廖 剛

(川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

頁(yè)巖氣是一種儲(chǔ)量高、清潔、低碳的非常規(guī)天然氣，已成為天然氣資源的新寵兒。為了盡可能開(kāi)采出天然氣，獲取更多的工業(yè)氣流，進(jìn)行大規(guī)模水力加砂壓裂對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行改造是提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。儲(chǔ)層改造的效果又必須通過(guò)排液采氣作業(yè)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，在整個(gè)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)鏈中有著至關(guān)重要的作用。而返排液體的計(jì)量又是整個(gè)排液采氣作業(yè)的重要組成部分，它的準(zhǔn)確計(jì)量可以為整個(gè)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊排液、除砂、產(chǎn)氣等規(guī)律的探尋提供重要的數(shù)據(jù)支撐。但是由于頁(yè)巖氣平臺(tái)布井多(通常1個(gè)平臺(tái)6口井)，返排液量大(通常單井返排液超過(guò)1 000 m3)，返排測(cè)試周期長(zhǎng)，這就為液體的準(zhǔn)確計(jì)量帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。目前，液體計(jì)量還比較落后，很多平臺(tái)還是采用的手工計(jì)量或者估算的方式(根據(jù)排液口情況折算)，該計(jì)量方式雖然操作簡(jiǎn)單，但是計(jì)量準(zhǔn)確度較低，且不能實(shí)現(xiàn)返排液的實(shí)時(shí)在線計(jì)量，勢(shì)必造成返排液的計(jì)量誤差較大，給頁(yè)巖氣勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)帶來(lái)較大的困擾。因此，必須改變傳統(tǒng)的計(jì)量方式，找到合適的設(shè)備能夠?qū)σ后w進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線計(jì)量，以提高返排液的計(jì)量準(zhǔn)確度，為頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

一、頁(yè)巖氣返排液計(jì)量?jī)x器優(yōu)選

目前針對(duì)液體的計(jì)量，除了傳統(tǒng)的手工計(jì)量方式外，比較常用的方法是通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)來(lái)對(duì)液體進(jìn)行計(jì)量[1]。但是在實(shí)際液體計(jì)量過(guò)程中它們又各存在優(yōu)缺點(diǎn)(見(jiàn)表1)。

根據(jù)各液體流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)綜合對(duì)比，結(jié)合長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣排液采氣現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到頁(yè)巖氣具有返排測(cè)試周期長(zhǎng)(少則3個(gè)月，多則1年以上)、返排溫度高(返排初期威遠(yuǎn)區(qū)塊井口溫度一般在70℃～80℃，部分井甚至高達(dá)100℃)、液體黏度低(0.9～1.2 mPa·s)等特點(diǎn)，再充分考慮設(shè)備使用中的安全性及可靠性，確保流量計(jì)即使故障也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)中其他設(shè)備造成影響，從而在不影響安全生產(chǎn)的前提下，頁(yè)巖氣應(yīng)該使用渦輪流量計(jì)來(lái)對(duì)返排液體進(jìn)行精確計(jì)量，其主要優(yōu)點(diǎn)有：①渦輪流量計(jì)準(zhǔn)確度高(準(zhǔn)確度一般為±0.2%～±1.5%)；②范圍寬(最大和最小線形流量比一般為 7 ∶1～10 ∶1)。③重復(fù)性好(一般為 0.05%～0.2%)；④耐壓性好(儀表殼體采用不銹鋼精加工)；⑤信號(hào)無(wú)損耗傳輸；⑥耐腐蝕能力強(qiáng)。

表1 液體流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

二、渦輪流量計(jì)工作原理

渦輪流量計(jì)主要由殼體、前導(dǎo)流器、葉輪、后導(dǎo)流器、壓緊墊圈、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器(帶放大器)等部分組成[2]，如圖1。

圖 1 渦輪流計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1殼體 2前導(dǎo)流器 3葉輪 4后導(dǎo)流器 5壓緊墊圈 6帶放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器

它是以動(dòng)量守恒原理為基礎(chǔ)的速度式流量?jī)x表，根據(jù)理論及大量的試驗(yàn)可知，渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率與返排液流速存在一定的關(guān)系，即在特定的流量及黏度條件下，它們是成正比例關(guān)系的[3]。當(dāng)加砂壓裂后返排出的液體沖擊渦輪流量計(jì)的渦輪時(shí)，渦輪會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷切割磁力線，導(dǎo)致磁通量周期性變化，使得通電線圈內(nèi)的電流和電位也周期性改變。磁電轉(zhuǎn)換器會(huì)將此電信號(hào)經(jīng)過(guò)整形并放大處理，得到可識(shí)別的脈沖信號(hào)，再將脈沖信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將搜集到的脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每口井的排液量實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示，主要計(jì)算公式如下[4]：

f=KQv

(1)

式中：f—渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；Qv—液體體積流量；K—渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)。

三、渦輪流量計(jì)的安裝

渦輪流量計(jì)一般安裝在分離器液路出口的下游管道上，其安裝維護(hù)要點(diǎn)如下：

(1)渦輪流量計(jì)要安裝在地面流程的直管段上，要求渦輪流量計(jì)上游管線直管段長(zhǎng)度是管線直徑的2倍以上，下游管線直管段長(zhǎng)度是管線直徑的7倍以上，同時(shí)要求渦輪流量計(jì)傳感器與插入傳感器的基座保持垂直。

(2)安裝前必須檢查到位，確保能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)且葉片未發(fā)生變形，并事先測(cè)試看是否能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)、有無(wú)信號(hào)干擾儀表。

(3)當(dāng)使用一段時(shí)間需要維護(hù)時(shí)，需要拆傳感器時(shí)，當(dāng)顯示頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至極限位置時(shí)，應(yīng)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)插入桿，避免用力過(guò)猛損壞傳感器。

(4)渦輪流量計(jì)前后兩端，使用合適的基墩緊固，避免返排過(guò)程中渦輪流量計(jì)震動(dòng)，影響計(jì)量效果。

四、提高儀器計(jì)量準(zhǔn)確度

1.選擇合適的渦輪流量計(jì)

頁(yè)巖氣返排時(shí)，應(yīng)根據(jù)管道公稱(chēng)壓力、返排液最高壓力、返排液溫度、流體組分、流量范圍及信號(hào)輸出等要求綜合考慮渦輪流量計(jì)的規(guī)格型號(hào)。在頁(yè)巖氣排液采氣作業(yè)中，要盡量選擇合適的液體渦輪流量計(jì)，既要避免價(jià)格過(guò)高造成資源浪費(fèi)，又要避免流量計(jì)選擇不合適，造成較大的計(jì)量誤差。在選擇流量計(jì)之前應(yīng)首先根據(jù)整個(gè)平臺(tái)井排液量和返排流體可能達(dá)到的溫度和壓力范圍，估算出輸送返排液的最高和最低的工況流量，正確選擇規(guī)格合適的流量計(jì)。選擇渦輪流量計(jì)的總體原則是[5]：盡量使計(jì)量流量在渦輪流量計(jì)最大流量的15%～70%的范圍內(nèi)，這樣不僅提高了渦輪流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度又可以延長(zhǎng)渦輪流量計(jì)的使用壽命。為了使得返排流量控制在合理的范圍內(nèi)，提高計(jì)量準(zhǔn)確度，施工現(xiàn)場(chǎng)一般將4個(gè)尺寸的渦輪流量計(jì)并聯(lián)安裝。

當(dāng)初期使用小油嘴返排時(shí)，流量較小時(shí)一般選取?25.4 mm的渦輪流量計(jì)，當(dāng)流量變大時(shí)，根據(jù)不同尺寸的渦輪流量計(jì)對(duì)應(yīng)的參數(shù)表(見(jiàn)表2)，將液流切換到其它尺寸的渦輪流量計(jì)，確保整個(gè)返排過(guò)程的流量始終保持在流量計(jì)最大流量的15%～70%范圍內(nèi)運(yùn)行，以提高返排液的計(jì)量準(zhǔn)確度。

表2 不同尺寸渦輪流量計(jì)參數(shù)表

2.儀表系數(shù)K的現(xiàn)場(chǎng)修訂方法

在一定的流量范圍及黏度條件下，液體渦輪流量計(jì)讀數(shù)是比較準(zhǔn)確的，但是在頁(yè)巖氣排液現(xiàn)場(chǎng)某些時(shí)段內(nèi)排量并不穩(wěn)定(段塞流)，液體黏度也并不恒定(如：鉆磨洗井會(huì)泵入不同黏度的工作液)，所以儀表系數(shù)K不可能在任意流量范圍和任意黏度下均保持?jǐn)?shù)值一定，或者說(shuō)，流量計(jì)在不同流量下測(cè)量時(shí)，其K系數(shù)是不一樣的。為了保證計(jì)量準(zhǔn)確度，需要現(xiàn)場(chǎng)每天標(biāo)定儀表系數(shù)，下面介紹儀表系數(shù)K的現(xiàn)場(chǎng)確定方法。

修正前的儀表系數(shù)用K表示，修正后的系數(shù)用K′表示，為了對(duì)系數(shù)進(jìn)行修訂，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，渦輪流量計(jì)所連接的地面流程后端同時(shí)連接了一個(gè)計(jì)量罐，在頁(yè)巖氣平臺(tái)采用每口井輪流進(jìn)罐的方法對(duì)系數(shù)K′進(jìn)行修正，其具體修正計(jì)算公式如式(2)：

K′=Kq/q′

(2)

式中：K′—渦輪流量計(jì)修正后的系數(shù)；K—為初始系數(shù)；q—為計(jì)量罐實(shí)測(cè)返排量(一般不低于1 h)；q′—渦輪流量計(jì)相同時(shí)間內(nèi)的返排量。

表3 威XX平臺(tái)渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)修訂表

從表3看出，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程過(guò)程中，將前一天修正后的儀表系數(shù)K′作為后一天的修正系數(shù)K，而通過(guò)修正計(jì)算公式重新修訂的系數(shù)作為K′，每天重復(fù)，同一平臺(tái)不同井進(jìn)行輪流進(jìn)計(jì)量罐，不斷對(duì)系數(shù)進(jìn)行修正，大大提高了返排液計(jì)量準(zhǔn)確度。

3.使用Fisher閥自動(dòng)控制分離器液位避免氣體進(jìn)入渦輪流量計(jì)

根據(jù)前面介紹的渦輪流量計(jì)測(cè)量液體優(yōu)缺點(diǎn)可知，利用渦輪流量計(jì)測(cè)量氣、液兩相流時(shí)，流體會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)量誤差。為了提高返排液的計(jì)量準(zhǔn)確度，在現(xiàn)場(chǎng)使用渦輪流量計(jì)時(shí)，盡量確保分離器液路出口不竄氣，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可以利用Fisher閥自動(dòng)控制分離器液位，一般將分離器液位控制在液位看窗的2/3以上，確保進(jìn)入渦輪流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量的流體都是液體，而沒(méi)有氣體干擾渦輪流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果。

4.渦輪流量計(jì)與無(wú)線數(shù)采有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)精確計(jì)量

渦輪流量計(jì)與無(wú)線數(shù)采有機(jī)結(jié)合，組成了全新的在線實(shí)時(shí)計(jì)量系統(tǒng)(如圖2所示)，改變了傳統(tǒng)的手工計(jì)量方式，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)流量計(jì)時(shí)，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生實(shí)時(shí)脈沖電流信號(hào)(4～20 mA)，并輸送到計(jì)算機(jī)。而對(duì)計(jì)算機(jī)中的無(wú)線數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行了二次編程增加了在線計(jì)量模塊，本模塊將搜集到的脈沖電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示，本模塊實(shí)現(xiàn)了渦輪流量計(jì)和無(wú)線數(shù)采的無(wú)縫銜接，自動(dòng)計(jì)算出每口井的排液量并實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)了渦輪流量計(jì)的在線實(shí)時(shí)計(jì)量。為了提高返排液體的計(jì)量準(zhǔn)確度，可以將無(wú)線數(shù)采的采集頻率設(shè)置為1 s，即每1 s讀取一個(gè)返排流量值，然后再利用數(shù)采軟件自動(dòng)疊加每秒的讀數(shù)，確保了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

為了提高頁(yè)巖氣壓后返排液體計(jì)量的準(zhǔn)確度，上面方法同時(shí)使用，在頁(yè)巖氣平臺(tái)取得了較好的效果，計(jì)量誤差率較低(見(jiàn)表4)。

圖2 在線計(jì)量系統(tǒng)工作框圖

表4 在線計(jì)量系統(tǒng)與計(jì)量罐階段排液對(duì)比表

五、結(jié)論及建議

(1)通過(guò)渦輪流量計(jì)和無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合、無(wú)縫銜接，形成了長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖氣壓后返排液精確計(jì)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)返排液在線、實(shí)時(shí)、精確計(jì)量，為整個(gè)區(qū)塊的開(kāi)發(fā)、部署及生產(chǎn)制度的確定提供了數(shù)據(jù)支撐。

(2)通過(guò)渦輪流量計(jì)并聯(lián)、儀表系數(shù)及時(shí)修正、Fisher閥自動(dòng)控制分離器液位等方法的綜合運(yùn)用，極大提高了頁(yè)巖氣壓后返排液的計(jì)量準(zhǔn)確度，其誤差率小于5%。

(3)壓后返排液的在線、精確計(jì)量技術(shù)在頁(yè)巖氣平臺(tái)的成功應(yīng)用，有助于認(rèn)識(shí)整個(gè)區(qū)塊的排液情況，為進(jìn)一步揭示長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)壓后地層的排液規(guī)律奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，建議加大該技術(shù)的推廣應(yīng)用力度。