石油计量技术

石油计量技术1主要内容基本知识靶式流量计多相流量计量油井计量储罐计量量值溯源测量方法和仪表选择考虑因素油气流量自动控制2石油计量技术1

基础知识31.1概述

石油计量主要有两种方式：一种是用流量计测量；另一种是用储罐测量。流量计测量：用流量计测量出石油的体积流量，用相应的方法测出石油的密度值、含水率以及有关的温度和压力值，以便求出不含水原油及油品在标准条件（我国的标准条件是，温度20℃，压力为一个标准大气压0.101325MPa）下以质量为单位的油量。储罐测量：用人工检尺或液位仪表测得储罐内油液位高度，计算出体积量，同时按有关规程规定，测出油温，测量出密度值和含水率，以便求出罐内不含水原油及油品以质量为单位的油量。4石油计量技术2靶式流量计5

靶式流量计（TargetFlowmeter，简称TGF）是差压型流量计的一个品种，它的开发及在工业上应用已有数十年的历史。我国于20世纪70年代开发电动、气动靶式流量变送器，它是电动、气动单元组合仪表的检测仪表。由于当时力转换器直接采用差压变送器的力平衡机构，这种流量计使用时不免带来力平衡机构本身所造成的诸多缺陷，如零位易漂移，测量精确度低，杠杆机构可靠性差等。2.1简介6

TGF的原理简图如下图所示。

2.2工作原理7流量计算式如下式中qm，qv——分别为质量流量和体积流量；

α——流量系数；

D——测量管内径，m：β——直径比，β＝d／D；d——靶板直径，m。F——靶板上受的力，N；ρ——流体密度，kg／m3；8图2.1应变式靶式流量传感器结构简图92.3主要特点1）感测件为无可动部件，结构牢固简单；2）应用范围和适应性广泛，一般工业过程中的流体介质,包括液、气和汽，口径范围（DN15以上），工作状态（压力、温度）皆可应用，可以说它与应用最广泛的孔板流量计有同样的使用范围；3）精确度高，总量测量可达±0.2%R；4）范围度宽，4:1～15:1；5）可解决困难的流量测量问题，如测量含有杂质（微粒）之类的脏污流体：原油、污水、高温渣油、烧碱液、沥青等；6）可用于小口径（DN15～DN50），低雷诺数（ReD=103～5×103）的流体，它弥补标准节流装置难以应用的场合；107）可适应高参数流体测量，压力达数十MPa，温度可达450℃；8）可测双向流动流体的流量；9）压损较低，约为标准孔板的一半；10）抗上游阻流件干扰能力强，上游侧直管段长度一般5～10D即可；11）可采用干式校验，给用户周期校验带来方便；12）直读式仪表无需外能源，清晰明了，操作简便，亦可按出标准信号（脉冲频率或电流信号）；13）仪表价格适中，性能价格比很高；14）高流速冲击靶板，其后产生涡街，输出信号会发生振荡，影响信号的稳定性，因此高流速测量对象慎用。11石油计量技术3多相流量计量123.1多相流概述

多相流是一种复杂的现象，它很难了解，很难预测，很难模拟。普通单相流的特征，例如，速度分布图、紊流和边界层都不能适当地描述多相流的性质。流体结构是按流态区划分的，它的特性取决于一些参数。流态区的变化取决于操作条件、液体性质、流量和液流通过管子的几何尺寸和方向性。不同流态区的转变可以是一个渐变过程。图3.1、3.2为几种典型的两相流流型。13图3.1垂直上升管道中的流型14图3.2水平管道中的流型153.2国外新型流量技术简介

本节主要介绍根据混合均质计量和直接在线计量开发出的国外多相流量计量装置。LP型多相流流量计的主体结构由两个独立的仪表组成，其中一个为组分计，用于测量传感器中油、气、水的瞬时体积或质量百分数；另一个为速度计，用于测定油、气、水混合物通过传感器的速度。这样，油、气、水每种组分的瞬时体积或质量流量就可以通过这两个仪表所给出的输出信号进行计算求得。16

MPFM型多相流量计由在线静态混合器、多源γ组分计和文丘里流量计等3部分组成。该流量混合器为一种纯静态混合装置，由一个将多相流送入其内的桶体组成。17

MCF351型多相流计量系统由一个不锈钢双法兰短节、EX级信号处理电子装置和一个以PC机为主的控制装置组成。PC机用来计算和显示计量结果。MCF多相流流量计依靠连续测定各相所占据的横截面面积，然后以各相的流速乘以各相的面积，从而计量出段塞流中流体和气体的各自流量。18

ScrollFlo型多相流流量计是根据容积式计量原理，同时结合密度测量，以此得油、气、水混合物各相得质量流量。容积式结构是一对相互啮合得螺旋状转子。19MPEM-301型多相流流量计主要由2PFM-201流量计和OWM-201含水分析仪两部分组成。2PFM-201流量计是一种气液两相流量计，用于测量从泡流至段塞流所有流态中得气流流量和液体流量。20EUROMATIC公司的多相流流量计工作原理见图。一只涡轮流量计与主管线连接，输出混合物体积流量得信号。一台微型脱气采样器连续从主管线取样并脱除混合物中的气体，然后测定油水混合物的密度。与此同时，还测定混合物的压力和温度，并将各数据输入微机。微机按给定的数学公式运算后，得出油气水各相的流量和总质量流量。21美国石油自动系统公司FLOCOMPⅡ型多相流流量计的工作原理见左图。这种流量计采用快速采样的统计方法气体流量的测量采用著名的P-V-T气体定律，计算出气体流量后，通过测量混合物样品的平均密度计算出油水各自的流量。22石油计量技术4油井计量234.1概述

油井计量的主要目的为了了解储油层的生产状况，分析储油层的变化动态，科学的制定出开发方案和调整改造方案，提高油田的采收率，以及实现油田管理科学化，提高油田生产的经济效益，提供准确可靠的测量数据。油井计量就是要确定油井生产的油、气、水量。从油井生产出来的产品是液（包括油和水）、气混合物，而且这种混合物不是均匀的，所以油井采出液必须经过计量分离器后，方可进行油、气、水的计量。244.2油井简易的计量方法4.2.1分离器玻璃管量油

1）结构原理如图4.1所示25图4.1分离器玻璃管量油原理图在分离器的侧壁安装一玻璃管，其上、下两端分别与分离器的顶部和底部相连。根据连通管的原理，分离器内液柱的压力与玻璃管内液柱的压力相平衡。通过加水漏斗向玻璃管及分离器底部加水。量油时关闭分离器的出油阀，打开出气阀。油井混合液进入分离器后，先进行分离，被分离出来的气体从分离器上部排出。被分离出的液体沉降到分离器的下部，油面上升的同时，玻璃管内的水面也上升。由于油、水密度的差别，分离器内油面高度与玻璃管内水面高度不同，可以通过换算得到油井的产液量。经过分离器分离的气体，由分离器上方排出。262）油量计算

单井日产液量Qm为单井日产油量Qo为式中w——含水率，%。

27（3）特点该方法结构简单，操作方便，投资少而且直观。所以各油田应用比较广泛。但由于量油操作、玻璃管读数、取样、化验等都是人工进行，具有较多的人为因素。另外，从分离器的制造、标定都没有严格的规范，作为一种计量方法来说是比较粗糙的。该方法适用于油井含水率低、并且含水波动小，产量波动较小的油井计量。284.2.2分离器玻璃管电极法

该方法的原理与玻璃管量油相同。所不同之处是在玻璃管上、下液位处安装上、下电极，以控制分离器出油阀的开关，从而实现自动计量。1）结构原理如图4.2所示，当玻璃管内水位达到下电极时，电源接通，电表开始计时；当水位上升到上电极时，电表停止计时，这段时间（t秒）即为量油时间。在电表停止计时的同时，电磁阀因断电而打开，开始排油。玻璃管内水位下降达下电极时，一次量油结束，并记录一次量油。此时电磁阀重新通电关闭，开始第二次量油。如此循环，从而实现自动连续计量。经分离器分离出来的气体，由分离器上方排出。29图4.2分离器玻璃管电极量油原理图当玻璃管内水位达到下电极时，电源接通，电表开始计时；当水位上升到上电极时，电表停止计时，这段时间（t秒）即为量油时间。在电表停止计时的同时，电磁阀因断电而打开，开始排油。玻璃管内水位下降达下电极时，一次量油结束，并记录一次量油。此时电磁阀重新通电关闭，开始第二次量油。如此循环，从而实现自动连续计量。经分离器分离出来的气体，由分离器上方排出。302）油量计算式中Qo——单井日产油量，kg/d；

H水——上下电极间距离，m；ρ水——玻璃管内水的密度，kg/m3；

D——分离器内径，mm。n——量油次数；

t——累积量油时间，s；w——含水率，%。31

3）特点该方法的优缺点与玻璃管量油相同。该方法较之玻璃管量油，可以实现量油自动化，并提高了计量准确度，但由于取样、化验仍为人工，而且电磁阀质量不过关，实际使用中还存在一些问题。324.2.3分离器翻斗量油

1）结构原理分离器翻斗量油由两相计量分离器、计量翻斗、液面控制机构以及电信号计数器四部分组成。计量翻斗是一个纵剖面为等腰三角形的容器，中间用一隔板分为对称的两个计量斗。油井产出液经分离器分离后，经漏斗流入翻斗内，当斗内质量达到一定时，翻斗翻转排油，同时另一斗内进液；当斗内质量达到一定量，翻斗再翻转排液，如此反复进行可连续量油，翻斗每翻转一次，计数器记录一次。被翻斗计量过的液体积聚再分离器的底部，液面通过浮球阀控制排放。被分离出来的气体经分离器上方排出。33图4.3分离器翻斗量油原理图

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2）油量计算

式中Qo——单井日产油量，kg/d；n——测量时间内翻斗翻转次数；

m——每斗液体的质量，kg；t——累积量油时间，s；w——含水率，%。35

3）特点该方法设备简单，操作方便，可以实现自动连续计量，但也存在计量不够准确的缺点。影响翻斗计量准确度的主要原因有两点，其一是翻斗在翻转过程中，漏失量是不可避免的；其二是当油井产液含气量高时，由于分离不净，常有气带进分离器下部，而产生气冲现象，使翻斗乱翻，造成一些假数据。翻斗频繁的翻转将加速磨损。翻斗计量不宜用于产液量大及产气量高、产量波动大的油井计量。364.3两相三组分油井计量装置

1）结构及原理计量开始时，微机发出指令，开启电磁阀，气体经电磁阀排出，气体腰轮流量计计量通过的气体量。此时，由于分离器内的压力与汇管压力平衡，而油管路高于分离器内的液位，液体不能排出。油井来油不断增加，使液面上升，当液位达到中电极时，微机开始计时，同时记录掺水流量计发出的脉冲数，计量掺水量。当液位达到上电极时，停止计时，关闭电磁阀，切断气路，分离器内压力上升，液体被排出，流经密度计。当液位下降到下电极时，电磁阀开启，气路导通，气体进入Π形路，破坏了出油时形成的虹吸作用，排液立即停止，分离器内液位上升，气体腰轮流量计开始计数，开始下一次计量。对于一口井可反复多次计量，最后由微机进行数据处理，并打出生产报表。37图4.4两相三组分油井计量装置示意图384.4油井三相计量装置

油井三相计量可以采用前面中介绍的多相流量计，也可以采用由三相分离器与油、气、水三相计量仪表配套组成的油井三相计量装置。根据油田的开采方式，原油的物性和单井生产能力的不同，可以选用不同的规格和组合的三相计量装置。但计量装置的系统构成大同小异，主要由四部分组成，即三相分离器、自动控制仪表、油、气、水计量仪表和微型计算机等。394.4.1三相计量装置系统的组成

1）三相分离器三相分离器是该计量装置的主要设备，分立式和卧式两种。如图4.5和4.6所示。立式三相分离器适用于油气比较少，产液量较低，油、水易于分离的油井。它的特点是油水界面允许波动范围大，易于控制，且占地面积小，缺点是油、气、水分离效率较低。卧式分离器能适应油气比较高，产液量较大，油、水分离较慢的油井，特点是油、气、水分离效率较高，缺点是占地面积较大。两种型式可根据实际情况选定。40图4.5典型立式三相分离计量装置示意图

41图4.6典型卧式三相分离计量装置示意图42

2）油、气、水计量仪表三相分离器装置采用弹性刮板流量计计量油、水，仪表准确度为±1%。气计量采用气体腰轮流量计，准确度为±1%，流量计与温度、压力变送器配套使用，由气体流量积算仪进行数据处理，实现温度、压力的自动补偿。将油、气、水的有关参数全部输入计算机中进行处理，最终得到净油、净水以及油田气的单井产量。3）自动控制仪表该装置的自动控制仪表包括控制和执行两个部分，有液位控制器、电磁阀、薄膜调节阀。4）微型计算机及外设部分该装置采用单板机或单片机进行数据实时处理和油、水液位的自动控制。43石油计量技术5储罐计量44

储罐测量在国际上有两种方法：体积法和间接质量法。我国采用后种方法，即通过油罐计量体积，密度计测密度，实验室分析法测含水，然后计算质量。455.1普通油罐测量普通油罐测量见下图（图5.1）。465.2油罐自动测量5.2.1力平衡式浮标液位计

浮标液位计于30年代开始使用，结构不断改善，至今仍大量使用。这种液位计采用一个又大又重的浮标，由一条多孔钢带将浮标连接至一个恒转矩装置或平衡锤。浮标的重量足以带动多孔钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，同时带动电动变送器以便获得远距离显示（如图5.2所示）。47

由于滑轮机械装置的摩擦力和钢带重量，这类液位计的测量误差一般约在±（4～10）mm。力平衡式液位计优点是结构简单、价格低。缺点是仅测液位，传动部件多，可靠性差，又因罐内安装，维护困难。适用范围为存储非腐蚀液体系的常压罐、高压罐。485.2.2伺服式液位计

50年代发明的伺服式液位计用一个很小的平衡浮子代替大浮标，悬挂在一根仅零点几毫米的合金钢丝上，用安装在罐顶变送器中的一个十分灵敏的重力敏感装置测量浮子的重量（在液面、液内、界面上有相应不同的浮力），并控制伺服电机作升降浮子，同时带动信号变送器发出远传信号，如图5.3所示。

图5.349伺服式液位计可测量液位、界位、液体密度几个计量参数。由于不存在滑轮、齿轮等摩擦力，钢丝重量几乎可以忽略不计，因而测量精度很高，液位误差可达到±1mm。由于几乎没有传动部件，因此仪表可靠性高。伺服式液位计的缺点是局限于罐内安装且价格较高。适用范围为存储非腐蚀性液体的常压罐和高压罐。505.2.3雷达液位计

雷达液位计（如图5.4所示）从60年代开始应用。它利用脉冲微波入射液面后的反射波测量液位高度。由于其罐顶安装，与液料不接触，并且无可动部件，因此仪表工作十分可靠，尤其适合高粘度及腐蚀性液体的液位测量。现代雷达液位计的液位误差为±2mm、±1mm。图5.4雷达液位计

515.2.4磁致伸缩液位计

磁致伸缩液位计由一根测杆和套在杆上的可滑动的浮子组成，见图5.5。测杆上端是液位计电子部件，测杆内腔用作波导管。磁致伸缩液位计优点是多参数测量，可测量液位、界位、温度；无传动部件，安装方便；测量精度高。缺点是该液位计价格较高。该液位计适用于耐腐蚀的常压罐和高压罐。图5.5磁致伸缩液位计525.2.5静压储罐计量仪

静压测量液位的原理并不新奇，然而，利用静压法直接精确地测出储罐内储液重量、体积、密度和液位，则只有到了压力检测技术和微机技术有了新进展的今天才有可能。近年出现的能对温度及线性度进行补偿的智能化压力变送器，精度达到0.01～0.03%。应用这类变送器构成的静压测量液位仪，系统精度大大提高，以至于测压元件产生的误差相对于储罐几何尺寸标定的相对误差（0.2%）可忽略不计。53

最简单的HTG只有一个压力变送器PT1，将测得的压强乘以储罐的面积，就可以得到罐内液体的重量，如果多用一个压力变送器PT2，就可以从二者压差和两个压力变送器的距离计算出罐内液体密度，然后由密度计和PT1计算出罐内液体液位。储罐顶部气相带压的可多加一个压力变送器PT3，用于补偿PT1、PT2的值，如图5.6所示。图5.6静压储罐计量仪

54石油计量技术6量值溯源556.1用体积管校验工作流量计

图6.1所示为配备现场校验装置—体积管的原油（或油品）输送管线。图6.2所示为逐台校验工作流量计管线图。整个系统由以下几部分组成：1）若干条并联输送管线；2）一台现场校验装置——体积管；3）现场校验装置的控制装置；4）校验管线及阀门等。56图6.1配备现场标定装置的原油（油品）输送管线57图6.2逐台校验工作流量计管线

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体积管校验流量计是用体积管的标准体积值与被校流量计的累积流量（体积流量）进行比较的方法来校验流量计，它有以下一些特点。体积管校验流量计体积小，流量大。目前国产普通体积管的有效容积为1～5m3，其流量范围的上限值达200～3000m3/h，流量范围度40:1。校验时间短，效率高。体积管内表面液体残留量极小，即标准体积复现性好。适用于在线校验，校验时不必切断液流，故原油及油品等输送管线流量计广泛使用它在线校验。易于操作自动化，密闭安全，不污染环境。目前国内已能生产出可移动、小体积、宽量程、高精确度、自动化程度高的活塞式体积管（如图6.3所示）。59图6.3（FTI）在线型活塞式标准体积管606.2质量法油流量标定装置

质量法油流量标定装置是作为流量传递标准，主要标定40mm以下口径的腰轮式、椭圆齿轮式、刮板式、旋转活塞式等流量仪表，也可用作研究流量计量测试方法的标谁设备。61图6.4动态重量法流量标定装置结构示图626.3标准流量计对比法标定装置

标准流量计对比法标定实质上是一种容积法标定，这种标定装置由一台或多台经过精确标定、精确度较高的标准流量计并联组成。标定时，标准流量计和被标定流量计串联起来，通过—定的液体流量后比较两者的指示值，被标定流量计的流量系数按下式计算：式中αf——被标定流量计流量系数；

αs——标准流量计流量系数；

Qs——标准流量计示值；

Qf——被标定流量计示值。63石油计量技术7测量方法和仪表选择考虑因素

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要正确和有效地选择流量测量方法和仪表，必须熟悉仪表和所使用流体特性等两方面，同时还要考虑经济因素。归纳起来有五个方面因素，即性能要求、流体特性、安装要求、环境条件和费用。即使经验丰富的工程师，综合这些因素提出最优方案亦非易事。657.1测量方法和仪表的选择步序1.确定是否真正要安装流量仪表2.初选测量方法3.分析因素66677.2性能要求和仪表规范（规格）方面的考虑测量流量还是总量精确度重复性线性度上限流量和流量范围范围度压力损失输出信号特性响应时间687.3流体特性方面的考虑流体温度和压力流体密度粘度与润滑性化学腐蚀和结垢压缩系数和其他参量多相和多组分流697.4安装方面的考虑管道布置方向流动方向上游和下游管道工程管径维护空间管道振动阀门位置电气连接和电磁干扰防护性配件脉动流和非定常流707.5环境条件方面的考虑环境温度环境湿度安全性电气干扰717.6经济方面的考虑安装费用运行费用

校验费用

校验费用

维护费用

备用件费用及其可购置性

性能价格比和技术服务

7273石油计量技术8油气流量自动控制

748.1自动控制目的

油气生产自动控制是指利用各种检测仪表、执行器、显示仪表、调节仪表、控制装置或电子计算机、通信技术等自动化技术，对油气生产过程（如油气管道输送，天然气净化，原油炼制等）进行自动检测、监视、控制和管理。其目的是在保证安全的情况下，以对供需双方最少的限制，用最经济的方式、最快的手段将产品从供方输送到用户手中。此外，自动化还能改善劳动条件、节省人力和提高环保水平。758.2离心泵的控制方案

离心泵是一种使用广泛的液体输送设备。它的压头是由旋转冀轮作用于液体的离心力而产生的。其转速越高，离心力越大，压头也越高。离心泵控制的目的是：将泵的排出流量恒定于某一个定的数值上。其控制方案通常有以下3种。76

（1）改变调节阀的开启度

通过控制泵出口处的阀门开启度，从而改变调节阀两端的压头，实现流量控制的方案如图8.1所示。当干扰作用使被控变量（流量）发生变化偏离给定值时，控制器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流量回到给定值。采用这种控制方案．调节阀装在泵出口管线上，改变出口阀门的开启度，即改变管路上的阻力和流量，这是由离心泵本身特性决定的。77