綦寶朋

中油遼河工程有限公司

長北氣田的井叢控制系統(tǒng)分為井口部分、匯管部分、注甲醇和注緩蝕劑部分、預(yù)留部分以及分散控制系統(tǒng)DCS 組成。井口部分使用大小孔板流量計，井叢運行前期流量較小，采用小孔板用于檢測流量，待生產(chǎn)穩(wěn)定之后，天然氣流量增大，運用大孔板用于檢測流量。

進入了21 世紀，測控技術(shù)隨著自動化技術(shù)以及機電一體化的潮流而日益發(fā)展。一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)等部件組成的。測量技術(shù)是機電一體化重要的的組成部分。

工程概況

長北氣田開發(fā)項目叢式井和匯管工程井叢是中國石油與英國殼牌石油公司合作開發(fā)的，位于陜西省榆林市。從油田的現(xiàn)狀來看，機電一體化技術(shù)還沒有達到廣泛應(yīng)用的地步。油田的自動化程度越來越高，測控技術(shù)已經(jīng)在油田建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

長北氣田井叢工藝原理如圖1 所示。

長北氣田一個井叢一般包括3 口單井。每單井采出的天然氣經(jīng)過注甲醇和緩蝕劑的處理后，再將處理過的天然氣進行節(jié)流調(diào)壓匯入井叢匯管外輸至中央處理廠（CPF）。一般而言，一個大的中央處理廠（CPF）能接收30～40個井叢的外輸天然氣，能接收大概100 多口井的外輸天然氣。每口單井采氣樹設(shè)置壓力參數(shù)檢測設(shè)備，一旦井下的壓力過高或者壓力變化過于迅速，井下的壓力變送器將壓力信號及時的將井底和井口的壓力參數(shù)上傳至井叢控制室內(nèi)的分散控制系統(tǒng)DCS 上。分散控制系統(tǒng)DCS 將會發(fā)出命令根據(jù)壓力的升高情況和變化速率，決定關(guān)閉井底安全閥，還是井口安全閥，或者同時關(guān)閉井底和井口安全閥確保采氣樹的安全，保證安全生產(chǎn)。井下的壓力變送器就像觀察井下情況的眼睛和耳朵，時時檢測井下壓力參數(shù)的變化情況，輸送出4～20mA 的電流信號，一旦達到危險地極限，及時通知井叢的大腦-分散控制系統(tǒng)DCS，由分散控制系統(tǒng)DCS，做出判斷，并且依據(jù)所做出的判斷，來下達相應(yīng)的指令。

圖1 長北氣田井叢工藝原理圖

流量計比選

每單井井口流量檢測并遠傳，高、低流量報警信號傳入分散控制系統(tǒng)DCS 中，如果流量過低聯(lián)鎖控制節(jié)流閥，適當?shù)目刂乒?jié)流閥的開度，保持流量的穩(wěn)定性。

各類流量儀表都有自己的特點。選型的目的就是為了在眾多的產(chǎn)品中選出最適合工況條件的儀表。要想選擇最佳的儀表，必須從儀表本身和被測對象兩方面考慮。首先當然要確認儀表安裝的必要性，工程實際中是否真的需要安裝流量儀表。確定了必要性之后，如果只希望知道流體在管道中是否流動和大體流量值，采用價格低廉的流量指示器即可。其次，了解流體的特性和參數(shù)，初選流量測量的方法和儀表。除了一些非常明顯不合適的儀表類型之外，余下幾種方案進行下一步深入的比較。分析主要從五個方面進行的，即儀表的性能，流體特性方面，安裝條件方面，環(huán)境條件方面和經(jīng)濟因素等。

氣體流量計的種類非常多，但是常用的有以孔板為代表的節(jié)流裝置，渦街，金屬管浮子，旋進旋渦和氣體渦輪流量計。由于以上幾種流量計的原理不同，所以它們所測量的流量下限要求不同，精度不同，價格也不相同。

孔板流量計測量氣體時壓力損失大，對流量下限有一定要求，它適用于測量精度要求不高，介質(zhì)流量正常的場所。

渦街流量計對氣體介質(zhì)流量下限有一定要求，如果流量正常它的測量精度完全可以滿足。

金屬管浮子流量計對壓力有一定要求，壓力過小，浮子將無法工作，它可以用于測量流量較小的介質(zhì)，但由于的它的管徑最大只能做DN150，所以它不能測量大口徑管道氣體流量。

旋進旋渦流量計主要用于天然氣的測量，主要優(yōu)點是沒有機械轉(zhuǎn)動部件，不易腐蝕、可靠度高、穩(wěn)定性好，長期工作無須維護。但是旋進漩渦流量計測量含水、含油、含沙的天然氣較為困難，并且測量的高流量的天然氣顯得力不從心。

氣體渦輪流量計也是主要用于天然氣介質(zhì)測量是一種速度式儀表，對安裝有直管段要求。測量精度比較準確，但是氣體渦輪流量計里面有可疑快速轉(zhuǎn)動的氣體渦輪，所以使用時間長之后，氣體渦輪容易磨損，造成計量不準確。如果天然氣介質(zhì)內(nèi)含有較多的雜質(zhì)，容易損壞氣體渦輪。

孔板，渦街可以用于各種口徑管道氣體介質(zhì)測量，只是對流量下限有一定要求，金屬管浮子流量計可用于DN150 以下管道介質(zhì)測量。

綜合以上的考慮以及長北的現(xiàn)場實際情況。從長北氣田井口出來的天然氣，比較容易含水、含油、含氣。雜質(zhì)成分比較復雜。并且投產(chǎn)初期天然氣產(chǎn)量比較小，隨著逐步的開發(fā)和生產(chǎn)穩(wěn)定，天然氣的產(chǎn)量逐漸達到峰值，之后隨著生產(chǎn)的進一步深入，井口天然氣產(chǎn)量逐漸進入衰竭期。也就是說天然氣產(chǎn)量要經(jīng)歷低-高-低的過程。對于流量計的算則就非常困難。因為每種流量計都有自己的固定量程。如果用測量低流量的流量計，那么天然氣產(chǎn)量達到峰值的時候，低流量流量計將無法測量天然氣產(chǎn)量。如果用測量高流量的流量計，那么天然氣產(chǎn)量比較小的時候，高流量流量計將計量不準確或者根本無法計量天然氣產(chǎn)量。

孔板流量計

針對工程實際情況，長北氣田井叢天然氣流量測量使用了帶兩塊孔板，可以在線更換的的孔板流量計。小孔板主要針對生產(chǎn)前期和后期，天然氣流量比較小的情況。而大孔板主要針對天然氣生產(chǎn)達到峰值，天然氣流量非常大的情況。根據(jù)孔板口徑計算公式：

Q v=CεA/sqr（2ΔP/（1-β4）/ρ1）

其中：C——流出系數(shù)；

E——可膨脹系數(shù)；

A——節(jié)流件開孔截面積，m2；

ΔP——節(jié)流裝置輸出的差壓，Pa；

β——直徑比；

ρ1——被測流體在I-I 處的密度，kg/m3；

Qv——體積流量，m3/h。

標準孔板的流出系數(shù)C 由里德-哈利斯、加拉赫（Reader-Harris/ Gallagher）公式確定。在保持管徑不變的情況下，只需要改變孔板的開孔尺寸，就可以改變測量范圍。這樣就極大的提高了測量的準確度。并且巧妙的躲開了孔板流量計量程比只有3：1，測量范圍窄的問題。雖然孔板流量計現(xiàn)場安裝條件要求比較高，需要比較長的的直管段，但是長北氣田井叢的廠區(qū)非常大，能夠提供比較長的直接管段。這個問題可以解決?？装宓臋z測件與差壓顯示儀表之間的引壓管線是比較薄弱的環(huán)節(jié)，比較容易產(chǎn)生泄露、凍堵、凍結(jié)及信號失真等故障。選擇質(zhì)量可靠的引壓管和電纜，并且要求現(xiàn)場施工的工人按照國家的標準安裝方式安裝，避免今后運行中的隱患。

結(jié)語

孔板流量計的許多優(yōu)點在長北氣田的井叢可以得以充分的展示。易于復制，簡單，牢固，性能穩(wěn)定可靠，價格低廉，使用期限長，標準型的檢測件為全世界通用，國際標準化組織和國際計量組織均認可的產(chǎn)品。而且孔板無須個別校準，維護成本很低，對于介質(zhì)的潔凈程度要求不是很高。這都非常符合現(xiàn)場的實際需要。大小兩塊孔板可以實現(xiàn)在線更換，降低了操作難度，降低了維護成本?？蓳Q孔板的流量計的使用，提高了計量精度，降低了投資成本。始終可以使孔板流量計保持高效、穩(wěn)定、低成本的運行狀態(tài)。