邵海龍，杜 剛，孟祥婷，韓 超，王 濤

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

近年來，隨著熱采等開采技術(shù)的逐漸成熟，封凍已久的稠油油田開采終于提上日程。原油的物性一方面造成了開采成本的增加，另一方面也給液位測量儀表的選型設(shè)計(jì)造成了一定的技術(shù)瓶頸，所以如何解決高粘工況液位儀表選型成為稠油開采的關(guān)鍵技術(shù)。

1 現(xiàn)有測量方法

目前，海上平臺(tái)常用的液位測量儀表主要有磁翻板/磁致伸縮液位計(jì)、差壓液位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)、喇叭口雷達(dá)液位計(jì)、射頻導(dǎo)納液位計(jì)、核子界面儀等幾種測量方法。每種測量方法價(jià)格差異較大，且都有一定的適用范圍和條件。其中一些儀表雖然本身適用粘度范圍有限，但是經(jīng)過特殊處理或者特殊設(shè)計(jì)后，也可以獲得更廣泛的適用粘度范圍，從而避免了選擇價(jià)格更高的測量儀表。通過對(duì)海上平臺(tái)常用液位測量儀表進(jìn)行詳細(xì)研究，通過合理化選型，一方面實(shí)現(xiàn)了最佳的測量效果，另一方面有效地減少了工程投資。

2 液位儀表選型原則

海洋平臺(tái)液位儀表選型主要遵循以下選型設(shè)計(jì)原則：

1）根據(jù)使用環(huán)境條件，選擇合適的液位儀表。海洋平臺(tái)環(huán)境中空氣濕度大，鹽霧腐蝕嚴(yán)重，液位儀表外殼材質(zhì)應(yīng)滿足耐海洋環(huán)境鹽霧腐蝕要求，一般選擇鑄鋁加環(huán)氧樹脂涂層或316 不銹鋼材質(zhì)。

2）根據(jù)所在的危險(xiǎn)區(qū)域劃分選擇合適的液位儀表。海洋平臺(tái)上的液位儀表一般處于危險(xiǎn)區(qū)域，一般應(yīng)滿足EXD IIB T4 要求。

3）海洋平臺(tái)上的液位儀表均為露天使用，防護(hù)等級(jí)應(yīng)滿足IP56 或IP66 要求。

4）如所使用環(huán)境周邊存在振動(dòng)或電磁干擾等情況，應(yīng)選擇抗振動(dòng)或電磁干擾的液位儀表。

5）根據(jù)測量范圍、需要的精度及測量功能來選擇合適的液位儀表。

6）根據(jù)被測介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)和狀態(tài)，如強(qiáng)酸性、強(qiáng)堿性、粘稠、臟污、易凝固結(jié)晶和氣化等工況，選擇合適的液位儀表。

7）根據(jù)操作條件，如介質(zhì)溫度、壓力、密度、介電常數(shù)等選擇合適的液位儀表。

8）根據(jù)被測對(duì)象容器的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、容器內(nèi)的設(shè)備附件及攪拌器和各種進(jìn)出料管口位置等，選擇合適的液位測量儀表。

9）根據(jù)介質(zhì)腐蝕性，選擇耐測量介質(zhì)腐蝕的接液材質(zhì)。海洋平臺(tái)液位儀表最低材質(zhì)要求為316 不銹鋼材質(zhì)。

10）考慮周邊操維空間情況，如果某一測量原理的液位儀表不滿足操維空間要求，則需要考慮更換使用操維空間更小的液位儀表。

11）除了測量方法上和技術(shù)上的問題外，還要綜合考慮投資的經(jīng)濟(jì)性等因素。

3 高粘工況液位儀表選型設(shè)計(jì)研究

3.1 磁翻板/磁致伸縮測量法

磁翻板/磁致伸縮液位計(jì)是利用連通器原理，浮球內(nèi)部設(shè)置磁體，浮球置于測量腔體中。當(dāng)容器內(nèi)的液位上升或下降時(shí)，測量腔體內(nèi)部的浮球也隨之上升或下降，內(nèi)部磁場的上下移動(dòng)，導(dǎo)致外部磁翻柱或磁致伸縮線受到磁力也發(fā)生相應(yīng)變化，通過判斷內(nèi)部磁場的位置，即可確定液位的位置。由于浮球置于腔體內(nèi)部，腔體尺寸一般為2"或3"，所以浮子與腔體之間縫隙較小，在介質(zhì)粘度較大時(shí)容易造成浮子卡滯導(dǎo)致測量不準(zhǔn)，因此適用粘度范圍不超過1000cp。

但經(jīng)過一定的特殊處理，可以提高磁翻板/磁致伸縮液位計(jì)的粘度適用范圍，一般可以采用以下兩種方案：

1）增大腔體尺寸，由常規(guī)2"或3"腔體調(diào)整為4"腔體，從而增大腔體與浮子之間的縫隙，同時(shí)對(duì)腔體內(nèi)部進(jìn)行拋光處理，或者采用內(nèi)襯特氟龍或PTFE，以防止腔體內(nèi)部掛料。經(jīng)過處理后，粘度范圍可以提升至1000cp ～1500cp 之間。

2）采用頂裝式安裝，浮子固定于一根導(dǎo)桿上，磁極固定于導(dǎo)桿頂端，浮子在浮力作用下與導(dǎo)桿同步上升或下降。這種安裝方式，可以有效避免浮子與腔體之間由于介質(zhì)粘度過大而造成浮子卡滯的問題，幾乎不會(huì)受到介質(zhì)粘度的影響，但該方法需要有足夠的上部操維空間。

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜，精度較高。

缺點(diǎn)：適用的粘度范圍有限，不適用于易結(jié)晶介質(zhì)測量，抗干擾能力差，海洋平臺(tái)上的振動(dòng)和電磁干擾可能會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響，選型時(shí)需特別注意。

3.2 差壓測量法

差壓液位測量是根據(jù)差壓值推導(dǎo)液位高度的原理，即利用公式ΔP=ρgh，根據(jù)介質(zhì)密度ρ 和測量的差壓值ΔP，得出液位高度h。該測量方法對(duì)于常壓容器和帶壓容器均可實(shí)現(xiàn)液位測量。對(duì)于常壓容器，僅需測量高壓側(cè)壓力即可，即采用單接口形式。對(duì)于帶壓容器，則需采用雙接口形式進(jìn)行測量。由于測量過程中需要介質(zhì)密度值作為輸入，所以該方法僅適用于介質(zhì)密度穩(wěn)定或者介質(zhì)密度變化范圍較小的工況。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，安裝空間需求小，價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：僅適用于介質(zhì)密度穩(wěn)定工況的液位測量，密度變化較大時(shí)，精度較差，不再適用。

3.3 射頻導(dǎo)納測量法

射頻導(dǎo)納液位計(jì)是基于電容原理，利用高頻電流測量導(dǎo)納的方法。傳感器與罐壁及被測介質(zhì)形成導(dǎo)納值，物位變化時(shí)，導(dǎo)納值相應(yīng)變化，電路單元將測量導(dǎo)納值轉(zhuǎn)換成物位信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)物位測量[1]。

由于電容電極在粘稠介質(zhì)中使用容易結(jié)垢掛料，在使用一段時(shí)間后就出現(xiàn)一個(gè)附加的電容CC0和電阻RC0，它們是由許多CC01-CC0n和RC01-RC0n組成，其掛料的附加電容和電阻的等效回路如圖1。

圖1 掛料附加電容電阻等效回路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of additional capacitance and resistance of hanging material

圖2 射頻導(dǎo)納液位變送器Fig.2 RF Admittance level transmitter

由于掛料導(dǎo)致的附加電容和附加電阻的存在，出現(xiàn)了以下兩個(gè)問題：

1）由于掛料后附加電阻RC0的存在，使得掛料阻抗消耗了部分能量，使振蕩器輸出到探頭的電壓降低，導(dǎo)致測量回路誤差。

2）由于掛料后附加電容CC0的存在，直接產(chǎn)生了測量誤差。

射頻導(dǎo)納液位計(jì)在電容液位計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)電路設(shè)計(jì)做了如下改進(jìn)：

① 在振蕩器與測量電容橋路之間增加緩沖放大器，使掛料阻抗消耗的能量得到補(bǔ)充，以保證振蕩器輸出電壓的穩(wěn)定。

② 根據(jù)掛料CC0、RC0，增加一個(gè)交流驅(qū)動(dòng)電路，該電路與交流變換器（或同步檢測器）一起可以分別測得測量電容CM和電阻RC0的阻抗，在掛料足夠長的情況下，物位電容為測量電容減去相當(dāng)于RC0值的掛料電容值[2]。

射頻導(dǎo)納液位計(jì)由于采用了上述兩項(xiàng)電路補(bǔ)償技術(shù)，克服了掛料所引起的測量誤差，使得該方法不受粘度的影響，可以應(yīng)用于高粘度工況。

優(yōu)點(diǎn)：防靜電、防干擾、故障率低。

缺點(diǎn)：對(duì)介電常數(shù)有一定要求，有時(shí)需要在罐體加裝導(dǎo)波管。

3.4 導(dǎo)波雷達(dá)測量法

導(dǎo)波雷達(dá)也稱時(shí)域反射或微功率脈沖雷達(dá)，安裝在儲(chǔ)罐或旁通管的頂部，有桿式和纜式兩種形式，考慮到受罐頂安裝空間的限制，海洋平臺(tái)一般選用導(dǎo)波纜配重錘的形式。低能脈沖微波以光速沿導(dǎo)波桿/纜向下發(fā)送，在導(dǎo)波桿/纜與液位（空氣/液體界面）的交點(diǎn)處，有相當(dāng)大比例的微波能量通過導(dǎo)波桿/纜反射回變送器，變送器對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收的回波信號(hào)之間的時(shí)間差進(jìn)行測量，然后板載微處理器利用公式：距離=（光速×?xí)r間差）/ 2，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液面上方高度進(jìn)行計(jì)算，從而得出罐內(nèi)液位值[3,4]。

圖3 導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器Fig.3 Guided wave radar level transmitter

圖4 喇叭口雷達(dá)液位變送器Fig.4 Flare radar liquid level transmitter

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)通過在導(dǎo)波桿/纜上進(jìn)行涂層處理，通過軟件濾除油膜覆蓋造成的干擾的方式，部分優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)8000cp 及以內(nèi)粘度范圍總液位的測量。在粘度較大工況下，不建議使用導(dǎo)波管進(jìn)行限位。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)波動(dòng)較大介質(zhì)的測量更穩(wěn)定，不受介電常數(shù)高低的限制，信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：安裝維護(hù)不太方便，有時(shí)需要在罐體加裝導(dǎo)波管。

3.5 喇叭口雷達(dá)測量法

喇叭口雷達(dá)液位計(jì)是利用超高頻電磁波經(jīng)天線向被探測容器的液面照射，當(dāng)電磁波碰到液面后反射回來，儀表檢測出發(fā)射波及回波的時(shí)差，從而計(jì)算出液面高度。由于喇叭口雷達(dá)天線與被測介質(zhì)互不接觸，所以可以有效避免高粘工況對(duì)測量的影響，理論上不受介質(zhì)粘度的影響。

優(yōu)點(diǎn)：精度較高，采用非接觸式測量，不受介質(zhì)粘度的限制，體積較小，安裝方便。

圖5 核子界面儀Fig.5 Nuclear interface instrument

缺點(diǎn)：天線容易沾上測量介質(zhì)、結(jié)晶或水蒸氣，需要進(jìn)行定期檢查和清理。為避免漂浮物影響測量結(jié)果，需要在罐體加裝導(dǎo)波管。

3.6 核子界面儀測量法

核子界面儀是基于伽馬射線穿透的性質(zhì)，即伽馬射線在穿透一定密度的介質(zhì)時(shí)會(huì)衰弱，根據(jù)介質(zhì)的密度不同，衰減程度不同。密度越大，伽馬射線衰減程度越強(qiáng)，從而可以測量出每一段介質(zhì)的密度，通過介質(zhì)密度的變化判斷出每層液位的高度，屬于非接觸式測量，測量不受介質(zhì)粘度等因素影響。

優(yōu)點(diǎn)：測量范圍廣，精度高，采用非接觸式測量，不受介質(zhì)粘度的限制。

缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，由于存在一定輻射性，所以儀表安裝、調(diào)試維護(hù)以及進(jìn)罐作業(yè)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大。

4 應(yīng)用舉例

以錦州23-2 油田和旅大21-2 油田為例，由于區(qū)塊特點(diǎn)，油田原油粘度高，采用熱采技術(shù)進(jìn)行海上油田開發(fā)。針對(duì)這兩個(gè)項(xiàng)目特點(diǎn)，結(jié)合不同操作溫度、不同含水量下原油粘度值，給出錦州23-2 油田和旅大21-2 油田不同粘度下液位測量儀表選型推薦方案見表1。

5 結(jié)束語

本文研究了各種液位測量儀表對(duì)粘度的適應(yīng)性，以錦州23-2 油田和旅大21-2 油田為例給出液位測量儀表選型推薦方案。通過合理化選型，一方面實(shí)現(xiàn)了最佳的測量效果，另一方面有效地減少了工程投資，對(duì)促進(jìn)稠油熱采技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)具有極其重要的意義。

表1 錦州23-2油田和旅大21-2油田液位測量儀表選型推薦Table 1 Recommendations for the selection of liquid level measuring instruments in Jinzhou 23-2 Oilfield and Lvda 21-2 Oilfield