劉丁發(fā) 張強(qiáng) 王輝

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在石油天然氣領(lǐng)域，濕氣主要指從井口直接產(chǎn)出，沒有經(jīng)過脫水處理和凝液回收的天然氣，通常主要由天然氣、水和輕質(zhì)烴類混合組成[1]。目前，在濕氣計(jì)量領(lǐng)域，尚沒有對(duì)“濕氣”中氣液含量的界定標(biāo)準(zhǔn)定義，不同機(jī)構(gòu)、企業(yè)和研究人員大多持不同意見，主要有兩種分類方式:一種為采用體積含氣率(GVF)或質(zhì)量含氣率(GMF)來界定，當(dāng)體積含氣率大于95%或98%且小于100%時(shí)認(rèn)為是濕氣；另一種由美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)提出，通過引入一個(gè)與氣液質(zhì)量流量和密度相關(guān)的Lockhart-Martinelli(L-M)參數(shù)來界定濕氣，當(dāng)L-M參數(shù)小于0.3時(shí)為濕氣兩相流[2-4]。

與常規(guī)天然氣開采相比，頁(yè)巖氣單井產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量以及氣井壓力都隨著開采時(shí)間的增加而逐漸降低。因此，需要對(duì)頁(yè)巖氣氣井產(chǎn)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)地了解地層動(dòng)態(tài)信息，科學(xué)評(píng)估氣井產(chǎn)能，為合理制定開采方案和生產(chǎn)決策的最優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)，而隨著我國(guó)頁(yè)巖氣大規(guī)模勘探開發(fā)，頁(yè)巖氣井口濕氣準(zhǔn)確計(jì)量的需求也越來越大。當(dāng)前，頁(yè)巖氣大都采用平臺(tái)化的叢式井組方式進(jìn)行開采，在平臺(tái)進(jìn)行氣液分離后再通過集氣管線輸至集氣增壓站或大型集氣處理中心，在地面計(jì)量工藝方面，主要采用單井氣液分離的連續(xù)計(jì)量方式，即每個(gè)氣井都配置有氣液分離裝置，以及氣相計(jì)量?jī)x表和液相計(jì)量?jī)x表，這種方式可以滿足對(duì)單個(gè)頁(yè)巖氣氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)需求，但地面建設(shè)投入成本高，占地面積大。與傳統(tǒng)的單井氣液分離計(jì)量方式相比，采用濕氣流量計(jì)進(jìn)行氣液不分離計(jì)量，并在完成平臺(tái)各單井計(jì)量后共用一套氣液分離工藝，即可實(shí)現(xiàn)單井的實(shí)時(shí)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)氣液分離集輸?shù)男枰?，?duì)于油氣田頁(yè)巖氣開采具有較為明顯的降本增效優(yōu)勢(shì)[4-6]。

鑒于濕氣流量計(jì)在頁(yè)巖氣井口產(chǎn)量監(jiān)測(cè)和降低地面計(jì)量工藝建設(shè)成本方面的重要性，有必要對(duì)濕氣流量計(jì)的性能進(jìn)行科學(xué)有效的測(cè)試評(píng)價(jià)，以確保其滿足頁(yè)巖氣生產(chǎn)需要。本研究依托自主設(shè)計(jì)研制的兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試橇，選擇現(xiàn)有市場(chǎng)上具有代表性的濕氣流量計(jì)，在典型的頁(yè)巖氣氣井對(duì)濕氣流量計(jì)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

1 頁(yè)巖氣井口濕氣測(cè)量特點(diǎn)

頁(yè)巖氣是蘊(yùn)藏于頁(yè)巖層可供開采的非常規(guī)天然氣資源，其本身并不含水或其他輕質(zhì)烴類，而頁(yè)巖氣氣井產(chǎn)氣的含液特性主要是開采時(shí)對(duì)地質(zhì)巖層改造而大量使用壓裂液的返排，因此其生產(chǎn)特征非常明顯。通常來說，頁(yè)巖氣的開采周期可分為4個(gè)階段，其中排液生產(chǎn)初期一般持續(xù)45天左右，其井口壓力可達(dá)到26～40 MPa，產(chǎn)氣量為(25～30)×104m3/d，產(chǎn)液量為200～500 m3/d；而后進(jìn)入產(chǎn)量和壓力快速衰減的正常生產(chǎn)早期，井口壓力降至10～26 MPa左右，產(chǎn)氣量降為(10～25)×104m3/d，產(chǎn)液量降為20～200 m3/d；約8個(gè)月后，產(chǎn)量和壓力進(jìn)入緩慢衰減的生產(chǎn)中期，井口壓力降至5～10 MPa，產(chǎn)氣量降為(5～25)×104m3/d，產(chǎn)液量降為2～20 m3/d；1～2年后，井口壓力和氣液流量進(jìn)一步降低，進(jìn)入生產(chǎn)末期，井口壓力降至5 MPa以下，產(chǎn)氣量降至2×104m3/d以下，產(chǎn)液量降至2 m3/d以下[7-8]。

表1 頁(yè)巖氣井口生產(chǎn)工況特點(diǎn)生產(chǎn)階段時(shí)間井口壓力/MPa產(chǎn)氣量/(104 m3·d-1)產(chǎn)液量/(m3·d-1)生產(chǎn)初期0～45天26～4025～30200～500生產(chǎn)早期45天～8個(gè)月10～265～2520～200生產(chǎn)中期8個(gè)月～2年52～101～10生產(chǎn)末期2年以后≤5≤2≤1

從頁(yè)巖氣的整個(gè)生產(chǎn)周期可以看出，與濕氣流動(dòng)狀態(tài)極為相關(guān)的壓力、流量和氣液含率隨著開采時(shí)間的增加持續(xù)快速衰減，要實(shí)現(xiàn)井口氣液產(chǎn)量的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)濕氣流量計(jì)不同濕氣流態(tài)的適應(yīng)性，以及適用壓力范圍、氣液測(cè)量準(zhǔn)確度和量程比等技術(shù)性能特征指標(biāo)有較高要求。

2 濕氣流量計(jì)頁(yè)巖氣井口測(cè)試評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)工藝流程設(shè)計(jì)

頁(yè)巖氣井口測(cè)試評(píng)價(jià)主要依托“兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試橇”開展實(shí)驗(yàn)，比對(duì)測(cè)試橇安裝流程示意圖(見圖1)，橇裝整體作為頁(yè)巖氣生產(chǎn)平臺(tái)原有計(jì)量工藝的旁路安裝在“平臺(tái)除砂器”和“平臺(tái)氣液分離器”之間，被測(cè)試評(píng)價(jià)濕氣流量計(jì)安裝在“兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試橇”的“氣液分離器”上游，“氣液分離器”下游安裝有參比標(biāo)準(zhǔn)氣相和液相計(jì)量?jī)x表。

測(cè)試時(shí)，關(guān)閉閥門V2，打開閥門V1和V3，頁(yè)巖氣井口濕氣經(jīng)“平臺(tái)除砂器”后流經(jīng)被測(cè)濕氣流量計(jì)，而后經(jīng)氣液分離器進(jìn)行氣液分離，氣相和液相分別流經(jīng)參比標(biāo)準(zhǔn)氣相和液相儀表進(jìn)行流量測(cè)量，測(cè)量完成后混合返回頁(yè)巖氣原生產(chǎn)平臺(tái)工藝的“平臺(tái)氣液分離器”上游，也可通過調(diào)節(jié)閥門V2的開度來調(diào)整流經(jīng)“兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試橇”的氣液總流量，最終通過對(duì)比被測(cè)濕氣流量計(jì)與參比標(biāo)準(zhǔn)氣相和液相儀表的測(cè)量結(jié)果來評(píng)估其性能特征。

“兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試橇”整體采用DN80 mm管道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)標(biāo)況(20 ℃，101.325 kPa)最大流量為30×104m3/d，以頁(yè)巖氣井口5.0 MPa的計(jì)量壓力換算，工況流量約為250 m3/h；參比標(biāo)準(zhǔn)氣相儀表采用規(guī)格型號(hào)為DN100 mm口徑的高級(jí)孔板閥，根據(jù)實(shí)際流量大小進(jìn)行不同內(nèi)徑尺寸孔板的選用；參比標(biāo)準(zhǔn)液相儀表采用規(guī)格型號(hào)為DN25 mm口徑的電磁流量計(jì)，最大流量為17 m3/h。經(jīng)評(píng)定，“兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試橇”氣相測(cè)量不確定度為1.18%(k=2)，液相測(cè)量不確定度為0.62%(k=2)[9-11]。

2.2 被測(cè)濕氣流量計(jì)

濕氣流量計(jì)屬于近10年發(fā)展起來的新型濕氣不分離測(cè)量技術(shù)，目前市場(chǎng)上在研或已推廣應(yīng)用的濕氣流量計(jì)主要有兩種類型：一種是采用氣液含率測(cè)量手段結(jié)合單相計(jì)量?jī)x表，通過后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正模型來實(shí)現(xiàn)濕氣兩相流量的測(cè)量，氣液含率的測(cè)量方式通常有微波技術(shù)、射線技術(shù)和示蹤技術(shù)，這種類型的濕氣流量計(jì)相對(duì)來說技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大；另一種是基于流體流動(dòng)的連續(xù)性原理，采用2個(gè)或2個(gè)以上單相計(jì)量?jī)x表進(jìn)行組合的類型，利用不同單相測(cè)量?jī)x表對(duì)干氣測(cè)量結(jié)果相同，而對(duì)濕氣測(cè)量結(jié)果不同的規(guī)律，結(jié)合兩者測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析來實(shí)現(xiàn)氣液兩相含率的分辨和流量的推算，再通過測(cè)量模型的修正來實(shí)現(xiàn)濕氣兩相流量的測(cè)量，這種類型的濕氣流量計(jì)關(guān)鍵在于單相測(cè)量?jī)x表的選擇和后期測(cè)量模型的完善，相對(duì)來說技術(shù)實(shí)現(xiàn)較易，市場(chǎng)上應(yīng)用較多[12-15]。

本次選擇的被測(cè)濕氣流量計(jì)基于傳統(tǒng)文丘里的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，在測(cè)量管內(nèi)進(jìn)行二次節(jié)流，形成兩級(jí)差壓測(cè)量，屬于采用2個(gè)單相計(jì)量?jī)x表組合的類型，通過兩級(jí)差壓信號(hào)隨氣液兩相流量變化的關(guān)系，建立相應(yīng)的測(cè)量模型實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液兩相流量的測(cè)量。被測(cè)濕氣流量計(jì)設(shè)計(jì)口徑為DN80 mm，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，氣相工況測(cè)量范圍為30～150 m3/h，液相測(cè)量范圍為0～4 m3/h，廠家宣稱測(cè)量相對(duì)示值誤差為氣相±5%、液相±10%。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選擇處于生產(chǎn)早期的瀘州某頁(yè)巖氣生產(chǎn)平臺(tái)，通過井口節(jié)流降壓后計(jì)量壓力為3.7～5.3 MPa，最大產(chǎn)量為16×104m3/d，測(cè)試流量根據(jù)被測(cè)試濕氣流量計(jì)的氣液流量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，整體以氣相流量調(diào)節(jié)為主，在產(chǎn)氣量分別為16×104m3/d、10×104m3/d和5×104m3/d 3種工況條件下進(jìn)行測(cè)試，液相流量隨氣相調(diào)節(jié)而跟隨變化。

以每日8:00至次日8:00之間的日累積計(jì)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)評(píng)價(jià)，3種流量工況的測(cè)試時(shí)間各5天，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程的所有數(shù)據(jù)記錄均采用“兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試橇”配置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)采集。

以參比標(biāo)準(zhǔn)儀表氣液兩相的日累計(jì)流量為標(biāo)準(zhǔn)量值，通過比對(duì)被測(cè)濕氣流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果偏差進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。氣相評(píng)價(jià)指標(biāo)主要參考Q/SY 1858-2015《頁(yè)巖氣地面工程設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)置，單井氣計(jì)量屬于三級(jí)計(jì)量系統(tǒng)，氣相準(zhǔn)確度應(yīng)在±10%以內(nèi)[16]；液相流量主要用于了解壓裂液返排情況和生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整，尚無明確技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合生產(chǎn)需求，準(zhǔn)確度暫定為優(yōu)于±30%。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 測(cè)試氣相流量為16×104m3/d時(shí)，實(shí)際井口計(jì)量壓力為3.7～5.2 MPa，氣相標(biāo)況流量為(16.2～16.6)×104m3/d，氣相工況流量約為133 m3/h，液相流量為20.1～22.5 m3/d。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，被測(cè)濕氣流量計(jì)氣相偏差為-0.16%～0.82%，液相偏差為-17.95%～-8.33%，氣液均滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

(2) 測(cè)試氣相流量為10×104m3/d時(shí)，實(shí)際井口計(jì)量工況壓力為4.5～4.9 MPa，氣相標(biāo)況流量為(9.3～9.9)×104m3/d，氣相工況流量約為83 m3/h，液相流量為8.1～8.9 m3/d。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，被測(cè)濕氣流量計(jì)氣相偏差為-2.97%～-2.00%，液相偏差為-24.91%～-1.96%，氣液均滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

(3) 測(cè)試氣相流量為5×104m3/d時(shí)，實(shí)際井口計(jì)量工況壓力為4.4～5.1 MPa，氣相標(biāo)況流量為(4.9～5.1)×104m3/d，氣相工況流量約為40 m3/h，液相流量為0.0～3.0 m3/d。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，被測(cè)濕氣流量計(jì)氣相偏差為-6.07%～-5.14%，液相偏差為61.67%～96.49%，氣相滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，液相與評(píng)價(jià)指標(biāo)要求有較大差距。

不同工況下的氣相和液相測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果分別如圖2和圖3所示，在測(cè)試工況范圍內(nèi)，被測(cè)濕氣流量計(jì)的氣相偏差為-6.07%～0.82%，液相偏差為-24.91%～96.49%，氣相可以滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，液相在部分工況與評(píng)價(jià)指標(biāo)要求有較大差距，且隨著頁(yè)巖氣井口氣相和液相流量的降低，氣相測(cè)量結(jié)果偏差逐漸增大，而液相流量在較小產(chǎn)液量0.0～3.0 m3/d時(shí)測(cè)量偏差急劇增大。

3 結(jié)論與建議

依托頁(yè)巖氣生產(chǎn)平臺(tái)的實(shí)際工況，對(duì)市場(chǎng)上具有代表性的濕氣流量計(jì)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，濕氣流量計(jì)的實(shí)際測(cè)量性能與頁(yè)巖氣生產(chǎn)平臺(tái)的氣相和液相流量等工況條件極為相關(guān)，且在不同工況條件下性能波動(dòng)較大。

(1) 在濕氣流量計(jì)的被測(cè)流量范圍內(nèi)，部分工況氣相和液相的測(cè)量結(jié)果偏差與廠家宣稱的氣相為±5%和液相為±10%存在一定差距，且未能滿足暫定頁(yè)巖氣生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)要求，建議加強(qiáng)濕氣流量計(jì)的出廠測(cè)試評(píng)價(jià)，并參考常規(guī)干氣流量計(jì)引入分界流量來對(duì)不同流量范圍的測(cè)量技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。

(2) 隨著頁(yè)巖氣井口氣液流量的降低，被測(cè)濕氣流量計(jì)的氣液兩相流量偏差逐漸增大，在接近濕氣流量計(jì)流量測(cè)量下限時(shí)偏差最大，還需進(jìn)一步完善濕氣流量計(jì)在較小氣相和液相流量工況下的測(cè)量模型，或重新評(píng)估氣液兩相的最佳宣稱流量范圍。

(3) 油氣田公司應(yīng)根據(jù)頁(yè)巖氣生產(chǎn)需求，盡快制定明確的濕氣流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求，并對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上濕氣流量計(jì)的性能進(jìn)一步測(cè)試評(píng)價(jià)，以便確定濕氣流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用準(zhǔn)入條件，更好地實(shí)現(xiàn)井口濕氣流量的監(jiān)測(cè)，支撐頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的提質(zhì)增效。