江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
1 問題的提出
科氏力質量流量計在測量流體流量的同時也可以測量出流體的密度，這一特點使其在油田礦場原油計量中得以廣泛應用。通常油井產出的油、氣、水經兩相分離器進行氣液分離后，液體為油水混合液。由于沒有適用的原油含水儀實現(xiàn)自動測量原油含水率，傳統(tǒng)的方法是用容積式流量計測量液體流量，然后再從液體中取樣化驗含水率，從而計算得到純油量。應用質量流量計測量油水兩相流體既可以測量到液體總流量，也可以測得兩相流體的密度，從而可計算出流體的含水率和純油流量。
質量流量計測量原油含水率的計算公式如式為
對式（1）微分得
式中Wc為質量流量計測量的含水率；ρm為質量流量計測量的混合液密度；ρo為工況原油密度；ρw為工況水密度；dWc為質量流量計測量含水率的準確度；dρm為質量流量計測量混合液密度的準確度。
由式（1）可知，只有知道油、水的密度，才能通過質量流量計測量的混合液體密度計算得到原油含水率。應用中需要將純油與純水的密度值作為已知量輸入流量計的二次表運算系統(tǒng)，因此如何確定油水密度成為質量流量計在原油測量中的一個重要步驟。
由式（2）可知，含水測量準確度與質量流量計測量混合液體密度的準確度有關，與油水密度差有關，同時與純油、純水的密度值本身的準確與否有關。
實際應用中，質量流量計測量密度的準確度是儀表本身性能決定的，根據(jù)不同廠家的儀表性能，其準確度分別有±0.1%、±0.3%等不同的精度。而一旦確定了應用現(xiàn)場的油水性質，則密度差也是一個相對固定的值。所以由以上兩因素確定的對含水測量準確度的影響量是基本固定的。下面討論如何準確地確定油水密度。
2 確定密度的方法
2.1 現(xiàn)場確定油水密度考慮的原則
質量流量計是在工況狀態(tài)下測量原油的流量與密度值，計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，在測量前應對不同油田的純油密度和純礦化水密度進行準確測量，作為已知參數(shù)輸入；②在儀表應用過程中，油水密度應與測量開始時確定的值一致，若使用中途發(fā)生變化應重新確定；③純油密度應是活油密度，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造成儀表測量含水偏低，引起純油計算偏高）。
根據(jù)現(xiàn)場應用的經驗，現(xiàn)場應用以下兩種方法確定工況下的純油密度。
2.2 采用已知的原油標準密度進行換算
多數(shù)廠家的質量流量計二次表的數(shù)學模型中具有將原油標準密度修正到工況密度的功能。原油中純油、純水的標準密度值一般較容易獲得，因此在應用質量流量計測量原油時應預先對該原油取樣。將原油脫水獲取純油、純水樣品，在實驗室內確定純油、純水的標準密度，然后將油、水標準密度值輸入質量流量計的二次表中。
標準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。質量流量計二次表中的密度修正一般主要考慮了溫度對密度的影響，而沒有考慮壓力對密度的影響，即使有的儀表考慮了壓力影響，也沒有考慮工作壓力下原油溶解問題的影響。由于水的可壓縮性小且氣體較難溶解于水中，這對于水介質來說影響量可以忽略，但對于原油密度來說存在較大的差別。因為取樣獲得的原油密度是穩(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。測量中會造成儀表測量含水偏低，引起純油計算偏高。有資料已指出，對于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，引起含水測量值偏低4%左右，純油計算會高出8%。
由此可知，應用已知的原油標準密度進行換算的方法是基于質量流量計二次表的數(shù)學模型中具有將原油標準密度修正到工況密度的功能，但其測量結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)場工況密度確定
（1）現(xiàn)場確定原油密度要配備的儀器設備。儀器設備包括：①在測量工藝系統(tǒng)上要設計合適的取樣裝置，以便在測量工藝系統(tǒng)內取到有代表性的原油樣品；②應配備快速油水分離裝置，通常為離心分離機；③必須配備油水密度測量儀，是便攜式密度計，該密度計在測量油、水密度時也同步測量介質的溫度，另外，密度計的測量精度應該優(yōu)于±0.2%。
（2）現(xiàn)場實施步驟。主要包括以下幾步：①質量流量計投入運行一定時間介質運行平穩(wěn)后，在系統(tǒng)取樣口取樣；②將樣品內氣體排放出去，用離心分離機將油水混合液分離，確認獲得純油、純水樣品；③將油、水樣品置入適當?shù)娜萜鲀?，用便攜式密度計分別測量油、水的密度，讀取油、水密度值時要同時讀取油、水介質測量時的溫度，并進行記錄，這個密度值稱為視密度。
（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，當測量得到水的視密度后可以根據(jù)水的密度與溫度的關系很容易的將其轉換到工況狀態(tài)的密度，這里不在細述，下面只討論原油的工況密度確定。
首先將原油視密度轉換到標準密度，應用公式ρ20=ρt+γ（t-20），式中ρ20為20℃的原油標準密度（kg/m3）；ρt為測量溫度時的原油密度（kg/m3）；t為測量密度時的原油溫度（℃）；γ為石油密度溫度系數(shù)，由原油20℃的標準密度值可以查表獲得。
其次將標準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計算原油的天然氣溶解度，根據(jù)所檢測的原油的標準密度、天然氣的相對密度、工況壓力、工況溫度計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計算原油體積系數(shù)，由于天然氣在原油內的溶解，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計算溶氣原油密度，根據(jù)原油標準密度、溶入天然氣的相對密度及以上計算的原油天然氣溶解度和原油體積系數(shù)計算溶氣原油的工況密度。計算公式為ρpt=（ρ+RsΔgsρa）/Bo，式中ρpt為工況下溶氣原油密度；ρ為脫氣原油標準密度；Rs為被測量的原油的天然氣溶解度；Δgs為溶入原油內的天然氣的相對密度；ρa為常壓下空氣的密度；Bo為原油體積系數(shù)。
3 結語
用以上方法現(xiàn)場確定的原油和礦化水密度值真實地反映了油水工況密度，具有很高的精度，將其輸入質量流量計的二次表系統(tǒng)后可以獲得準確的測量值。需要指出的是，這時質量流量計測量的原油含水率及純油流量均是工況狀態(tài)下的量值，如需求取標準狀態(tài)下的原油產量還需要進行相關的原油收縮率及PVT的補償修正運算。
