质量流量计用于原油含水测量中的纯油密度确定

    1 问题的提出

    科氏力质量流量计在测量流体流量的同时也可以测量出流体的密度，这特点使其在油田矿场原油计量中得以广泛应用。通常油井产出的油、气、水经两相分离器进行气液分离后，液体为油水混合液。由于没有适用的原油含水仪实现自动测量原油含水率，传统的方法是用容积式流量计测量液体流量，然后再从液体中取样化验含水率，从而计算得到纯油量。应用质量流量计测量油水两相流体既可以测量到液体总流量，也可以测得两相流体的密度，从而可计算出流体的含水率和纯油流量。

    质量流量计测量原油含水率的计算公式如式为

    对式（1）微分得

    式中W_c为质量流量计测量的含水率；ρ_m为质量流量计测量的混合液密度；ρ_o为工况原油密度；ρ_w为工况水密度；d_Wc为质量流量计测量含水率的准确度；d_ρm为质量流量计测量混合液密度的准确度。

    由式（1）可知，只有知道油、水的密度，才能通过质量流量计测量的混合液体密度计算得到原油含水率。应用中需要将纯油与纯水的密度值作为已知量输入流量计的二次表运算系统，因此如何确定油水密度成为质量流量计在原油测量中的个重要步骤。

    由式（2）可知，含水测量准确度与质量流量计测量混合液体密度的准确度有关，与油水密度差有关，同时与纯油、纯水的密度值本身的准确与否有关。

    实际应用中，质量流量计测量密度的准确度是仪表本身性能决定的，根据不同厂家的仪表性能，其准确度分别有±0.1%、±0.3%等不同的精度。而旦确定了应用现场的油水性质，则密度差也是个相对固定的值。所以由以上两因素确定的对含水测量准确度的影响量是基本固定的。下面讨论如何准确地确定油水密度。

    2 确定密度的方法

    2.1 现场确定油水密度考虑的原则

    质量流量计是在工况状态下测量原油的流量与密度值，计算出的原油含水率是工况状态下的含水率，因此确定工况状态下的密度值要考虑以下原则：①油田不同区块的油、水密度不同，在测量前应对不同油田的纯油密度和纯矿化水密度进行准确测量，作为已知参数输入；②在仪表应用过程中，油水密度应与测量开始时确定的值致，若使用中途发生变化应重新确定；③纯油密度应是活油密度，即在分离器工作条件下的饱和原油的密度，而不是稳定脱气状态下的原油的密度（用稳定原油密度作为输入值会造成仪表测量含水偏低，引起纯油计算偏高）。

    根据现场应用的经验，现场应用以下两种方法确定工况下的纯油密度。

    2.2 采用已知的原油标准密度进行换算

    多数厂家的质量流量计二次表的数学模型中具有将原油标准密度修正到工况密度的功能。原油中纯油、纯水的标准密度值般较容易获得，因此在应用质量流量计测量原油时应预先对该原油取样。将原油脱水获取纯油、纯水样品，在实验室内确定纯油、纯水的标准密度，然后将油、水标准密度值输入质量流量计的二次表中。

    标准密度换算后输入仪表是比较方便的方法，但是存在定的缺陷，这主要反映在原油的密度上。质量流量计二次表中的密度修正般主要考虑了温度对密度的影响，而没有考虑压力对密度的影响，即使有的仪表考虑了压力影响，也没有考虑工作压力下原油溶解问题的影响。由于水的可压缩性小且气体较难溶解于水中，这对于水介质来说影响量可以忽略，但对于原油密度来说存在较大的差别。因为取样获得的原油密度是稳定原油即脱气原油的密度，而工况原油是溶气原油，且在高压下气体中的重组分会被液化，这样就造成工况原油的密度较稳定原油密度偏低。测量中会造成仪表测量含水偏低，引起纯油计算偏高。有资料已指出，对于API26°（密度为897.5kg/m³）的原油，若含水率为50%，稳定脱气原油密度比含溶解气的活油密度高10kg/m³，引起含水测量值偏低4%左右，纯油计算会高出8%。

    由此可知，应用已知的原油标准密度进行换算的方法是基于质量流量计二次表的数学模型中具有将原油标准密度修正到工况密度的功能，但其测量结果仍存在定的误差，且此误差随工作压力增高而增大。

    2.3 现场工况密度确定

    （1）现场确定原油密度要配备的仪器设备。仪器设备包括：①在测量工艺系统上要设计合适的取样装置，以便在测量工艺系统内取到有代表性的原油样品；②应配备快速油水分离装置，通常为离心分离机；③必须配备油水密度测量仪，好是便携式密度计，该密度计在测量油、水密度时也同步测量介质的温度，另外，密度计的测量精度应该优于±0.2%。

    （2）现场实施步骤。主要包括以下几步：①质量流量计投入运行定时间介质运行平稳后，在系统取样口取样；②将样品内气体排放出去，用离心分离机将油水混合液分离，确认获得纯油、纯水样品；③将油、水样品置入适当的容器内，用便携式密度计分别测量油、水的密度，读取油、水密度值时要同时读取油、水介质测量时的温度，并进行记录，这个密度值称为视密度。

    （3）确定油水工况密度。由于水的可压缩性小且气体较难溶解于水中，当测量得到水的视密度后可以根据水的密度与温度的关系很容易的将其转换到工况状态的密度，这里不在细述，下面只讨论原油的工况密度确定。

    首先将原油视密度转换到标准密度，应用公式ρ₂₀=ρ_t+γ（t-20），式中ρ₂₀为20℃的原油标准密度（kg/m³）；ρ_t为测量温度时的原油密度（kg/m³）；t为测量密度时的原油温度（℃）；γ为石油密度温度系数，由原油20℃的标准密度值可以查表获得。

    其次将标准密度值换算到工况状态下溶气原油密度值，其步骤如下：①计算原油的天然气溶解度，根据所检测的原油的标准密度、天然气的相对密度、工况压力、工况温度计算该原油的天然气溶解度，即每立方米原油在工况条件下所能溶解的天然气量；②计算原油体积系数，由于天然气在原油内的溶解，使原油体积增大，单位体积脱气原油溶入天然气后具有的体积数称原油体积系数；③计算溶气原油密度，根据原油标准密度、溶入天然气的相对密度及以上计算的原油天然气溶解度和原油体积系数计算溶气原油的工况密度。计算公式为ρ_pt=（ρ+R_sΔ_gsρa）/B_o，式中ρ_pt为工况下溶气原油密度；ρ为脱气原油标准密度；R_s为被测量的原油的天然气溶解度；Δ_gs为溶入原油内的天然气的相对密度；ρ_a为常压下空气的密度；B_o为原油体积系数。

    3 结语

    用以上方法现场确定的原油和矿化水密度值真实地反映了油水工况密度，具有很高的精度，将其输入质量流量计的二次表系统后可以获得准确的测量值。需要指出的是，这时质量流量计测量的原油含水率及纯油流量均是工况状态下的量值，如需求取标准状态下的原油产量还需要进行相关的原油收缩率及PVT的补偿修正运算。