李 然，劉興華，謝 奎

1中國(guó)石油浙江油田公司天然氣勘探開發(fā)事業(yè)部 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司試修公司

0 引言

頁巖氣作為一種新興能源，是一種儲(chǔ)量高、清潔、低碳的非常規(guī)天然氣，在能源消費(fèi)中占有越來越重要的地位，不過其開采技術(shù)還不成熟，仍有許多需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)，其中包括兩相流的有效計(jì)量問題[1-2]。目前基本采用分離式計(jì)量方式，利用兩相流體中各相的密度差異，通過物理方法將氣液進(jìn)行分離，之后通過單相儀器儀表和計(jì)量罐進(jìn)行計(jì)量，該系統(tǒng)笨重,體積較大，安裝周期長(zhǎng)，給工藝流程設(shè)計(jì)和施工都增加了很大難度,綜合成本高。隨著我國(guó)頁巖氣開采力度的加大和在“降本增效”的大背景下，非分離式的兩相流量計(jì)越發(fā)凸顯它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在降低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)采輸工藝優(yōu)化，不過頁巖氣井排采存在流量變化大、含砂量大、含水量高等特點(diǎn)，因此將非分離式兩相流量計(jì)成功應(yīng)用在頁巖氣采輸階段，仍需解決一系列問題。

美國(guó)和加拿大在多相流計(jì)量方面主流使用的多相流量計(jì)以文丘里與放射源聯(lián)合計(jì)量技術(shù)為主[3]，這套方案基本能夠滿足氣田對(duì)流量計(jì)量精度的要求，但是由于放射源存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，安全管理難度大，很難在國(guó)內(nèi)推廣。

近年來，隨著我國(guó)在人工智能等領(lǐng)域的突破，深度學(xué)習(xí)算法和多傳感器融合技術(shù)在多相流的計(jì)量領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[4]。本文提出一種將文丘里與電容層析成像技術(shù)相結(jié)合，配合深度學(xué)習(xí)算法對(duì)兩相流進(jìn)行精確計(jì)量并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示流動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)方案，開展了非分離式計(jì)量技術(shù)在頁巖氣排采中的應(yīng)用研究，通過現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了技術(shù)的可行性和適應(yīng)性，為解決頁巖氣開采中的兩相流計(jì)量難題，提供了技術(shù)支持。

1 計(jì)量原理

1.1 測(cè)量方法設(shè)計(jì)

非分離式兩相計(jì)量技術(shù)的核心特征在于將電容層析成像技術(shù)與文丘里相結(jié)合，應(yīng)用多級(jí)差壓技術(shù)獲取總流量，通過電容層析成像技術(shù)獲得流型和含氣率，最后通過深度學(xué)習(xí)算法將獲得的參數(shù)進(jìn)行修正，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)不同流型的兩相流動(dòng)提供精確測(cè)量。

1.2 多級(jí)差壓文丘里技術(shù)

利用伯努利方程和連續(xù)性方程，文丘里管能夠?qū)蜗嗔鬟M(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量，具體計(jì)算公式如下[5]：

(1)

式中：W—質(zhì)量流量，kg/h；ε—流體可膨脹系數(shù);Cd—流出系數(shù);β—節(jié)流系數(shù)，即文丘里管節(jié)流孔徑和管道孔徑之比；D—文丘里管節(jié)流孔徑，mm；Δp—單相流體通過節(jié)流裝置后的壓差，kPa；ρ—單相流體密度，kg/m3。

對(duì)于氣液兩相流來說，其在管道中流動(dòng)時(shí)兩相的速度基本是不相等的，通過節(jié)流裝置時(shí)的差壓Δp由節(jié)流裝置的節(jié)流作用和兩相之間的摩擦作用共同組成，因此導(dǎo)致差壓值比相同流量的單相流體單獨(dú)流過時(shí)偏大，相應(yīng)的計(jì)算出的流量也大于實(shí)際流量，這一現(xiàn)象被稱為“虛高”[6-7]，為了能夠得到通過文丘里管的實(shí)際流量，分別引入Lockhart-Martinelli參數(shù)(L-M參數(shù))X和無量綱虛高修正參數(shù)φ，其表達(dá)式為[8-9]：

(2)

(3)

式中：Wtp—虛高流量，kg/h;W—實(shí)際流量，kg/h；Δptp—兩相流通過文丘里管產(chǎn)生的差壓，kPa;Δp—單相流通過文丘里管產(chǎn)生的差壓，kPa；Wl—液相流量,kg/h;Wg—?dú)庀嗔髁?，kg/h；ρg—?dú)庀嗝芏?，kg/m3；ρl—液相密度，kg/m3。

根據(jù)Chisholm[10]等人的研究，虛高修正系數(shù)φ和L-M參數(shù)存在如下關(guān)系:

(4)

式中：C—根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的系數(shù)。

將式(1)和式(4)聯(lián)立得到：

(5)

式中：Z—與截面含氣率相關(guān)的無量綱參數(shù)，截面含氣率可以通過電容層析成像信號(hào)進(jìn)行擬合。

1.3 電容層析成像技術(shù)

電容層析成像技術(shù)(Electrical Capacitance Tomography，簡(jiǎn)稱ECT)是一種非侵入式的斷層層析成像技術(shù)[11]，其主要工作原理為：不同的物質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的介質(zhì)分布發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起介電常數(shù)的變化，同時(shí)造成分布在被測(cè)物質(zhì)表面的電容傳感器陣列極板間的電容值變化，通過圖像重建算法進(jìn)行求解，得到被測(cè)物質(zhì)內(nèi)介電常數(shù)的變化情況。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁層析成像原理

圖1(a)兩相流量計(jì)中的電磁成像結(jié)構(gòu)，8個(gè)電極板結(jié)構(gòu)均勻分布在管道表面，圖1(b)管道成像區(qū)域經(jīng)三角有限元?jiǎng)澐趾蟮拿舾袌?chǎng)分布，其和電容、介電常數(shù)有如下關(guān)系[12-13]：

Δε=(JTJ+αI)-1JTΔC

(6)

式中：Δε—介質(zhì)電學(xué)屬性分布的變化量；T—轉(zhuǎn)置矩陣；J—敏感場(chǎng)分布矩陣；α—Tikhonov正則化系數(shù)；I—單位矩陣；ΔC—被測(cè)區(qū)域電容值的變化量。

根據(jù)圖像重建算法得到的管道內(nèi)流體分布情況如圖1(c)所示，同時(shí)也可以得到相對(duì)應(yīng)截面含氣率γ的計(jì)算公式為[14-15]：

(7)

式中：M—被測(cè)區(qū)域的像素?cái)?shù)；fj—第j個(gè)像素的灰度值；Aj—第j個(gè)像素的截面面積；A—傳感器的總截面面積。

通過聯(lián)立式(5)和式(7)可以求出氣相和液相流量，同時(shí)電學(xué)層析成像技術(shù)對(duì)兩相流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)及產(chǎn)量的變化準(zhǔn)確識(shí)別頁巖氣井的生產(chǎn)異常，對(duì)于產(chǎn)量變化較大的井能夠根據(jù)流型和深度學(xué)習(xí)算法對(duì)兩相流模型進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證較高的計(jì)量精度。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)過程

本次氣液兩相流量計(jì)(見圖2)選擇在威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊某井區(qū)的WH12平臺(tái)和WH38平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，兩處平臺(tái)的頁巖氣井分別處于開采的初期和末期，具有完全不同的測(cè)試井況，從而保證氣液兩相流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的可靠性，參與測(cè)試的設(shè)備參數(shù)如表1所示。

圖2 氣液兩相流量計(jì)

表1 設(shè)備參數(shù)

頁巖氣井在開采初期氣相和液相產(chǎn)量波動(dòng)都很大，在開采中末期產(chǎn)量基本趨于穩(wěn)定，因此為了試驗(yàn)兩相流量計(jì)的可靠性,本次選擇的兩個(gè)平臺(tái)的4口井主要以處于開采初期的井為主，每口井的歷史產(chǎn)量變化范圍如表2所示。

表2 測(cè)試井歷史信息

在兩相流量計(jì)的測(cè)試試驗(yàn)過程中，需要對(duì)氣液各相產(chǎn)量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量和井口流動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)展示，同時(shí)技術(shù)人員會(huì)將氣液分離后再進(jìn)行計(jì)量的各相產(chǎn)量作為標(biāo)準(zhǔn)值與兩相流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果進(jìn)行比較并計(jì)算相對(duì)偏差，每天分別在整點(diǎn)記錄氣相和液相累積值，本次測(cè)試試驗(yàn)在WH12平臺(tái)和WH38平臺(tái)分別記錄了15 d和30 d的數(shù)據(jù)。

兩相流量計(jì)的測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)在完成設(shè)備的調(diào)試后，開始記錄數(shù)據(jù)，使用孔板式流量計(jì)計(jì)量分離后的氣相累計(jì)流量，使用電磁流量計(jì)計(jì)量液相累計(jì)流量，將該氣、液流量數(shù)據(jù)作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)氣液兩相流量計(jì)在記錄時(shí)間段內(nèi)對(duì)參測(cè)井同時(shí)計(jì)量，并產(chǎn)生此時(shí)間段參測(cè)井的氣、液累計(jì)流量及溫度、壓力等參數(shù)，作為測(cè)量值。

(3)氣液兩相流量計(jì)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有計(jì)量設(shè)施數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過式(8)分別計(jì)算出各相相對(duì)偏差。

(8)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果表明，針對(duì)不同頁巖氣井的單井計(jì)量和多井混合計(jì)量，氣液兩相流量計(jì)的測(cè)量值均能與標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到較好的一致性，驗(yàn)證了氣液兩相流量計(jì)的計(jì)量精度及適用性。

圖3、圖4為WH12-6井氣相和液相日產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，除測(cè)試的第一天和最后一天，液相和氣相產(chǎn)量變化相對(duì)比較平穩(wěn)，符合頁巖氣井開采中期的產(chǎn)量特征。WH12-6井15 d日氣相偏差全部小于5%，液相偏差小于5%的數(shù)據(jù)占93.33%。

圖3 2020年WH12-6井氣相日產(chǎn)量趨勢(shì)圖

圖4 2020年WH12-6井液相日產(chǎn)量趨勢(shì)圖

圖5、圖6分別為WH38平臺(tái)氣相和液相日產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，從中可以看出，在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，氣相和液相的日產(chǎn)量一直波動(dòng)較大，同時(shí)由于部分時(shí)間段采用多井混合計(jì)量方式，更是加劇了產(chǎn)量的波動(dòng)，符合頁巖氣井開采初期的特點(diǎn)。

圖5 2020年WH38平臺(tái)氣相日產(chǎn)量趨勢(shì)圖

圖6 2020年WH38平臺(tái)液相日產(chǎn)量趨勢(shì)圖

WH38平臺(tái)3口井在測(cè)試期間除了單井計(jì)量外，還進(jìn)行了多井混合計(jì)量。30 d混合計(jì)量氣相日產(chǎn)量相對(duì)偏差小于5%的數(shù)據(jù)占總樣本96.67%，液相日產(chǎn)量相對(duì)偏差小于5%的數(shù)據(jù)占總樣本95.36%。

圖7、圖8為WH12-6和WH38平臺(tái)井氣相、液相日產(chǎn)量偏差，盡管兩處平臺(tái)的井況和產(chǎn)量存在較大差異，但是計(jì)量誤差的波動(dòng)范圍基本一致，說明兩相流量計(jì)面對(duì)不同的井況都能夠保證統(tǒng)一的精度。

圖7 2020年WH12平臺(tái)氣相和液相日產(chǎn)量偏差

圖8 2020年WH38平臺(tái)氣相和液相日產(chǎn)量偏差

本次試驗(yàn)測(cè)試同時(shí)驗(yàn)證了電學(xué)層析成像技術(shù)在流動(dòng)可視化方面的應(yīng)用，如圖9所示。圖中紅色部分代表液相，藍(lán)色部分代表氣相，介于紅色和藍(lán)色之間的顏色代表氣液混合物。從圖9中可以得到以下結(jié)論：氣液兩相在管道內(nèi)大部分時(shí)間不是均勻流動(dòng)，由于氣相和液相的速度和密度差異，液相基本貼著管壁流動(dòng)，氣相沿著管道軸心流動(dòng)，因此電學(xué)層析成像技術(shù)對(duì)管壁及液相的流動(dòng)變化更為敏感，實(shí)現(xiàn)了兩相流動(dòng)過程的可視化，為現(xiàn)場(chǎng)人員識(shí)別氣井段塞流、判定生產(chǎn)異常、直觀了解流動(dòng)狀態(tài)提供了新的技術(shù)手段。

圖9 流動(dòng)狀態(tài)可視化效果圖

3 結(jié)論

本次研究把非分離式的氣液兩相流量計(jì)引入頁巖氣的生產(chǎn)計(jì)量中，首次將長(zhǎng)頸喉文丘里技術(shù)和電學(xué)層析成像技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到生產(chǎn)一線，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)和適應(yīng)性分析，得出如下結(jié)論：

(1)采用文丘里多級(jí)差壓技術(shù)和電磁層析技術(shù)的非分離式氣液兩相流量計(jì)具有可靠性高、適用性廣的特點(diǎn)，在頁巖氣井處于高、中、低產(chǎn)液階段，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，計(jì)量精度較高，可適用于頁巖氣測(cè)試試采全作業(yè)周期，值得推廣使用。

(2)氣液兩相流量計(jì)提供頁巖氣多井組平臺(tái)單井秒級(jí)實(shí)時(shí)氣液流量、溫度、壓力等生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)，為頁巖氣田動(dòng)態(tài)生產(chǎn)安全管理提供可靠依據(jù)。

(3)氣液兩相流量計(jì)具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低廉、無人值守的特點(diǎn)，能夠替代現(xiàn)有體積龐大、造價(jià)昂貴的測(cè)試分離器，簡(jiǎn)化了工藝管線和管匯，從而為頁巖氣地面測(cè)試流程的優(yōu)化完善提供技術(shù)支撐。