強(qiáng) 帥，楊 勉，李 勇

（斯倫貝謝長和油田工程有限公司，陜西 延安 716000）

0 引言

本文介紹了延113～延133氣田井區(qū)使用的旋進(jìn)旋渦流量計和均速管流量計工作原理，具體闡述了旋進(jìn)旋渦流量計和均速管流量計存在的問題及解決方法，目的是掌握流量計的工作原理及設(shè)置參數(shù)，降低偏差，準(zhǔn)確分析氣井動態(tài)。

延安氣田延113～133井區(qū)項目年產(chǎn)氣量可達(dá)13.3×108m3，目前涉及累計35座井場，205口氣井。其中，29座井場，172口單井采用差壓式原理計量，6座井場，33口井采用旋進(jìn)旋渦流量計計量。

通過對比傳統(tǒng)差壓流量計，尤其是以孔板為代表的節(jié)流式差壓流量計[1]，發(fā)現(xiàn)對其前后直管段有著嚴(yán)格要求的特點。因此，該項目選取了結(jié)構(gòu)簡單，在相同條件直管段下測量精度更高、壓損小，內(nèi)部無可動部件[2]，安裝維護(hù)更方便的均速管流量計。同時，該項目選取了具有長期運行無需特殊維護(hù)，無機(jī)械可動部件，通用性和互換性較好，集成度高、體積小等特點的旋進(jìn)旋渦流量計，形成了與差壓式流量計的鮮明對比。天然氣流量計在計量中的準(zhǔn)確性尤為突出，考慮實際使用過程中影響因素較多，在分析問題時，需要對應(yīng)用設(shè)備的工作原理仔細(xì)斟酌，與專業(yè)技術(shù)人才深入交流，以提高天然氣的現(xiàn)場測量準(zhǔn)確度并及時采取合理措施，提供有力指導(dǎo)[3]，這樣才能更加有效地進(jìn)行氣井流量的動態(tài)分析監(jiān)測。

1 旋進(jìn)旋渦流量計

1.1 工作原理

旋進(jìn)旋渦流量計工作原理是：當(dāng)流體進(jìn)入流量傳感器時[4]，入口處的導(dǎo)流葉片迫使軸向的流體旋轉(zhuǎn)并在收縮段內(nèi)。由于流體的加速流動使旋轉(zhuǎn)流的中心產(chǎn)生旋渦流，這時，隨著管載面積的縮小，旋渦流集中在中心軸上。當(dāng)旋渦流進(jìn)入擴(kuò)散段時，由于流速減慢，旋轉(zhuǎn)流體受到回流的作用，開始做二次旋轉(zhuǎn)，旋渦流出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，形成渦流進(jìn)動現(xiàn)象。此時的旋渦頻率與介質(zhì)的流速成正比，并為線性，由壓電傳感器檢測的微弱電信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形輸出給積算儀，并進(jìn)行處理運算，顯示壓力、溫度、瞬時流量和總量。

1.2 存在的問題

1）流量計經(jīng)項目投產(chǎn)調(diào)試正常投用后，運行期間多數(shù)流量計瞬時流量測量值不穩(wěn)定、偏差較大，無法通過SCADA遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)對單井產(chǎn)量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，無疑對生產(chǎn)技術(shù)分析造成困擾。

2）設(shè)備附屬檢測元件故障，損壞程度和更換頻率高。單井開井運行條件下，流量計電源供電正常，但流量計瞬時量一直保持為0，無輸出信號，對單井和井場流量總量的計量出現(xiàn)偏差。

3）工藝因素原因造成流量計測量誤差。單井關(guān)停井后，流量計仍可以檢測到流量，有輸出信號，造成單井運行狀態(tài)分析誤判；井下增產(chǎn)作業(yè)的不合理，出現(xiàn)設(shè)備測量偏差。

1.3 原因分析及解決方法

1.3.1 瞬時測量值不穩(wěn)定

1）氣井采氣管線中含有雜質(zhì)，例如出現(xiàn)的黑色固體塊狀物、壓裂砂、泡排后帶出的其他雜物等，致使葉輪片被打壞或者將旋渦發(fā)生器直接打穿，導(dǎo)致流量計無法正常工作，造成測量偏差。排除此類故障的方法，需要將過濾器的濾芯更換為加強(qiáng)濾芯，對出砂井增加除砂器。

圖1 傳感器損壞圖Fig.1 Sensor damage

2）流量積算儀的前置放大器靈敏度過高或過低，有多計、漏計脈沖現(xiàn)象，導(dǎo)致瞬時流量偏差較大，排除此類故障，需要更換前置放大器。

3）流量計接地不良，及強(qiáng)電和其他地線接線受到干擾。排除這種影響，需要正確接好地線，測試接地電阻，排除干擾。

4）管道內(nèi)無天然氣流動或流量低于始動流量，從而無法輸出流量。這種情況下，需要對單井作出調(diào)整，比如調(diào)整采氣樹的針法開度，提單井流量的措施，以及進(jìn)行技術(shù)變更，選取更小通徑的流量計。

1.3.2 檢測元件故障

1）由于單井出沙，造成不同程度的流量計的傳感器的損壞，如圖1所示。其中，包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器，而對流量計影響的主要因素是流量傳感器和壓力傳感器。排除此類故障直接的方法是更換相同信號的傳感器，重新設(shè)置積算儀參數(shù)即可。但是，未解決根本問題，正常測量的維持時間較短。目前，長期有效的解決方法是采取流量計前端改造，增加除砂器，起到較好的控沙效果，進(jìn)一步對流量計的檢測元件起到保護(hù)作用。

2）前置放大器故障，流量輸出一直顯示為0。這種情況下，更換新的型號前置放大器后，流量顯示正常。

1.3.3 工藝因素

1）排除采氣樹閥門內(nèi)漏情況下，由于工藝設(shè)計流量計下游沒有單向閥，下游閘閥未關(guān)閉，單井停井后流量計檢測到流量。排除此類情況，要求操作人員正確隔離流程，關(guān)閉下游閘閥。

2）氣井的泡排作業(yè)，造成旋渦發(fā)生器處存在大量的泡排液，從而降低了測量效果。排除此類問題，需要合理安排作業(yè)。

2 均速管流量計

2.1 工作原理

均速管流量計采用差壓式工作原理、插入式工作方式[4]。均速管流量計屬于一種差壓式流量計，是根據(jù)管道內(nèi)流量檢測件產(chǎn)生差壓，結(jié)合現(xiàn)有流體條件、檢測件以及管道的幾何尺寸對流量進(jìn)行計算，由檢測件和差壓轉(zhuǎn)換顯示儀表構(gòu)成的差壓式流量計。均速管測量原理是將一根中空金屬桿沿直徑插入工藝管道中，采用等面積法，在桿的迎流面和背流面制有成對的取壓孔，迎流面的多點測壓孔測量的為總壓，背流面測量的為靜壓，利用測量流體的總壓與靜壓之差來測量流量。

2.2 存在的問題

1）人為因素，操作不正確，導(dǎo)致測量設(shè)備出現(xiàn)偏差。

2）工藝因素造成測量偏差，含水出現(xiàn)引壓管積存冷凝液，以及出沙影響到測量設(shè)備的穩(wěn)定性[5]。

3）檢測設(shè)備不正常，差壓變送器存在偏差，導(dǎo)致無法正常測量差壓。

4）出廠設(shè)備設(shè)置不符合實際計量方式，積算儀計算方法及設(shè)置參數(shù)存在問題。

2.3 原因分析及解決方法

2.3.1 人為因素

1）生產(chǎn)操作人員對差壓變送器三閥組操作錯誤，出現(xiàn)平衡閥、正負(fù)壓測取壓閥未正確投用現(xiàn)象，導(dǎo)致測量出現(xiàn)偏差。通過對操作人員技能培訓(xùn)，提高對儀器儀表工作原理的認(rèn)知，熟練掌握操作規(guī)范。

2）計量設(shè)備的附屬壓力變送器關(guān)閉或者出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，無法為積算儀提供有效的測量壓力，從而輸出出現(xiàn)偏差。

2.3.2 工藝因素

1）氣井內(nèi)含水較多，造成變送器正負(fù)壓取壓端積液，從而影響流量計差壓變送器的實際計量。通過對單井進(jìn)行泡排作業(yè)及增加作業(yè)次數(shù)，監(jiān)測單井實際的運行，同時通過處理差壓變送器取壓端內(nèi)部積液，重新進(jìn)行正確投用，降低影響因素。

2）氣井出沙嚴(yán)重。長時間的生產(chǎn)條件下，造成差壓變送器密封膜片受損和傳感器受損，計量不穩(wěn)定，無法輸出可靠的計量值。通過技術(shù)分析，根據(jù)出沙量的實際情況，將原來工藝管線Y型過濾器改造為除砂器，從而起到單井控沙，同時對下游測量設(shè)備起到有效保護(hù)，計量的實際效果趨于穩(wěn)定。

2.3.3 設(shè)備因素

1）差壓變送器故障，差壓變送器密封膜片受損和傳感器受損，無法正常測量設(shè)備差壓。

2）氣井氣量較大，差壓變送器的選型的量程值太小，超出正常檢測范圍，從而計量保持于設(shè)備最大輸出值，無法準(zhǔn)確計量，作為實際計量值參考監(jiān)測。

圖2 下游集氣站外輸流量曲線Fig.2 Export flow curve of downstream gas gathering station

圖3 現(xiàn)場流量計積算儀和差壓表示值Fig.3 Indication value of field flowmeter totalizer and differential pressure

3）由于設(shè)備設(shè)計的缺陷，密封較差，導(dǎo)致積算儀控制箱內(nèi)出現(xiàn)積水，從而導(dǎo)致擴(kuò)展輸出短路模塊故障，無法輸出正常值。

4）積算儀的計算方法并不適合于實際運行的氣井，積算儀的計算方法在出廠設(shè)置中，均采用天然氣組份計量，從而出現(xiàn)較大偏差。通過對下游集氣站的外輸氣量對比，經(jīng)過計算，將原廠提供一期項目的積算儀的測量介質(zhì)更改為一般氣體，偏差將大大減小。上游氣井的實際計量與下游集氣站的外輸氣量達(dá)到積算儀偏差范圍內(nèi)，正常流量波動在5%以內(nèi)。下游集氣站外輸雙差壓均速管流量計數(shù)據(jù)分析如圖2。

根據(jù)DCS曲線觀察，如圖2所示。正常狀態(tài)下，流量波動范圍約在5%以內(nèi)（除去工藝造成的原因）。

設(shè)計參數(shù)：設(shè)計壓力1100KPa（絕壓 100KPa），設(shè)計溫度30℃，設(shè)計流量60000Nm3/h，設(shè)計差壓24.3046KPa，差壓變送器量程的大差壓24.3046KPa，小差壓3.8455KPa。

理論差壓值：重新按照實際壓力3.65MPa（大氣壓加上100KPa），溫度38℃，計算60000Nm3/h 流量的差壓值，應(yīng)該為7.2262KPa。

實測差壓值：（13.26-4）/16×3.8455≈2.2255KPa

測量偏差：（34666-33293）/34666×100% ≈4.0%

圖4 上游單井流量計積算儀和差壓表示值Fig.4 Integral and differential pressure indication of upstream single well flowmeter

圖7 標(biāo)定后的積算儀和差壓表示值Fig.7 Calibrated integrator and differential pressure indication

圖5 100管徑計算書得出的值Fig.5 Values from 100 pipe diameter calculation sheet

圖6 實際壓力溫度下計算書得出的值Fig.6 Calculation results under actual pressure and temperature

上游單井均速管流量計數(shù)據(jù)分析：

設(shè)計參數(shù)：設(shè)計壓力600KPa（絕壓），設(shè)計溫度18℃，設(shè)計流量6400Nm3/h，管徑為DN100，設(shè)計差壓9.8153KPa，如圖5所示。

理論差壓值：重新按照實際壓力2.202MPa（大氣壓加上100KPa），溫度12.6℃，計算6400Nm3/h流量的差壓值應(yīng)該為2.4831KPa，如圖6所示。

實測差壓值：（4.22-4）/16×1.5531≈0.021355KPa

測量偏差：（600-593）/600×100% ≈ 1.2%

測量結(jié)果：檢查設(shè)置，重新對差壓變送器進(jìn)行零點標(biāo)定，校準(zhǔn)投用后，電流測量值為4.32mA，測量流量為719.357 Nm3/h，如圖7所示。

單井管徑變徑為DN80的數(shù)據(jù)分析：

差壓值為31Pa，將工藝管徑由DN100縮經(jīng)為DN80，同等流量下，差壓值為0.1009KPa，如圖8所示。

單井管徑變徑DN50的數(shù)據(jù)分析：

差壓值為31Pa，將工藝管徑由DN100縮經(jīng)為DN50后，同等流量下，差壓值為1.1629Kpa，如圖9所示。

3 結(jié)論與展望

通過對延113～延133氣田的氣井兩種流量計的分析，旋進(jìn)旋渦流量計根據(jù)其設(shè)備的特點及結(jié)構(gòu)[6]，更適用于計量比較純凈的干氣氣體介質(zhì)，在天然氣下游銷售終端計量領(lǐng)域使用較多。均速管流量計結(jié)合具體流體檢測條件和流量傳感器[7]自身的優(yōu)點，在測量介質(zhì)較差的環(huán)境下，仍能保持較好的測量性能，也更適合延113～延133項目的選用。

圖8 80管徑計算書得出的值Fig.8 Values from 80 pipe diameter calculation sheet

圖9 50管徑計算書得出的值Fig.9 Values from 50 pipe diameter calculation sheet

在油氣工業(yè)發(fā)展中，上游氣井的計量偏差日漸備受關(guān)注，無論對其計量的準(zhǔn)確度還是對其設(shè)備的精確度要求會越來越高，目的是為了更加有效地進(jìn)行氣井動態(tài)分析監(jiān)測，以及為數(shù)字化氣田的建設(shè)提供更可靠的保障。