翟中波 狄國銀 漆世偉 俞天軍 李向忠 房偉

1.斯倫貝謝長和油田工程有限公司 2.西安銘度石化科技有限公司 3.陜西延長石油(集團)有限責任公司油氣勘探公司

延XX井區(qū)位于延安市以北，鄂爾多斯盆地天然氣富集區(qū)的南緣，屬于致密氣項目。氣井在壓裂后返排率大約為35%，大量的返排液滯留在地層和裂縫中，隨著氣井生產的進行，井下殘留的壓裂液也會被氣體攜帶出井筒到達地面[1]。延北項目92%的氣井在生產時有出液現象，水氣比為0～ 9 m3/104m3，構成“濕氣”工況[2]。項目采用低壓集輸模式，即“井下節(jié)流、井間并聯、二次增壓、集中處理”的模式，單井氣量使用旋進漩渦流量計、孔板差壓流量計等單相(純氣)流量計計量，受到出液影響無法準確計量氣井的氣液產量，導致無法準確地監(jiān)測氣井生產動態(tài)，制約著氣井的科學、精細管理。針對此問題，國內大多數油田采用橇裝三相分離器,定期移動計量獲得氣井產液產氣數據以進行單井生產動態(tài)分析并校正流量計。移動計量裝置體積大，需要專業(yè)技術人員操作，花費高，不能實時連續(xù)在線計量。對于部分間歇出液的氣井，其流態(tài)變化大[3]，傳統計量方式不能滿足氣田生產管理的需要。

氣液兩相流量計量裝置的研發(fā)和應用尤為迫切。研發(fā)的此氣液兩相流量計量裝置是專門開發(fā)的適應于濕氣工況條件的氣液兩相流量計，既能準確測量氣量，又可實時監(jiān)測天然氣井出液的動態(tài)及趨勢。使用差壓式孔板流量計結合氣伽馬射線吸收技術測量含氣率，可以在氣液不分離的狀態(tài)下，對氣井產出的氣液流量進行實時連續(xù)測量[4]，適用于霧狀流、環(huán)狀流、段塞流等常見流態(tài)。將其與多路閥相結合，此裝置可同時實現井叢多口井自動選井及氣液兩相計量。采用專用嵌入式數據處理系統，可遠程控制自動選井/倒井，采集信號并進行數據處理傳輸，輸出氣量、液量、氣液比、溫度、壓力等參數。為氣田生產、氣藏管理部門提供連續(xù)實時可靠的氣液兩相流量測量數據。

1 設備測量結構和原理

將1套多路閥和1套濕氣孔板流量計集成在一起成橇，配備液體取樣器即成為井叢自動選井及氣液兩相流量計量裝置。使用1套裝置即可實現若干口井輪流自動選井并實時測量天然氣和液體的產量，獲得實時有效的單井生產數據，既改進了計量工藝，又保障了井叢所有單井的氣液兩相測試精度，有利于叢式井的精細管理及運維成本的降低。

1.1 氣液兩相流量計結構

氣液兩相流計量裝置由自動選井模塊、計量模塊和計算機控制單元組成(見圖1)，其中自動選井模塊由多路閥與工藝管線組成，計量模塊由濕氣孔板流量計構成。

如圖1所示，多路閥有若干入口，分別連接一口氣井的生產管線，在計算機控制單元系統上設制對應的井號和多路閥閥位，在接受到井號指令后下發(fā)參數給多路閥自動切換閥位，將需要計量的單井切換至計量管線，該單井所產流體導入計量模塊，計量完后再匯入集輸管線；其余各氣井所產流體經多路閥后，直接進入集輸管線。

1.2 濕氣孔板流量計原理

濕氣孔板流量計包括氣液比傳感器、孔板差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器等部分[5]。

1.2.1氣液比傳感器測量含氣率

通過伽瑪射線吸收技術測量氣液比。伽馬射線被探頭吸收后經過光電轉為計數率，依據伽馬射線吸收計算公式(見式(1)、式(2))，可計算得到在管道橫截面上氣體所占比例(GVF)。

N=N0·e-μ·D

(1)

(2)

式中：N0為空管計數率；N為測量計數；μ為吸收系數，mm-1；D為氣液比傳感器內徑，mm。

設備投入運行之前，對氣液比傳感器進行空管、全液和天然氣標定，分別得到空管計數N0、全液計數Nl和全氣計數Ng，根據式(2)可得到液體吸收系數μl和氣體吸收系數μg。

在管道橫截面上，被測介質對伽馬射線的吸收系數為線性關系，氣液兩相混合介質的吸收系數與GVF的關系見式(3)，進一步推導可得到GVF計算公式，見式(4)和式(5)。

μ=μg·GVF+μl·(1-GVF)

(3)

(4)

(5)

1.2.2孔板差壓變送器測量氣液總流量

孔板為標準差壓式流量計，遵循標準公式，見式(6)。

(6)

式中：Qv為體積流量，m3/h；c為流出系數；d為孔板直徑，mm；ε為流束膨脹系數；ρ為流體工況下的密度,kg/m3；Δp為壓差，Pa，由差壓變送器實時測量獲得；β為孔板吼徑比，β=d/Dp,Dp為孔板上游直管內徑，mm。

上述參量中，c、d、ε、β均與孔板的幾何尺寸相關，為定值。

在氣液兩相流體中，混合流體的密度計算公式如式(7)：

ρmix=ρg·GVF+ρl·(1-GVF)

(7)

結合式(5)、式(6)、式(7)，得到氣、液兩相流體的總流量計算公式，見式(8)、式(9)。

Vg=V·GVF

(8)

Vl=V·(1-GVF)

(9)

式中：Vg為天然氣流量，m3/d ；Vl為液體流量，m3/d；V為總流量，m3/d。

1.2.3其他參數測量及流量修正

(1) 壓力變送器實時測量流體壓力；溫度變送器實時測量流體溫度。

(2) 天然氣PVT方程可計算得到標況下的天然氣產量。

(3) 受氣藏地質條件的影響，氣井生產會有霧狀流、環(huán)狀流、分層流、段塞流等流型流態(tài)，在專用軟件中集成有氣液兩相數學模型，該模型依據GVF及其波動變化幅度與頻率，實時對測量流量進行修正，減小流型流態(tài)對濕氣孔板流量計的影響。

1.3 流量計算機

流量計算機存儲有氣液兩相流量計的參數，實時采集遠傳各儀表、傳感器的信號，并完成工藝數據計算，存儲、顯示測量結果等。如圖2所示，井叢設備通過通用分組無線服務技術(general packet radio service，GPRS)接入到云平臺，上位機通過互聯網接入到云平臺，云平臺實現上位機與設備下位機的數據交換，從而實現上位機到設備下位機的遠程數據傳輸與控制。實現了遠程監(jiān)控氣井實時氣液產量、溫度、壓力等數據，并且可以實時通過自主研發(fā)的軟件遠程控制選井/倒井，計量數據存儲于云平臺，可隨時隨地下載分析使用。

2 準確性驗證及應用

井叢自動選井及氣液兩相流量計量裝置研發(fā)成功之后，進行了室內實驗、現場試驗，準確性得到了驗證，并在現場進行了應用?，F場應用效果良好，實現了油氣田產水氣井在線實時準確水量氣量計量。

2.1 實驗室準確性驗證

在兩相流實驗平臺對該氣液兩相流量計量裝置的準確性進行了測試。兩相流實驗平臺使用壓縮空氣、水進行循環(huán)測試，測試流程如圖3所示。空氣經空壓機增壓之后進入儲氣罐，隨后經氣量調節(jié)閥調節(jié)流量，之后使用渦街流量計計量；水經水泵升壓后經調節(jié)閥和回流閥進行流量調節(jié)，然后采用電磁流量計計量；空氣和水單獨計量后經過混合器混合，流經安裝在測試區(qū)域的氣液兩相流量計進行氣液兩相流量測量，然后氣液混合流體進入氣液分離器進行氣液分離，空氣通過調壓閥排向大氣，水經過排液閥進入儲水罐循環(huán)使用。

氣路管徑為DN50和DN25、水路管徑為DN40和DN15各兩路并聯，用于調節(jié)不同的氣量和水量，測試管線為DN50，實驗平臺的渦街流量計和電磁流量計分別測量并記錄氣體和水的流量，與氣液兩相流量計同時測量值進行比對，評價此氣液兩相流量計計量精度。實驗介質為空氣和水，實驗參數如表1所列。

表1 實驗參數路徑介質管徑流量計精度/%流量①/(m3·h-1)溫度壓力/kPa氣路空氣DN25、DN50渦街流量計±1.00～400室溫100～800液路水DN15、DN40電磁流量計±0.50～20室溫100～800 注:① 在0.101 MPa、20 ℃條件下。

實驗室對比測試了純氣、氣水兩相共計20個點，測試氣量范圍10～130 m3/h(數據均取自工況流量)、液量范圍0～5 m3/h，每個點測試時長60 min，測試結果如圖4～圖6所示，取平均值計算，測試氣量誤差為-4.82%～3.40%，液量誤差為-8.47%～ 5.58%，測試結果滿足濕氣孔板流量計精度。

2.2 現場準確性驗證

實驗室條件下的氣體組分、密度、壓力、溫度等條件和現場工況存在差別，實驗室條件下校準的氣液兩相流量計不一定適用于天然氣生產現場[6-7]。為了驗證該氣液兩相流量計量裝置在油氣田工況下的準確性，2019年4月將其安裝在天然氣生產井場，與傳統兩相分離器進行了對比測試，以驗證裝置的準確性。

2.2.1現場試驗流程

天然氣井采用兩套設備串聯同時計量，目的是消除不同工況和環(huán)境對計量結果的影響。先接入氣液兩相流量計，其出口接入傳統兩相分離器流量計量橇，以消除氣液分離對氣液兩相流計量的影響。

具體的地面工藝流程如圖7所示：井口→地面現有孔板差壓流量計→移動計量接口→氣液兩相流量計→傳統兩相分離器→移動計量接口→下游天然氣生產工藝管線。采用2個移動計量口來串接2套計量設備，既不影響本井和鄰井的生產狀況，也不會附加任何安全隱患。

2.2.2現場試驗工況

選取的3口井的壓裂試氣和生產數據見表2，返排率為28.42%～45.43%，可見有大量的壓裂液殘留在地層中。氣量為(0.65～8.45)×104m3/d，水氣比為0.0～0.2 m3/104m3，從高氣量到低氣量均有所覆蓋。

表2 試驗井壓裂生產數據井號壓裂液量/m3返排率/%初始無阻氣量/(104m3·d-1)目前氣量/(104m3·d-1)生產管柱外徑/mmY3-H62 292.728.4261.445.3388.9+114.3Y4-D2301.334.689.588.4573.02Y4-D3341.645.431.280.6573.02

表3 現場對比試驗結果統計表井號兩相分離器計量濕氣流量計計量日產氣量/104 m3日產水量/m3水氣比/m3·(104 m3)-1日產氣量/104 m3日產水量/m3水氣比/(m3·(104 m3)-1)Y3-H65.331.360.2555.401.100.204Y4-D28.451.110.1308.701.150.130Y4-D30.650.050.0770.700.060.086

2.2.3現場試驗結果

3口井的測試結果見表3。以Y3-H6井為例，兩相分離器流量計測試結果為日產氣量5.33×104m3、日產水量1.36 m3、水氣比0.255 m3/104m3，在線濕氣流量計測試結果為日產氣量5.40×104m3、日產水量 1.10 m3、水氣比0.204 m3/104m3，差別分別為1.31%、-19.12%、-20.00%。另外兩口井的濕氣流量計與分離器流量計關于氣、水、水氣比的計量結果差別分別為2.96%、3.60%、0.00%和7.69%、20.00%、-11.69%?？梢?氣相測量非常接近，差別小于7.70%，而液量由于基數低，因此即使液量測量的絕對誤差很小為0.01 m3，其相對誤差的數值(+20%)也顯得較高?？紤]到作為基準的兩相分離器液量數據偏低(部分產水會由于加熱爐加熱變?yōu)檎羝由戏蛛x器氣液分離效果的因素，會有少量液量進入分離器氣路，導致其液量測量偏低)，加上濕氣計量難度較大，此井叢自動選井氣液兩相流量計液量精度能夠滿足現場工況的測量要求。這個測量精度與文獻[8]～文獻[10]中涉及的濕氣流量計氣液相計量相對誤差值很接近。

圖8和圖9所示為兩套設備對Y3-H6井和Y4-D3井氣量的計量值。由圖8、圖9可以看出，兩種計量結果比較接近，氣液兩相流量計測試結果略大于傳統兩相分離器，原因在于傳統分離器氣液不是完全分離，測試實際天然氣密度大于計算干氣天然氣密度。

根據孔板流量計量公式(6)，傳統分離器上測試結果要比實際偏小。氣液兩相流測試采用實際天然氣密度測試，測試結果大于傳統分離器。

從總體上看，兩種設備測量結果接近，波動趨勢一致，氣液兩相流量計量結果準確可靠。此氣液兩相流量計量裝置可以為現場作業(yè)人員研究氣井出液趨勢和生產動態(tài)提供數據支持。

2.2.4現場試驗改進與創(chuàng)新

在現場試驗時發(fā)現，氣液兩相流測試的實時水量波動較大，與測試溫度變化趨勢相近，測試溫度對氣液兩相流量計水計量影響較大。為此，采用石墨烯加熱恒溫系統，其石墨烯發(fā)熱元件采用PID控制，加熱均勻、效率高、功耗低，探頭在恒溫下工作、計數率穩(wěn)定，消除氣液比傳感器的溫度效應的效果很好。

2.3 現場應用及評價

選擇Y8井臺作為現場應用井臺，此井臺在投產初期沒有在采氣流程中安裝現場流量計，無法監(jiān)測氣井生產動態(tài)，于是決定將井叢自動選井氣液兩相流量計量裝置應用到井臺。采用符合API SPEC 5CT-2018《石油和天然氣工業(yè)用套管和油管規(guī)范》要求的卡箍式油管連接，圖10為現場連接流程圖，圖11為集成計量橇現場安裝照片。井臺上的4口井從移動計量口引出，通過卡箍式油管連接至選井多路閥，選擇待計量井，并使其流體流經氣液兩相流量計，實現在線不分離計量，計量之后通過另一個移動計量口返回生產流程。其他未計量3口井井內流體通過多路閥旁通直接流回生產流程。

在投產半年之后，為Y8井臺單井安裝了差壓式孔板流量計，實現了單井氣流量的計量。圖12為現場使用井叢自動選井氣液兩相流量計測試的氣量水量和現場流量計氣量的對比圖。從圖12中可以看出，現場差壓式流量計不能計量水量。不出液時，氣量的趨勢和氣液兩相流量計一致，最大差別為7.7%；出液時，氣液兩相流量計能計量瞬時出液量，且氣量有減小的趨勢。在實際應用中，當有出液顯示時，通過氣液兩相流量計集成橇上的取樣器取樣得到相應的液體樣品[11]，從側面驗證了液體計量的準確性。

3 結論

(1) 研發(fā)的氣液兩相流量裝置利用伽馬射線吸收技術測量氣液比、利用孔板流量計測量總流量，結合PVT模型、專用氣液兩相數學模型等，完成實時、在線不分離測量氣井產出天然氣量和液量，測量精度高。

(2) 通過實驗室和天然氣井現場對其準確性進行了驗證。在實驗室條件下，氣相與液相的測量誤差分別為-4.82%、-8.47%。氣井現場和兩相分離器計量結果對比，結果顯示氣相、液相測量的結果相對差別分別為7.69%、20.00%，滿足現場工況的測量要求。

(3) 井叢自動選井氣液兩相流量計在氣井現場可實現無人值守、自動選井倒井、運行穩(wěn)定，實現了數字化、遠程控制計量，自動化程度高、無線數據遠傳，實現了井叢單井輪流、實時在線氣液兩相監(jiān)測?？梢詾橛蜌馓镄袠I(yè)提供準確的氣液兩相流計量，也可以服務于泡排、柱塞、速度管等排水采氣措施的綜合評價，可為天然氣井生產動態(tài)的監(jiān)測和管理提供準確參數，更好地服務于地質分析及氣藏管理。