duì)該原油取樣。將原油脫水獲取純油、純水樣品，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)確定純油、純水的標(biāo)準(zhǔn)密度，然后將油、水標(biāo)準(zhǔn)密度值輸入質(zhì)量流量計(jì)的二次表中。
標(biāo)準(zhǔn)密度換算后輸入儀表是比較方便的方法，但是存在一定的缺陷，這主要反映在原油的密度上。質(zhì)量流量計(jì)二次表中的密度修正一般主要考慮了溫度對(duì)密度的影響，而沒(méi)有考慮壓力對(duì)密度的影響，即使有的儀表考慮了壓力影響，也沒(méi)有考慮工作壓力下原油溶解問(wèn)題的影響。由于水的可壓縮性小且氣體較難溶解于水中，這對(duì)于水介質(zhì)來(lái)說(shuō)影響量可以忽略，但對(duì)于原油密度來(lái)說(shuō)存在較大的差別。因?yàn)槿荧@得的原油密度是穩(wěn)定原油即脫氣原油的密度，而工況原油是溶氣原油，且在高壓下氣體中的重組分會(huì)被液化，這樣就造成工況原油的密度較穩(wěn)定原油密度偏低。測(cè)量中會(huì)造成儀表測(cè)量含水偏低，引起純油計(jì)算偏高。有資料已指出，對(duì)于API26°（密度為897.5kg/m3）的原油，若含水率為50%，穩(wěn)定脫氣原油密度比含溶解氣的活油密度高10kg/m3，引起含水測(cè)量值偏低4%左右，純油計(jì)算會(huì)高出8%。
由此可知，應(yīng)用已知的原油標(biāo)準(zhǔn)密度進(jìn)行換算的方法是基于質(zhì)量流量計(jì)二次表的數(shù)學(xué)模型中具有將原油標(biāo)準(zhǔn)密度修正到工況密度的功能，但其測(cè)量結(jié)果仍存在一定的誤差，且此誤差隨工作壓力增高而增大。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)工況密度確定
（1）現(xiàn)場(chǎng)確定原油密度要配備的儀器設(shè)備。儀器設(shè)備包括：①在測(cè)量工藝系統(tǒng)上要設(shè)計(jì)合適的取樣裝置，以便在測(cè)量工藝系統(tǒng)內(nèi)取到有代表性的原油樣品；②應(yīng)配備快速油水分離裝置，通常為離心分離機(jī)；③必須配備油水密度測(cè)量?jī)x，是便攜式密度計(jì)，該密度計(jì)在測(cè)量油、水密度時(shí)也同步測(cè)量介質(zhì)的溫度，另外，密度計(jì)的測(cè)量精度應(yīng)該優(yōu)于±0.2%。
（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施步驟。主要包括以下幾步：①質(zhì)量流量計(jì)投入運(yùn)行一定時(shí)間介質(zhì)運(yùn)行平穩(wěn)后，在系統(tǒng)取樣口取樣；②將樣品內(nèi)氣體排放出去，用離心分離機(jī)將油水混合液分離，確認(rèn)獲得純油、純水樣品；③將油、水樣品置入適當(dāng)?shù)娜萜鲀?nèi)，用便攜式密度計(jì)分別測(cè)量油、水的密度，讀取油、水密度值時(shí)要同時(shí)讀取油、水介質(zhì)測(cè)量時(shí)的溫度，并進(jìn)行記錄，這個(gè)密度值稱為視密度。
（3）確定油水工況密度。由于水的可壓縮性小且氣體較難溶解于水中，當(dāng)測(cè)量得到水的視密度后可以根據(jù)水的密度與溫度的關(guān)系很容易的將其轉(zhuǎn)換到工況狀態(tài)的密度，這里不在細(xì)述，下面只討論原油的工況密度確定。
首先將原油視密度轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)密度，應(yīng)用公式ρ20=ρt+γ（t-20），式中ρ20為20℃的原油標(biāo)準(zhǔn)密度（kg/m3）；ρt為測(cè)量溫度時(shí)的原油密度（kg/m3）；t為測(cè)量密度時(shí)的原油溫度（℃）；γ為石油密度溫度系數(shù)，由原油20℃的標(biāo)準(zhǔn)密度值可以查表獲得。
其次將標(biāo)準(zhǔn)密度值換算到工況狀態(tài)下溶氣原油密度值，其步驟如下：①計(jì)算原油的天然氣溶解度，根據(jù)所檢測(cè)的原油的標(biāo)準(zhǔn)密度、天然氣的相對(duì)密度、工況壓力、工況溫度計(jì)算該原油的天然氣溶解度，即每立方米原油在工況條件下所能溶解的天然氣量；②計(jì)算原油體積系數(shù)，由于天然氣在原油內(nèi)的溶解，使原油體積增大，單位體積脫氣原油溶入天然氣后具有的體積數(shù)稱原油體積系數(shù)；③計(jì)算溶氣原油密度，根據(jù)原油標(biāo)準(zhǔn)密度、溶入天然氣的相對(duì)密度及以上計(jì)算的原油天然氣溶解度和原油體積系數(shù)計(jì)算溶氣原油的工況密度。計(jì)算公式為ρpt=（ρ+RsΔgsρa）/Bo，式中ρpt為工況下溶氣原油密度；ρ為脫氣原油標(biāo)準(zhǔn)密度；Rs為被測(cè)量的原油的天然氣溶解度；Δgs為溶入原油內(nèi)的天然氣的相對(duì)密度；ρa為常壓下空氣的密度；Bo為原油體積系數(shù)。
3 結(jié)語(yǔ)
用以上方法現(xiàn)場(chǎng)確定的原油和礦化水密度值真實(shí)地反映了油水工況密度，具有很高的精度，將其輸入質(zhì)量流量計(jì)的二次表系統(tǒng)后可以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量值。需要指出的是，這時(shí)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的原油含水率及純油流量均是工況狀態(tài)下的量值，如需求取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的原油產(chǎn)量還需要進(jìn)行相關(guān)的原油收縮率及PVT的補(bǔ)償修正運(yùn)算。
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