计量站自动计量工艺原理

计量站自动计量工艺原理
培训资料
1.计量站工艺介绍：计量站的功能
1.1量油的概念
对油井的产油量按时进行计量叫做量油。

通过量油求出油井的日产油量，这是油井管理的一项重要工作。

三相计量的概念：日产液量、日产油量、日产气量。

1.2量油的方法
量油的方法很多，一般有低压和高压两种。

低压量油亦称放空量油，就是把原油流入油池或油罐内，用标尺或浮标测量液面高度，然后计算原油体积或质量，再换算成日产油量。

高压量油亦称密闭量油，就是在密封的分离器中计量。

这种方法可避免轻质油挥发，又有利于高粘度的油气混输，因此是矿场最常用的量油方法。

高压量油有玻璃管量油、玻璃管自动量油、翻斗自动量油等。

1.3量油的目的
为油藏工程提供真实可靠的数据，作为井况分析的依据。

量油数据与示功图相结合，可以对油井的状况进行分析判断，从而指导对油井的生产管理措施。

油井在其生命周期一般经历：自喷、机械采油、抽转注等阶段，单井产量由高转低，含水率由低转高。

在生产中要根据油井状况进行各种措施，例如：配产、调整冲刺、清蜡、压裂、注水等等。

量油可以提供油井在以下方面的变化趋势情况：
——日产液量、日产油量、日产气量，
——含水率。

1.4量油的特点
（1）抽样计量方式：由于油井产液具有波动性，因此从理论上讲计量结果是绝对不准的；
（2）量油的目的不是用于贸易计量交接，而是用于油藏工程分析；
（3）主要关注的不是绝对精度，而是日产量和含水率的变化趋势。

2、常见的计量站工艺
计量站工艺主要包括以下几个方面：
——倒井方式：三通阀/多通阀，
——计量方式：分离器+平衡罐/分离器+流量计/M50站方式，
——压油方式：自然/憋压/管道泵/大气量井或多井，
——含水率检测：含水仪+RTU/独立智能设备/多含水曲线，
——掺水方式：
——自动化程度：人工/半自动/全自动
——土建方式：计量站/计量撬
2.1倒井方式：三通阀/多通阀
进入每个计量站的油井有多个，而每个计量站的计量设备只有一套，同时只能对一个油井进行计量。

因此，需要选择将哪个油井倒入计量位置，而其它油井则需要倒入生产位。

倒井控制可以用人工方式手动完成，也可以安装电动执行机构，用PLC/RTU进行自动控制。

用于倒井切换的电动执行机构包括：电动三通球阀、电动多通阀。

2.1.1电动三通阀
每个油井管汇上均安装一个电动三通球阀。

三通阀的进油方向和两个出油方向如图所示：计量位进入计量设备，而生产位则不经过计量设备，直接向后传输。

优点：每个油井都能够单独控制切入计量位/生产位。

因此，可以将多个油井同时倒入计量位，对多个油井的产量之和进行计量。

单个三通阀故障不影响其它阀。

缺点：三通阀数量多，成本高。

2.1.2电动多通阀
以12头的多通阀为例：每个多通阀有12个进油阀位。

其中：
——11个分别接油井。

多通阀旋转到哪个阀位时，相应的1个油井原油进入分离器，进行计量。

——1个是盲头。

多通阀旋转到该阀位时，所有的11个油井原油均不进入分离器，即相当于所有的11个油井均处于生产位。

每个多通阀有2个出口：
——计量出口进入计量设备，
——而生产出口则不经过计量设备，直接向后传输。

以12头的多通阀为例，两个多通阀即可接入22口油井。

优点：成本较三通阀低，体积较三通阀组小。

缺点：每个多通阀同时只能有一个油井原油进入计量设备，无法多井计量。

多通阀故障影响的井数多。

2.1.3设备的安全位置：计量设备、倒井设备
在计量结束后，计量站的电动执行机构等设备应置于安全位置，以防工艺设备在意外情况下受损：——计量设备：例如，分离器的压油电动球阀应打开，以防原油液位不断上升导致压力容器损坏，
——倒井设备：所有电动三通球阀应置于生产位（或者多通阀置于空头），以防油井井口来液不断流入分离器造成溢罐。

2.2计量方式：分离器+平衡罐/流量计/M50站方式/翻斗式分离器计量方式
2.2.1分离器+平衡罐计量方式
2.2.1.1工艺流程
该工艺中，采用油气分离器和压力平衡罐，二者相互连通，气压始终平衡。

压油阶段打开压油阀，此时油气分离器内液面相对平衡罐液位存在一定的位差（2m左右），油气分离器内液体可以靠自重压入压力平衡罐内。

当需要计量时，选择一个电动三通球阀（D1~D12）将油井的来油改入分离器进行气、液两相分离。

计量过程如下：
A、当向计量站的计量控制终端（RTU）发出启动命令后，RTU将分离器电动两通阀D13关闭，
分离器液位上升。

B、当液位上升到液位计下限时，液位计的相应触点开关F1动作，RTU开始有效计量时间的计时（也
可根据液位值判断上下液位）。

C、当液位上升到液位计上限时，液位计的相应触点开关F2动作，RTU停止有效计量时间的计时。

根据分离器容积和每次计时时间，可以计算出该油井日产液量，结合含水率或原油密度，可计算出该油井的日产油量；气体通过气体流量计计量后与原油混合进集油汇管，混输至集中处理站。

根据每次计时时间内的天然气流量F累计，并检测出气时的温度T、压力P进行补偿，可以计算出该油井的日产气量；
D、然后进入压油过程，RTU将分离器的电动两通阀D13打开，油水混合液通过D13压出，分离器
液位下降。

同时，用高含水分析仪A1连续测量含水率，并计算含水率平均值，从而计算液、油产量。

E、当分离器液位下降到低于“分离器液位计下限”，液位计的相应触点开关F2动作，压油结束，RTU
将电动两通阀D13关闭。

此后分离器液位转而上升，又进入下个罐次的计量。

每个计量过程可包含多个罐次，其结果数据包括：井号，计量起始日期和时间，计量总时间和有效时间，计量罐数，日产液量（体积和重量）、日产油量（体积和重量）、日产水量（体积和含水率）、日产气量等。

计量计算：计量过程结束后，根据计量有效时间、实际计量罐次、平均含水率、天然气流量自动计算出液、油、气的日产量。

2.2.1.2计量计算公式
对于单罐计量，单罐的三相计量结果：
——日产液量=单罐液重量/ 上油时间，
——平均含水率=含水率累加之和/ 测量次数
日产油量=日产液量*（1-平均含水率）
——日产气量=天然气流量累积值/ 累积时间
对于多罐计量，将各个单罐平均后的单次三相计量结果：
总产液量=各个单罐液重量之和，
总产油量=各个单罐油重量之和，
——平均日产液量=各个单罐液量累加/ 各罐累加的总上油时间，
——平均日产油量=各个单罐油量累加/ 各罐累加的总上油时间，
平均含水率=（总产液量-总产油量）/总产液量
——总产气量=各个单罐气量累加之和，或者在各个罐次中气体连续累积，
平均日产气量=天然气流量总累积值/ 总累积时间
思考题：
1、为什么计量中使用的是单罐的“标定重量”，而不是“标定体积”？
2、什么是“单罐”计量结果，什么是“单次”计量结果？
3、能否将各个单罐的三相日产量、含水率直接累加平均，而得到单次的平均三相日产量、含水率？
2.2.2计量分离器+流量计计量方式
2.2.2.1工艺流程
以冀东油田M50撬装计量站为例：油气分离器+质量流量计。

其中，质量流量计能够提供瞬时/累计的液量、油量、水量，以及含水率等数据。

流量计与RTU以RS232/485方式通信。

将某个油井来油倒入分离器后，分离器边进边出（分离器的出口没有两通阀进行开、关控制），流出的液体经过质量流量计。

根据计量起始时间和结束时间之间的累积时间，以及质量流量计提供的累积增量，计算日产液量、日产油量。

而日产气量则用气体流量计计量。

根据计量起始时间和结束时间之间的累积时间，以及气体流量计提供的累积增量，计算日产气量。

2.2.2.2计量计算公式
平均日产液体量=（质量流量计）液累积流量增量/ 计量时间
平均日产油体量=（质量流量计）油累积流量增量/ 计量时间
平均日产气体量=（气体流量计）气累积流量增量/ 计量时间
平均含水率=（液累积流量增量- 油累积流量增量）/ 液累积流量增量
思考题：
这种计量方式中，是否有“上油过程”、“压油过程”和“单罐”的概念？
2.2.3计量分离器+流量计计量方式
2.2.
3.1工艺流程
仍然以冀东油田M50撬装计量站为例：油气分离器+质量流量计，但是在分离器的出口增加了两通阀进行开、关控制。

计量过程包括：上油、压油过程。

上油和压油过程中，分离器一直是进油的。

而日产气量则用气体流量计计量。

根据计量起始时间和结束时间之间的累积时间，以及气体流量计提供的累积增量，计算日产气量。

2.2.
3.2计量计算公式
平均日产液体量=（质量流量计）液总累积流量增量/ 总计量时间
平均日产油体量=（质量流量计）油总累积流量增量/ 总计量时间
平均日产气体量=（气体流量计）气总累积流量增量/ 总计量时间
平均含水率=（液总累积流量增量- 油总累积流量增量）/ 液总累积流量增量
思考题：
这种计量方式中，是否有“上油过程”、“压油过程”和“单罐”的概念？
2.2.4翻斗式分离器计量方式
指用翻斗自动量油装置进行量油。

这种装置由油气分离缓冲装置、翻斗装置、液位控制器及计量讯号装置组成。

翻斗计量在计量罐中装两个小型翻斗，井口来液先进入其中一个翻斗，当翻斗内液体达到设定重量时翻斗翻转，然后来液进第二个翻斗，依次循环，翻斗每翻转一次记数器记一次数，实现单井产液计量。

其优点是装置小、原理简单、操作方便。

其缺点是气体直接放空不能计量，翻斗装置在北方油田冬季容易出现原油凝结现象。

图全自动称重式计量装置机构原理示意图
1盘热管，2与多通阀计量口相连，4称重传感器，5左位置传感器，6罐体，7入口，8分离器，9集料斗，10分布器，
11右位置传感器，12翻斗，13出口。

思考题：
这种翻斗式分离器计量方式中，是否有“上油过程”、“压油过程”和“单罐”的概念？
2.3压油方式：自然/憋压/ 管道泵/ 大气量井或多井/综合排油
如果计量中包括压油过程，则需要考虑分离器能否顺利地完成压油。

如果出现压油困难，则整个计量过程就无法进行下去。

“压油困难”是计量站的难题，也是工艺设计和自动化设计中必须考虑的问题。

2.3.1自然排油方式
压油仅仅靠以下两个因素完成：
——分离器中的液体的自重，
——分离器中天然气的压力，把液体“顶”出去。

油井的天然气量越大，气体压力越大，排油越顺利。

2.3.2憋压排油方式
对于产气量小的油井，仅靠自然排油往往无法完成压油。

因此可以考虑在天然气出口增加1个电磁阀或电动阀，在压油阶段将该阀门关闭，从而在分离器中气体“憋压”，将分离器中的液体“顶”出去。

安全保护：如果在“憋压”中分离器压力过大，电磁阀或电动阀要打开从而减压。

思考题：
在憋压排油方式中，憋压电磁阀或电动阀在计量过程中的哪个阶段关闭？
2.3.3管道泵排油方式
对于产气量特别小甚至无气的油井，靠憋压排油往往也无法完成压油。

因此可以考虑在分离器出油口增加1个管道泵，与压油两通阀串联，在压油阶段阶段打开压油两通阀的同时，启动管道泵，强制将分离器中的液体排出去。

安全保护：为了防止憋泵，最好按照以下时序进行控制，
——启动排油时：先打开压油阀，后启动泵，
——停止排油时，先停止泵，后关闭两通阀。

2.3.4大气量井或多井排油方式
每个计量站对多个油井产量进行计量，因此进入计量站的油井管汇有多个。

在这种排油方式中：
——当压油阶段开始后，为了提高分离器中的气体压力，通过倒井，将进入分离器的油井切换为产气量大的某1个油井；或者将多个油井来液同时倒入分离器。

——压油阶段结束后，再将进入分离器的油井切换为正常状态。

此种方式存在的问题：由于计量过程中油井发生了切换，因此含水率检测、日产油量的计量就不准确了（由于其它油井的原油混了进来，所以不是要计量的油井的含水率了）。

2.3.5综合排油方式：“条件启泵排油”或“直接启泵排油”
前面所述的排油方式是应用比较普遍的几种方式，而下面介绍的方式则是新疆油田时代公司专用的，考虑的因素比较全面，但是应用相对复杂。

该方式下综合使用了自然排油、憋压排油、管道泵排油方式，是新疆油田时代公司（设计院）的设计。

该公司生产的计量撬（或者叫撬装计量站）均采用此种工艺设计，而自动控制设备则选用了北京安控公司的ECHO 5406系列RTU。

工艺流程图如下：
工艺示意简图如下：
综合排油控制方式的工作程序如下，采取标准的“自然排油+憋压排油+泵排油”方式：
序号工作阶段排油方式
电动阀
管道泵ZV-203
憋压阀
ZV-202
泵出口阀（串联）
ZV-201
压油阀
1 上油过程上油过程中：分离器中液位上升开关关停止
2
压油过程压油阶段开始时候，首先采用自然排
油。

开关开停止
3 如果自然排油时间超过T1仍然无法结
束压油，则进入憋压排油。

关关开停止
4 如果憋压排油时间超过T2仍然无法结
束压油，则进入管道泵强制排油。

关开关启动
5
完成压油、
计量结束完成压油、计量结束：
所有电动执行机构应置于安全位
置。

开关开停止
6
故障或异
常情况如果管道泵强制排油时间超过T3仍然
无法结束排油，
则停止计量、所有电动执行机构置于安
全位置。

开关开停止
另外，进油的电动三通阀或者电动多通阀全部回
生产位置，分离器不再进油。

如上表中所述的这种方式总称为“条件启泵排油方式”。

即：如果出现压油困难，则在压油过程中，依此尝试以“自然排油”、“憋压排油”、“管道泵排油”等方式进行排油。

当然也可以选用“直接启泵排油方式”，即：当进入压油阶段后，立即关憋压阀ZV-201、开泵进口阀ZV-202、关压油阀ZV-203、启动管道泵，直接进行管道泵强制排油。

上述的两种方式，可以在RTU中进行设置选用，可针对每一口油井独立地进行设置。

2.4含水率检测方式：（含水仪+RTU/独立智能设备/多含水曲线），
含水率检测是计量站的难题。

计量站原油的特点是：（1）原油中含有伴生气；（2）不同油井原油的差别很大（含水率、矿化度等）；（3）原油进入分离器后往往出现油水分层的情况，工作介质不均匀。

（4）原油中的杂质往往对仪表的敏感元件有污损。

因此，目前检测含水率的设备类型很多，但是效果好的很少，有的油田则干脆不进行含水率的检测，仅仅计量“三相计量”中的日产液量、日产气量。

前面介绍的计量方式中，有：
——通过含水仪进行含水率检测、
——通过质量流量计进行含水率检测等方式。

下面的内容主要介绍通过含水仪进行含水率检测。

2.4.1含水仪+RTU检测方式：
在此种方式中，含水仪输出为4~20mA信号。

在压油阶段，当分离器原油流经含水仪和两通阀时，含水仪输出信号变化反映含水率的大小。

分离器中的原油通常有以下情况，影响压油过程中含水率检测的变化过程：（1）“水包油”均匀分布；（2）“油包水”均匀分布；（3）油水分层。

在整个压油过程中，需要远程控制终端（RTU）不断采集含水率，最后进行平均计算，RTU得到整罐原油的平均含水率。

2.4.2独立智能设备检测方式：
检测过程同上。

但是含水仪本身就是一套智能设备（一般包括一次仪表、二次仪表、计算机处理单元等），在压油过程中，能够独立地进行含水率检测和平均计算，最后通过RS232/485数字通信方式，把最终得到的平均含水率传输给RTU。

2.4.3多含水率曲线的概念
含水仪采用电磁波、射线等原理进行原油含水率的检测。

仪表探头的信号强度与含水率有一定的对应关系，因含水仪此往往可以采用查表法，根据“信号强度——原油含水率”的关系曲线，检测出含水率。

实际现场使用中，对每个油井都可以人工标定出一条含水率曲线。

但是同一个计量站的不同油井往往处于不同的层系，各油井原油的矿化度不同（单位地层水中所含离子、分子、盐类及胶体的总含量，以mg/L或者mol/L表示），从而导致不同油井原油的“信号强度——原油含水率”的关系曲线是有区别的。

对于一个计量站的含水仪，如果对所有油井都共用一条含水率曲线的话，就无法兼顾所有油井的原油情况，不可避免地会出现检测误差。

为了解决这一问题，某些含水仪厂家提出了“多含水率曲线”的解决方案：
——即在含水仪中对每个油井均标定出一条含水率曲线；
——含水仪在工作过程中，当前计量哪个油井，即根据该油井的含水率曲线输出4~20mA信号；因此，这种含水仪需要RTU指示给它当前哪个油井处于计量位。

——RTU与含水仪的井位指示接口信号为5个DO信号，可以指示最多“2的5次方”即32条含水率曲线。

2.5掺水方式
为了保证原油的顺利输送，防止结蜡、冻结，需要给原油加热。

加热方式包括：
——单管流程（井口加热）：井口设置加热炉，
——双管流程（掺水加热）：掺热水，
——三管流程（伴热）。

2.5.1井口加热方式、伴热方式
井口加热方式、伴热方式对产油量没有影响，即：计量产量=地下产量。

2.5.2掺水方式
掺水方式下，计量站直接计量出的产量实际上包含了掺水量，因此在计算油井真实的地下产量时，需要将掺水量扣除（每个油井的掺水量可以用流量计检测）。

即：在得到直接的计量日产液量、计量日产油量后：
地下日产液量=计量日产液量–日掺水量，
地下日产油量=计量日产油量，
计量日产水量=计量日产液量–计量日产油量，
地下日产水量=计量日产水量–日掺水量，
地下含水率=地下日产水量/ 地下日产液量
2.6自动化程度：人工/半自动/全自动
2.6.1自动化程度水平及相应的配置要求：
根据不同的自动化程序要求，RTU的IO点规模的可伸缩性很大：
——最小仅仅几个点，仅仅完成最基本的计量流程控制和计量结果计算；
——最大可以接近上百点，除了全站全自动计量外，还包括配水流量检测、水套炉监控、其它各种仪表检测和安全控制等。

2.6.2 定时计量、定次计量，多井计量
A、定时计量、定次计量
——定时计量：规定计量总时间，实际计量罐次取决于油井的产量情况。

适用于产量较大、出油稳定的油井。

——定次计量：规定计量总罐数，实际计量时间取决于油井的产量情况。

适用于产量较小、出油不稳定（间歇出油）的油井。

又：“最大定次计量时间”。

B、多井计量
2.6.3人工倒井计量、自动排序计量
A、人工倒井计量（——每次只能进行1轮计量）
人工倒井计量是由人工将油井切换到计量位，然后在RTU中设定好当前哪一口井处于计量位，以及该井的计量时间或计量次数。

启动计量后RTU根据设定情况，完成对该油井的计量。

人工多井计量是指同时将多口油井切换到计量位，以便计量多个油井的总日产量。

B、自动倒井排序计量（——每次可进行全站全自动计量）
自动倒井排序计量是指在RTU中设定好站内各个油井的计量顺序、计量时间或次数、定时/定次方式。

启动计量后RTU根据设定情况，依此完成对各个油井的计量。

当完成上一口油井的计量后，RTU自动发出控制信号，将下一口油井的电动三通球阀/多通阀切换到计量位。

2.6.4本地计量操作、中控室远程计量操作
ECHO 5406自动计量控制器可以配置显示屏、电台，既可通过显示屏进行本地操作，也可组成SCADA 系统，在中控室上位机进行远程操作，实现站内无人值守。

计量站SCADA系统=多个计量站+中控室+通信系统。

组成计量站SCADA系统后，在中控室即可对进行计量站配置、实时监控、计量结果上传、历史数据统计分析、报表打印等，从而计量站可无人值守，实现油田计量管理的全面自动化。

2.7土建方式：计量站/计量撬
计量站区域为包括防爆区、非防爆区。

计量站仪表大多数都有防爆要求。

2.7.1计量站
典型的计量站（大站）的建设周期包括以下过程：
——土建，
——工艺设备安装，
——电器、仪表设备安装，
——自动化设备安装、调试（如RTU/PLC）
2.7.2计量撬(撬装计量站)
特点：
——每个计量站由若干个撬组成，所有工艺设备、电气设备、自控设备全部集成在撬装房中，
——每个撬装单元在出厂前均单独集成、调试好，
——每个撬装单元可整体发货运输，到达现场后各个撬装单元经过简单的连接、联调，即可全站投运。

——模块化，成本低，建站快。

详细照片情况见相关的PPT资料：《迪威尔公司撬装计量站1.ppt》
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