劉婷婷 何鵬 楊朝鋒 鮑文 梁裕如

陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院

油田原油單井計(jì)量主要目的是為了掌握地下儲(chǔ)油層的儲(chǔ)存和開采狀況，分析儲(chǔ)油層的變化動(dòng)態(tài)，為制定科學(xué)的油田開發(fā)方案提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)油田管理科學(xué)化，開發(fā)效益最大化。但在油田開發(fā)后期階段，隨著單井產(chǎn)液量少及含氣、出砂、結(jié)蠟、間歇出液等諸多問題的出現(xiàn),直接影響了單井稱重計(jì)量的準(zhǔn)確度[1]。如何降低不良因素的影響，保證井口的準(zhǔn)確計(jì)量是各大油田需解決的問題。

1 稱重計(jì)量的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題

稱重計(jì)量能夠減少因產(chǎn)液攜氣造成的假體積而帶來的準(zhǔn)確度誤差，能夠穩(wěn)定地計(jì)量機(jī)抽井間歇性產(chǎn)液，計(jì)量準(zhǔn)確度高、自動(dòng)化程度高、成本低。但原油含水在線測(cè)量受產(chǎn)液含水變化波動(dòng)[2-4]、設(shè)備穩(wěn)定性等諸多因素的影響，較難保持穩(wěn)定。因此，一般采用定期取樣化驗(yàn)油水密度來驗(yàn)證計(jì)算原油含水率。

在低產(chǎn)油井的井口計(jì)量中，受油井間歇產(chǎn)液，含氣、出砂、結(jié)蠟等諸多因素的影響，采用稱重計(jì)量結(jié)合取樣計(jì)算含水率的方法能保持較好的計(jì)量穩(wěn)定性，提高井口計(jì)量的準(zhǔn)確度[5-6]。但在溫度較低的工況中進(jìn)行計(jì)量時(shí)，受低產(chǎn)油井間歇產(chǎn)液影響，當(dāng)單次來液量達(dá)不到最低計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為了減少計(jì)量誤差，須在計(jì)量罐內(nèi)滯留來液，直到累計(jì)來液量達(dá)到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)再進(jìn)行稱重計(jì)量[7-10]。

因此，在計(jì)量結(jié)束后的排液過程中，由于來液在計(jì)量罐中停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致溫度下降，致使經(jīng)常出現(xiàn)掛壁、結(jié)蠟等現(xiàn)象，甚至?xí)氨鶅觥痹谟?jì)量器中，影響稱重的準(zhǔn)確度及含水率的計(jì)算，導(dǎo)致下次計(jì)量的誤差。因此，須對(duì)計(jì)量罐內(nèi)產(chǎn)液進(jìn)行加熱，將排液溫度控制在一定范圍內(nèi)，才能減少稱重計(jì)量的誤差[11-13]。

常規(guī)采用電加熱等方式，這種加熱方式對(duì)原油是由外到內(nèi)的傳熱過程，存在加熱速度慢、加熱效率低且需持續(xù)不間斷伴熱的問題[14-16]，從而大大浪費(fèi)了能源。

2 微波加熱的原理和優(yōu)勢(shì)

在計(jì)量器內(nèi)，產(chǎn)液為油水混合液，其中水是極性分子組成的物質(zhì)，能較好地吸收微波，而原油是由非極性分子組成，基本上不吸收或者很少吸收微波,但不影響計(jì)量器內(nèi)微波的加熱效果。當(dāng)產(chǎn)液為水包油時(shí)，水吸收微波被加熱，而水會(huì)“溫暖”地包裹著油，把熱量傳遞給油，共同升溫；當(dāng)產(chǎn)液為油包水時(shí)，微波能量會(huì)透過原油加熱水珠，這時(shí)，原油就像“懷抱”無數(shù)“小太陽”的熱水珠，一起升溫；當(dāng)產(chǎn)液僅為原油時(shí)，這時(shí)計(jì)量器就變成了微波諧振腔，微波在計(jì)量器內(nèi)反復(fù)輻射，加熱原油。因此，利用微波對(duì)計(jì)量器內(nèi)的累計(jì)來液進(jìn)行一次性的“即時(shí)”快速加熱，使之能高效、快速地排液是可行的。

3 微波加熱效果的試驗(yàn)研究

本研究設(shè)計(jì)了1臺(tái)帶有微波加熱的井口稱重計(jì)量裝置，通過在室內(nèi)搭建平臺(tái)，進(jìn)行稱重計(jì)量實(shí)驗(yàn)，以觀察微波的加熱效果和了解對(duì)稱重計(jì)量的準(zhǔn)確度影響。

3.1 計(jì)量設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)稱重計(jì)量器工作原理為：當(dāng)產(chǎn)出液流入計(jì)量器到一定容量時(shí)，進(jìn)液閥關(guān)閉，計(jì)量器自動(dòng)稱重，通過密度法計(jì)算出單井產(chǎn)液含水率；然后打開排液閥，待排出全部計(jì)量產(chǎn)液后，關(guān)閉排液閥，打開進(jìn)液閥，循環(huán)反復(fù)，累計(jì)產(chǎn)液量。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

計(jì)量罐體為雙層結(jié)構(gòu)，外層內(nèi)壁上部設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)上放置稱重傳感器，內(nèi)層掛于外層內(nèi)部的稱重傳感器上，內(nèi)層外壁設(shè)有微波源加熱裝置。外層內(nèi)部頂部設(shè)有液位計(jì)、液位傳感器、溫度傳感器等自控設(shè)備和伴生氣管線，方便伴生氣的計(jì)量和收集。外層內(nèi)部下方與排液槽連通，排液槽與罐體頂部的緩沖罐通過溢流管連通。外層主要起來液緩沖、對(duì)內(nèi)罐支撐、稱重后液體集流排出及收集溢流排液的作用，與此同時(shí)隔絕外部環(huán)境對(duì)稱重的影響。

表1 原油基本物性表井號(hào)層位φ(水)/%20 ℃密度/(kg·m-3)析蠟點(diǎn)/℃析蠟高峰點(diǎn)/℃w(蠟)/%w(膠質(zhì))/%w(瀝青質(zhì))/%凝點(diǎn)/℃50 ℃黏度/(mPa·s)雙五轉(zhuǎn)長(zhǎng)6-280839.4130.1717.8925.243.420.31205.2041-116#長(zhǎng)6-160839.7730.9424.248.4216.020.28236.0522-16-5#延1075849.8339.1328.156.6015.600.85169.6323-7-4#長(zhǎng)4+50846.1036.0524.943.8019.440.38225.6223-69-2#長(zhǎng)92851.0048.4224.678.6915.260.853210.5123-49-4#延95842.0032.2423.496.7019.290.29235.4023-23-2#長(zhǎng)25856.0039.6322.755.0316.280.782510.87

3.2 微波加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1加熱溫升確定

為了解井口來液的流變特性，確定加熱溫升，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，選取了7個(gè)有代表性層位的含水原油，油井基礎(chǔ)資料見表1。

由表1可以看出，不同層位的原油性質(zhì)亦有一定的差別。延長(zhǎng)油田原油均屬于輕質(zhì)含蠟原油，含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%，析蠟溫度為20～40 ℃。

為進(jìn)一步了解延長(zhǎng)區(qū)塊含水原油的流變特性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)雙五轉(zhuǎn)-長(zhǎng)6-2含水原油做了DSC熱分析曲線，如圖2所示。

同時(shí)，測(cè)試了雙五轉(zhuǎn)-長(zhǎng)6-2含水原油不同溫度下的累積析蠟量(見表2)。

對(duì)雙五轉(zhuǎn)-長(zhǎng)6-2含水原油的黏溫?cái)?shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行了測(cè)試(見表3)。

雙五轉(zhuǎn)-長(zhǎng)6-2含水原油的黏溫曲線如圖3所示。

測(cè)試結(jié)果表明：含水原油在30 ℃以上時(shí)，黏度較低且只與溫度有關(guān)而與剪切率無關(guān)，表現(xiàn)出牛頓流體性質(zhì)；在30 ℃以下時(shí)，原油的表觀黏度大且與剪切率有關(guān)，表現(xiàn)出非牛頓流體性質(zhì)；溫度低于25 ℃以后，原油中不僅有蠟晶大量析出，而且黏度隨溫度下降而迅速上升。

表2 原油在各溫度下的累積析蠟量溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%300.01173.7248.51-912.38290.06164.1138.84-1012.63280.14154.5029.17-1112.87270.25144.8919.49-1213.10260.45135.2809.81-1313.33250.72125.65-110.12-1413.55241.04116.03-210.43-1513.76231.39106.40-310.72-1613.96221.7696.76-411.02-1714.16212.1487.12-511.30-1814.35202.5377.48-611.58-1914.53192.9367.83-711.86-2014.71

表3 原油的黏溫關(guān)系溫度/℃稠度系數(shù)/(Pa·sn)流變指數(shù)10 s-1黏度/(mPa·s)20 s-1黏度/(mPa·s)50 s-1黏度/(mPa·s)203 341.5 0.22549.1318.8155.42578.80.7544.337.329.7308.81.008.88.88.8356.91.006.96.96.9406.61.006.66.66.6505.21.005.25.25.2

延長(zhǎng)油田原油屬于輕質(zhì)含蠟原油，析蠟溫度為20～40 ℃，凝點(diǎn)為15～25 ℃。因此，將來液溫度加熱至30 ℃以上時(shí)，基本可以使來液保持良好的流動(dòng)性能。

受低產(chǎn)油井間歇產(chǎn)液以稱重計(jì)量準(zhǔn)確度要求的影響，考慮到冬季極端工況條件下，井口來液在計(jì)量罐內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留，溫度降至與環(huán)境溫度相同，取該地區(qū)冬季平均溫度-10 ℃為基準(zhǔn)，則加熱溫升為40 ℃。

3.2.2功率確定

低產(chǎn)油井日均產(chǎn)液量一般不超過1 t，以1 t產(chǎn)液量計(jì)算，則30 min平均產(chǎn)液量為20 kg。在微波作用下，水的介電損耗遠(yuǎn)高于油，微波能大部分被水吸收，假定產(chǎn)液全部為水。含水原油吸收熱量計(jì)算如式(1)。

q=cmΔt

(1)

式中：q為吸收熱量，J;c為物體比熱容，J/(kg·℃);Δt為吸熱前后溫差，℃；m為質(zhì)量，kg。

可知，當(dāng)取Δt=40 ℃、c=4.2×103J/(kg·℃)、m=20 kg時(shí)，相同功率下，不同含水率的原油加熱相同溫升-10～30 ℃(升溫40 ℃)所需時(shí)間見表4。

表4 微波加熱耗時(shí)功率/kW頻率/MHz溫升/℃w(水)/%質(zhì)量/kg時(shí)間/min12 4504010205.612 45040202011.212 45040302016.812 45040402022.412 45040502028.012 45040602033.612 45040702039.212 45040802044.812 45040902050.412 450401002056.0

由表4可知，低含水率下，微波加熱時(shí)間短，高含水率加熱時(shí)間長(zhǎng)，這主要是微波選擇性吸收與水高比熱造成的。在低含水率情況下，大量微波能被少量油層水吸收，水溫迅速上升，與連續(xù)油相高效換熱，混合物體系溫度快速上升，而在高含水率下，這種情況并不存在。

油田開采后期，原油含水普遍較高，以平均含水率60%為計(jì)算基準(zhǔn)，單次累計(jì)稱重體積取20 L，為了避免影響稱重計(jì)量的連續(xù)性，微波加熱時(shí)間應(yīng)該控制在15 min以內(nèi)。由表4可知，1 kW微波加熱源的加熱時(shí)間為33.6 min。因此，使用3 kW的微波加熱源確保能將排液加熱時(shí)間控制在15 min以內(nèi)。

3.2.3能量饋入方式確定

微波加熱源的主視圖和俯視圖如圖4、圖5所示。

由于微波傳輸過程存在能量損耗，為了提高能量利用率，將3個(gè)微波加熱源分別按軸向120°，軸向位于計(jì)量器底部向上150 mm、300 mm和450 mm 處螺旋布置，促進(jìn)計(jì)量器上下部實(shí)現(xiàn)對(duì)流換熱，微波能在此3處通過波導(dǎo)饋入，計(jì)量罐外壁開孔處采用石英玻璃密封。相比于對(duì)稱布置，螺旋布置能夠減少微波加熱源頻率之間的相互干擾，微波加熱源饋入的微波能在整個(gè)油層均勻分布，提升加熱效率，減少加熱時(shí)間。

饋入波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)、漸變波導(dǎo)以及非標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的組合，可以有效地減少微波饋入反射，降低微波能損失。微波磁控管采用水冷散熱，循環(huán)冷卻水箱設(shè)在計(jì)量器外，水箱內(nèi)添加防凍液。

3.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.3.1實(shí)驗(yàn)工藝流程

為了驗(yàn)證微波加熱應(yīng)用于稱重計(jì)量的可行性，搭建了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證微波加熱源對(duì)計(jì)量罐內(nèi)低溫產(chǎn)液加熱的高效性和即時(shí)性，以及對(duì)低溫產(chǎn)液造成的原油掛壁、結(jié)蠟的消除作用。稱重計(jì)量微波加熱工藝流程路線見圖6。

3.3.2實(shí)驗(yàn)流程步驟

(1) 為了模擬井口環(huán)境溫度，利用低溫氮?dú)鈱⒂?jì)量罐內(nèi)溫度降至并維持在-10 ℃。高壓常溫氮?dú)饨?jīng)過多級(jí)節(jié)流后，由緩沖罐頂溢流管線(圖5紅色所示)進(jìn)入計(jì)量罐，從計(jì)量罐頂?shù)陌樯鷼夤芫€流出，同時(shí)將計(jì)量罐內(nèi)溫度維持在-10 ℃。

(2) 選用延長(zhǎng)某區(qū)塊含水原油，由小流量液體增壓泵將儲(chǔ)罐內(nèi)含水原油泵送至原油電加熱器，將油樣溫度加熱至25 ℃，隨后進(jìn)入計(jì)量裝置。單次進(jìn)液量為20 L，由計(jì)量器內(nèi)液位計(jì)監(jiān)測(cè)，當(dāng)進(jìn)液量高度到達(dá)設(shè)定的門限值時(shí)，進(jìn)液電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，停止進(jìn)液，油液進(jìn)入計(jì)量設(shè)備后，停留時(shí)間保持在30 min。

(3) 30 min后，啟用上述3個(gè)功率為1 kW、頻率為2 450 MHz的微波加熱源開始加熱。計(jì)量器內(nèi)溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)油溫升至30 ℃時(shí)，停止加熱，對(duì)含水原油進(jìn)行稱重計(jì)量，隨后打開排液閥排液，同時(shí)對(duì)原油計(jì)量誤差進(jìn)行驗(yàn)證，總共進(jìn)行20組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

3.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微波加熱輔助稱重計(jì)量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 微波加熱輔助稱量計(jì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果油樣編號(hào)w(油)/%稱量質(zhì)量/kg加熱時(shí)間/min含水原油質(zhì)量(計(jì)量結(jié)果)/kg含水原油質(zhì)量(驗(yàn)證結(jié)果)/kg相對(duì)偏差/%155.0218.728.910.309.815.00256.0018.758.910.5010.034.70371.2419.2312.813.7013.045.10459.1520.1210.511.9011.285.50573.5517.5410.512.9012.334.60673.6919.3112.914.2313.535.20769.5220.6712.914.3713.764.40850.0818.578.29.308.874.80970.9317.3410.512.3011.764.601060.2317.6510.110.6310.095.401168.7416.5410.311.3710.825.101261.6418.1211.111.1710.496.501372.1719.2611.713.9013.096.201473.0919.2911.614.1013.544.101593.4520.1514.218.8317.785.901692.1617.9813.816.5715.934.001762.7418.4410.211.5710.965.501862.7618.9610.311.9011.236.001994.1420.1513.818.9718.174.402084.2819.6613.216.5715.665.80

計(jì)量結(jié)果由稱重質(zhì)量乘以含油率得到，驗(yàn)證結(jié)果采用取樣破乳，經(jīng)油水分離后對(duì)原油稱重計(jì)量得到。

原油稱重室內(nèi)實(shí)驗(yàn)計(jì)量結(jié)果的相對(duì)偏差可由式(2)計(jì)算得到。

(2)

(3)

(4)

含油率=1-含水率

(5)

式中：ρ為待測(cè)產(chǎn)液的密度，kg/m3；ρ水為油層水密度，kg/m3；ρ油為原油密度，kg/m3；m為單次稱重的質(zhì)量，kg；v為單次稱重的體積，m3；s為計(jì)量罐的橫截面積，m2；h為單次計(jì)量產(chǎn)液的高度，m。

由表5可知，微波加熱時(shí)間基本控制在15 min以內(nèi)，由于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量時(shí)，加熱溫升可能無需達(dá)到40 ℃，且油層水的礦化度對(duì)微波吸收也有促進(jìn)效果，礦化度越高，油層水對(duì)微波能的吸收也會(huì)相應(yīng)提高。延長(zhǎng)油田油層采出水體積分?jǐn)?shù)一般為10×10-6，屬于偏高范圍，因此微波加熱可滿足高效、即時(shí)的加熱需求。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行拆卸，觀察到計(jì)量罐內(nèi)壁無明顯掛壁現(xiàn)象存在，也無結(jié)蠟現(xiàn)象出現(xiàn)。

通過將計(jì)量結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相對(duì)偏差均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的10%井口計(jì)量誤差規(guī)定，達(dá)到了較高的計(jì)量準(zhǔn)確度。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在實(shí)驗(yàn)工況下，3個(gè)1 kW微波加熱源可將滿罐20 L含水原油在10 min內(nèi)從-10 ℃加熱到設(shè)定溫度30 ℃。同等工況下，若將微波加熱源換成總功率為3 kW的電加熱絲纏繞管體，則需加熱約30 min才能達(dá)到設(shè)定溫度，若換成總功率為6 kW的電加熱絲，則需加熱約10 min才能達(dá)到相同的效果。

電加熱是通過熱傳導(dǎo)將熱量從表及里傳遞而加熱含水原油，含水原油中不可避免地存在溫度梯度和能量損失，致使加熱不均勻，出現(xiàn)局部過熱。微波加熱主要是通過偶極極化和離子傳導(dǎo)，使極性分子摩擦產(chǎn)生熱量。無需任何熱傳導(dǎo)過程，就能使含水原油內(nèi)外部同時(shí)加熱，加熱速度快且均勻，因此微波加熱效率明顯高于電加熱。

實(shí)際工況下在間歇來液過程中,當(dāng)采用微波加熱時(shí)，在含水原油達(dá)到設(shè)定稱重液位后一次加熱稱重即可。而同等功率下采用電加熱進(jìn)行加熱時(shí)，因存在熱傳導(dǎo)及熱量散失，為不影響正常生產(chǎn)須對(duì)來液進(jìn)行預(yù)熱并維持在一定溫度，等計(jì)量罐達(dá)到指定液位后再進(jìn)行加熱稱重，需要更長(zhǎng)的加熱時(shí)間，這將造成預(yù)熱和維持溫度過程中的能量浪費(fèi)，導(dǎo)致總體加熱效果變差。

5 結(jié)論

本研究嘗試通過將微波加熱與稱重計(jì)量相結(jié)合應(yīng)用于低產(chǎn)油井間歇來液的井口計(jì)量，裝置設(shè)計(jì)采用將微波加熱源螺旋布置于稱重罐體上，通過室內(nèi)含水原油稱重計(jì)量實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了微波加熱含水原油的即時(shí)性、高效性。

(1) 微波能高效加熱低產(chǎn)油井間歇來液，對(duì)計(jì)量體積為20 L的含水原油，加熱溫升40 ℃的平均耗時(shí)在10 min以內(nèi)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)油層水的礦化度越高,加熱時(shí)間越短。

(2) 油井產(chǎn)液在微波加熱作用下，原油掛壁、結(jié)蠟的現(xiàn)象明顯減少，并且稱重計(jì)量的相對(duì)偏差均遠(yuǎn)小于10%，井口計(jì)量誤差要顯著高于設(shè)計(jì)規(guī)范要求，達(dá)到了較高的計(jì)量準(zhǔn)確度。

(3) 實(shí)驗(yàn)工況下，3個(gè)1 kW微波加熱源可將滿罐20 L含水原油在10 min內(nèi)從-10 ℃加熱到設(shè)定溫度30 ℃，同等工況下總功率相同的電加熱絲纏繞管體需加熱約30 min才能達(dá)到設(shè)定溫度。針對(duì)間歇來液低產(chǎn)油井單井計(jì)量，相比于電加熱，微波加熱輔助稱重計(jì)量更及時(shí)、高效，具有更好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。