桂 捷 張春濤 郭風(fēng)軍 張 沂 曾 萍 王 惠

(1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室3.中國石油長慶油田公司第一采氣廠)

0 引 言

蘇里格氣田為典型“三低”氣田，因低成本開發(fā)模式，氣井采用井間串接、井口簡易孔板流量計(jì)計(jì)量濕氣，單井無液相計(jì)量，且氣相測量誤差較大[1]。為核實(shí)氣井氣液產(chǎn)量并掌握氣井出液規(guī)律，現(xiàn)場采用分離計(jì)量裝置定期對部分井進(jìn)行氣液兩相計(jì)量測試[2-3]，成本高，無法長時(shí)間、大面積應(yīng)用。氣井生產(chǎn)中后期普遍需采取排水采氣措施，柱塞氣舉技術(shù)因排水效果好，自動(dòng)化程度高，已成為蘇里格氣田排水采氣主體技術(shù)并進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用[4-5]。柱塞氣舉井生產(chǎn)中，存在運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不合理、柱塞系統(tǒng)發(fā)生各類故障等情況，導(dǎo)致無法有效排除井筒積液；因無實(shí)時(shí)產(chǎn)液數(shù)據(jù)，無法及時(shí)精確進(jìn)行工況診斷及調(diào)參，影響排水采氣效果?，F(xiàn)場急需一種低成本氣液兩相不分離在線計(jì)量技術(shù)。

近10余年國內(nèi)外開展了大量氣液兩相不分離計(jì)量技術(shù)研究[6-14]，根據(jù)其測量原理主要分為以下三類：第一類是節(jié)流式流量計(jì)結(jié)合相含率傳感器組合測量，如蘭州海默公司的“文丘里+伽馬射線”氣液兩相流量計(jì)，該類技術(shù)測量精度相對較高，但裝置成本高，在海上平臺有一定應(yīng)用，在國內(nèi)陸地氣田主要開展氣井氣液兩相移動(dòng)測試服務(wù)；第二類是采用不同節(jié)流件測量兩個(gè)或多個(gè)差壓，根據(jù)不同差壓與含液體積分?jǐn)?shù)組合測量，如天津大學(xué)的雙差壓式氣液兩相流量計(jì)，該類技術(shù)還處于試驗(yàn)完善階段；第三類是采用不同類型單相流量計(jì)組合測量，如節(jié)流式流量計(jì)與超聲波流量計(jì)組合，節(jié)流式流量計(jì)與渦街流量計(jì)組合等。

為解決氣井氣液兩相計(jì)量問題，中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院研發(fā)了一種渦街節(jié)流式氣液兩相流量計(jì)。通過試驗(yàn)表明，該流量計(jì)測量數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反應(yīng)氣井生產(chǎn)過程中氣液流量變化規(guī)律，可有效指導(dǎo)柱塞氣舉井工況診斷及制度優(yōu)化，保證排水采氣效果。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

渦街節(jié)流式氣液兩相流量計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1。在測量管中，渦街流量計(jì)旋渦發(fā)生體同時(shí)作為節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流元件，實(shí)現(xiàn)兩種流量計(jì)測量管一體化設(shè)計(jì)，保證了兩種流量計(jì)在同一壓力和溫度系統(tǒng)下測量，同時(shí)降低了該氣液兩相流量計(jì)整體長度；旋渦發(fā)生體為三角柱結(jié)構(gòu)，流體通過后在其后產(chǎn)生旋渦；將測量溫度信號的熱電阻和測量旋渦頻率信號的壓電芯片一體化封裝，組成頻率溫度傳感器，避免單獨(dú)開孔安裝溫度傳感器探頭對旋渦頻率測量的影響，且減少管道開孔，測量管結(jié)構(gòu)見圖2。差壓流量變送器在EJA110E型差壓傳感器基礎(chǔ)上二次開發(fā)，內(nèi)置流量計(jì)算模塊，通過取壓管同時(shí)測量差壓和靜壓，并接收頻率溫度變送器信號，實(shí)現(xiàn)氣液兩相流量計(jì)算及顯示。

1—測量管；2—頻率溫度變送器；3—取壓閥；4—差壓流量變送器；5—信號線；6—取壓管。

圖2 測量管結(jié)構(gòu)圖

1.2 測量原理

渦街流量計(jì)通過測量旋渦發(fā)生體后的旋渦頻率信號實(shí)現(xiàn)流量測量，節(jié)流式流量計(jì)通過測量節(jié)流件前后的差壓實(shí)現(xiàn)流量測量，將兩種流量計(jì)組合同時(shí)測量濕氣，理論上可實(shí)現(xiàn)濕氣氣液混合流體密度的測量，再根據(jù)已知的氣液單相密度可得出氣液兩相流量[15]。因管道中氣液兩相流體存在流速差，所以得出的氣液流量與實(shí)際流量不一致，但能反映變化趨勢。采用室內(nèi)空氣-水兩相流試驗(yàn)平臺對理論模型測量結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)修正，建立氣液兩相流量測量修正模型，見式(1)和式(2)。該氣液兩相流量計(jì)的測量精度理論上取決于修正系數(shù)的準(zhǔn)確度，由于室內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)及工況與氣井現(xiàn)場介質(zhì)及工況存在差異，所以測量模型直接應(yīng)用于氣井現(xiàn)場可能會(huì)導(dǎo)致測量誤差增大。

(1)

(2)

式中：qv為渦街流量計(jì)測量流體體積流量，m3/h；ql、qg分別為液相體積流量和氣相體積流量，m3/h；kl、kg分別為液相和氣相體積流量修正系數(shù)，無量綱；ρ、ρl、ρg分別為流體平均密度、液相密度和氣相密度，kg/m3。

流體平均密度計(jì)算式為：

(3)

式中：C為流出系數(shù)，無量綱；ε為膨脹系數(shù)，無量綱；AD為測量管內(nèi)截面積，m2；Ad為旋渦發(fā)生體處流通面積，m2；Δp為差壓，MPa。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺與流程

平臺試驗(yàn)介質(zhì)為空氣和水，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力1.6 MPa，實(shí)際運(yùn)行壓力為1.2 MPa以下；空氣流量調(diào)節(jié)范圍0～700 m3/h，采用孔板流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)量，準(zhǔn)確度為1.5級；水流量調(diào)節(jié)范圍0～8 m3/h，采用科氏質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)量，準(zhǔn)確度1.0級；氣液兩相流量計(jì)長度為650 mm，測量管內(nèi)徑為25 mm。試驗(yàn)流程為：空氣、水單獨(dú)計(jì)量后混合，混合液流經(jīng)氣液兩相流量計(jì)計(jì)量，測試一段時(shí)間內(nèi)兩相流量計(jì)測量的氣液累計(jì)流量誤差。試驗(yàn)平臺流程見圖3。

圖3 室內(nèi)空氣-水兩相流試驗(yàn)平臺流程圖

2.2 試驗(yàn)步驟

通過快速調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥模擬柱塞氣舉井出液工況開展室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程為：首先將空氣流量調(diào)節(jié)至一固定值，然后快速調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥，使水流量快速增大后快速減小，期間系統(tǒng)壓力在0.6～1.0 MPa波動(dòng)，累計(jì)持續(xù)4 min左右，記錄這期間孔板流量計(jì)的累計(jì)氣量和質(zhì)量流量計(jì)的累計(jì)水量，根據(jù)氣液兩相流量計(jì)的累計(jì)氣量和累計(jì)水量，計(jì)算氣液兩相流量計(jì)測量誤差。共測試了空氣流量在200、400和600 m3/h，水流量在0～5 000 L/h和0～8 000 L/h時(shí)的6種不同工況，其中空氣200 m3/h、水0～8 000 L/h工況下的氣水瞬時(shí)流量變化情況如圖4所示。

圖4 空氣200 m3/h、水0～8 000 L/h工況下氣液兩相流量的變化曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可看出：空氣累計(jì)流量誤差均在4%以內(nèi)，且全為負(fù)誤差；水累計(jì)流量誤差均在6%內(nèi)，且全為正誤差。測試誤差較小原因?yàn)?，該氣液兩相流量?jì)測量修正模型是在該試驗(yàn)平臺工況覆蓋內(nèi)試驗(yàn)得出，如超出該試驗(yàn)平臺工況范圍，該氣液兩相流量計(jì)誤差可能會(huì)增大。

表1 氣液兩相流量計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為驗(yàn)證該氣液兩相流量計(jì)在柱塞氣舉井測量性能，2019—2020年在蘇里格氣田蘇東南區(qū)塊柱塞氣舉井開展了6口井的現(xiàn)場試驗(yàn)?，F(xiàn)場與室內(nèi)試驗(yàn)的氣液兩相流量計(jì)規(guī)格型號一致。

3.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程見圖5，將井口原孔板流量計(jì)與外輸閘閥之前直管段拆除，用3根高壓軟管串聯(lián)渦街節(jié)流式氣液兩相流量計(jì)和分離計(jì)量裝置，以分離計(jì)量裝置為標(biāo)準(zhǔn)裝置，來考量氣液兩相流量計(jì)測量誤差。分離計(jì)量裝置為多管束旋流分離器[3]，氣液分離后氣相采用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)計(jì)量，精度1.5級。液相采用磁浮子液位計(jì)測量液位，精度1 mm，折合體積0.2 L。氣液分離計(jì)量后混合外輸至采氣管線。

圖5 氣液兩相流量計(jì)現(xiàn)場試驗(yàn)流程

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該氣液兩相流量計(jì)氣量測量誤差均在5%內(nèi)，5口井液量測量誤差在25%內(nèi)，1口井因產(chǎn)液太少液量誤差大。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 氣液兩相流量計(jì)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

以靖56-56井試驗(yàn)為例。2019年8月在該井開展現(xiàn)場試驗(yàn)，生產(chǎn)制度為關(guān)2開4，生產(chǎn)油壓2.8 MPa左右，日產(chǎn)氣20 000 m3左右，日產(chǎn)液500 L左右，共測試了3個(gè)開井生產(chǎn)周期，氣液兩相流量計(jì)計(jì)量氣液流量曲線見圖6，測試數(shù)據(jù)見表3。

圖6 靖56-56井氣液瞬時(shí)流量曲線

從圖6及表3可以看出：柱塞氣舉井生產(chǎn)特征明顯，分為3個(gè)階段；第一階段，開井后柱塞上行段，該階段氣井基本不出液，瞬時(shí)氣量下降較快，氣液兩相流量計(jì)氣量測量誤差基本在5%以內(nèi)；第二階段，柱塞到達(dá)井口排液段，基本為段塞流，持續(xù)時(shí)間1～2 min，瞬時(shí)液量最大能達(dá)10 000 L/h以上，該階段氣液兩相流量計(jì)液量測量誤差均在20%內(nèi)，因累計(jì)氣量基數(shù)小，氣量測量誤差大于5%，但對整個(gè)生產(chǎn)周期累計(jì)氣量誤差影響不大；第三階段，排液后氣井續(xù)流階段，該階段依靠氣井自身能量攜液，氣井出液時(shí)瞬時(shí)液量很小，氣液兩相流量計(jì)測量氣量誤差小于5%，液量誤差較大，最大達(dá)-35.9%。測試的每個(gè)開井生產(chǎn)周期，累計(jì)氣量誤差均在5%內(nèi)，累計(jì)液量誤差均在25%內(nèi)。

表3 靖56-56井氣液兩相流量計(jì)測試情況統(tǒng)計(jì)表

由圖6瞬時(shí)液量曲線可以看出，瞬時(shí)液量出現(xiàn)短暫大液量段，基本為段塞流，表明柱塞到達(dá)井口并順利排除液塞，可判定柱塞生產(chǎn)制度合理、運(yùn)行正常。

3.4 誤差原因分析

通過分析，氣液兩相流量計(jì)現(xiàn)場試驗(yàn)液量測量誤差較大的原因主要有：①氣井產(chǎn)出濕氣介質(zhì)與室內(nèi)試驗(yàn)流體介質(zhì)成分及物性差異大；②因室內(nèi)試驗(yàn)平臺條件限制，試驗(yàn)流體流量和壓力等工況無法覆蓋現(xiàn)場氣井實(shí)際生產(chǎn)工況；③氣井出液中凝析油含率變化大，即密度變化大，而流量計(jì)輸入液體密度為區(qū)塊產(chǎn)液平均密度；④低含液率工況下流體平均密度與氣相密度差值很小，導(dǎo)致液量相對誤差大。

氣液兩相流量計(jì)測量曲線能準(zhǔn)確反應(yīng)柱塞氣舉井出液規(guī)律，通過瞬時(shí)液量曲線觀察是否出現(xiàn)4 000 L/h以上大液量段，可有效判斷柱塞運(yùn)行工況，為柱塞井工況診斷及制度優(yōu)化提供準(zhǔn)確依據(jù)。

4 結(jié)論與建議

(1)因室內(nèi)空氣-水兩相流試驗(yàn)平臺工況及介質(zhì)與現(xiàn)場氣井生產(chǎn)工況及介質(zhì)的差異性，該流量計(jì)通過該試驗(yàn)平臺得出的測量模型直接應(yīng)用于氣井現(xiàn)場，會(huì)導(dǎo)致測量誤差增大。下一步可利用中壓天然氣-水兩相流測試平臺，對該流量計(jì)測量模型進(jìn)行測試校準(zhǔn)；同時(shí)加強(qiáng)氣井產(chǎn)液取樣分析，提高流量計(jì)輸入液相密度準(zhǔn)確性，降低該流量計(jì)氣井現(xiàn)場測量誤差。

(2)柱塞氣舉井瞬時(shí)液量變化范圍大，但生產(chǎn)特征明顯，該流量計(jì)能較準(zhǔn)確地計(jì)量柱塞到達(dá)井口排液段液相流量，且產(chǎn)液計(jì)量曲線能準(zhǔn)確反應(yīng)柱塞氣舉井生產(chǎn)規(guī)律，通過判斷液相測量曲線是否出現(xiàn)大液量段，可有效評價(jià)柱塞氣舉井生產(chǎn)是否正常。

(3)建議將柱塞氣舉井氣液兩相計(jì)量數(shù)據(jù)與其他運(yùn)行參數(shù)有效結(jié)合，提高工況診斷及調(diào)參準(zhǔn)確性，提升柱塞氣舉井精細(xì)化、智能化管理水平。