呼 軍,李先兵,徐靜文,曹朋亮
(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠,陜西西安 710018;2.中華全國(guó)供銷合作總社西安生漆涂料研究所,陜西咸陽(yáng) 712000)
通常來說,經(jīng)過脫水、凈化和輕烴處理等天然氣處理工藝,提取出其中的液化氣和輕質(zhì)油后的天然氣稱之為干氣,未經(jīng)處理的天然氣多含有少量凝析水或油、飽和水蒸氣及輕烴類,含液量較高,稱之為濕氣。而濕氣的計(jì)量及分析技術(shù)較為復(fù)雜,操作極為困難,目前企業(yè)的實(shí)際單井氣量一般只能使用旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、孔板差壓流量計(jì)和等壓式單相流量計(jì)等來實(shí)時(shí)計(jì)量,受到天然氣出液的影響無法準(zhǔn)確計(jì)量氣井的氣液產(chǎn)量,導(dǎo)致系統(tǒng)無法時(shí)刻準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到各個(gè)氣井之間實(shí)際的生產(chǎn)氣動(dòng)態(tài),制約了氣井的科學(xué)、精細(xì)管理。目前單井產(chǎn)量計(jì)量與經(jīng)濟(jì)利益緊密相關(guān),產(chǎn)量計(jì)量數(shù)據(jù)也是氣田管理方深入了解氣井生產(chǎn)能力、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況等的一種重要輔助數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響到氣田成本控制措施和安全管理質(zhì)量水平,并會(huì)進(jìn)一步提升油氣貿(mào)易和交接過程計(jì)量結(jié)果的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。因此,提高濕氣計(jì)量工作的準(zhǔn)確性和可靠性越來越受到企業(yè)重視。為了掌握低滲致密氣藏在開發(fā)生產(chǎn)過程中的變化趨勢(shì),通過產(chǎn)量核實(shí)制定和驗(yàn)證間歇生產(chǎn)制度的合理性,并持續(xù)優(yōu)化調(diào)整,提出應(yīng)用多參量楔形流量計(jì)的井口流量監(jiān)測(cè)裝置,多參量流量變送器包括氣體、液體、過熱飽和蒸汽的流量公式,是一種高性能的流量計(jì)量方案。多參量變送器執(zhí)行的流量計(jì)算包括壓力和溫度補(bǔ)償以及更復(fù)雜的變量,如流量系數(shù)、熱膨脹、雷諾數(shù)和壓縮因子等,能夠適應(yīng)復(fù)雜井況并提高測(cè)量精度[1-3]。
蘇里格氣田屬于典型的“三低”致密氣藏,天然氣雜質(zhì)多、液量、流量范圍變化較大、計(jì)量難度高是氣井從項(xiàng)目建設(shè)初期發(fā)展到安全生產(chǎn)和后期治理都會(huì)普遍面臨的問題,隨著氣田大面積開展泡沫排水、柱塞氣舉等排水采氣工藝,氣井普遍實(shí)行間歇注水出液,瞬時(shí)流量的波動(dòng)比較大、流態(tài)情況復(fù)雜多變,大幅增加了對(duì)氣井井口流量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)難度。因此,目前所用的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、孔板流量計(jì)的局限性越來越大,存在故障率較高、測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、需要人工清洗等弊端,增加了勞動(dòng)成本且沒有達(dá)到降本增效的目的,已經(jīng)不能為智能化油氣田的管理提供合理的方案。
隨著油氣田數(shù)字化的快速發(fā)展,天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確度及可靠性越來越受人們的重視,計(jì)量需求也逐漸提高,如何克服影響計(jì)量準(zhǔn)確度的外在及內(nèi)在等因素就成為當(dāng)下急需解決的問題。目前認(rèn)為影響流量測(cè)量的因素主要有以下三點(diǎn):(1)管道內(nèi)濕氣流態(tài)因氣體壓力、流速、液體含量等的不同而不同,流態(tài)的情況也較為復(fù)雜;(2)濕氣計(jì)量時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及環(huán)境參數(shù)變化較大,如果計(jì)量所用的流量計(jì)選型不合理或不經(jīng)濟(jì),容易造成流量計(jì)測(cè)量精度跳變,不夠準(zhǔn)確,甚至?xí)斐闪髁坑?jì)的損壞,以致于流量計(jì)工作異常,提供錯(cuò)誤參考值;(3)目前大多數(shù)天然氣生產(chǎn)廠家的濕氣計(jì)量用流量計(jì)代替現(xiàn)場(chǎng)和離線計(jì)量檢測(cè),但一般用于檢定或校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室介質(zhì)及工況條件與實(shí)際介質(zhì)及工況條件有較大差異,不能作為流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量水平的判斷標(biāo)準(zhǔn)。近年來,雖然已經(jīng)研發(fā)出一些濕氣流量計(jì),但由于管道內(nèi)的流態(tài)多變,影響流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度,據(jù)最新實(shí)驗(yàn)研究,其計(jì)量誤差最大可達(dá)1.5%。
差壓流量計(jì)是目前最常見的一種流量計(jì),其原理是依靠能量守恒定律。通過一定方法使流體的靜壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,這時(shí)靜壓能相應(yīng)減少,從而使得流體前后內(nèi)部產(chǎn)生壓差,另一方面增大的動(dòng)能又與流量有著直接的關(guān)系,因此,可以通過建立壓差與流量間的物理關(guān)系得出對(duì)應(yīng)關(guān)系函數(shù)。從而可以通過壓力傳感器間接獲得壓差,測(cè)得流量。目前常見的能量轉(zhuǎn)換方法是在流體間加入一個(gè)節(jié)流件,這樣在節(jié)流件前后截面,流體的流速就會(huì)突然增大,從而達(dá)到增加流體動(dòng)能,減少靜壓能的目的。
楔形流量傳感器的檢測(cè)件是V 形楔形塊,見圖1。它的圓形頂角朝下,含懸浮顆粒(粉塵、泥沙及其他固體顆粒)流體和高黏度液體流過時(shí)在節(jié)流件上游不會(huì)產(chǎn)生滯流,也不會(huì)在節(jié)流件上、下游發(fā)生固體顆?;蝠こ砦锏姆e存,楔形塊采用硬質(zhì)合金堆焊等工藝,具有很強(qiáng)的耐腐蝕沖刷能力,適用于寬量程、高黏度、多殘?jiān)?、易沖刷磨損等復(fù)雜介質(zhì)的測(cè)量。楔形流量計(jì)的測(cè)量是建立在伯努利方程中的能量守恒方程和連續(xù)性方程的基礎(chǔ)上,即動(dòng)能與靜壓能的總和不變,流體通過楔形流量計(jì)時(shí),由于楔形塊的節(jié)流作用,在其上、下游產(chǎn)生了一個(gè)與流量值成平方關(guān)系的差壓,將此差壓從楔形塊兩側(cè)取壓口引出,送至差壓變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出,再經(jīng)多參量變送器計(jì)算,即可獲得流量值。
圖1 楔形流量計(jì)測(cè)量原理圖
因此,使用的一體化多參量楔形流量計(jì)集差壓傳感器、靜壓傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)算儀于一體,可配合差壓式節(jié)流檢測(cè)裝置(楔形)構(gòu)成一體化差壓流量計(jì)。多參量楔形流量計(jì)測(cè)量范圍寬、精度高(液體流量測(cè)量精度可達(dá)0.5 級(jí),氣體流量測(cè)量精度可達(dá)1.0 級(jí)),包括了氣體、液體、過熱飽和蒸汽的流量算法,抗干擾能力強(qiáng)。
近年來,我國(guó)天然氣行業(yè)迅速發(fā)展,在中高壓、大口徑流量的計(jì)量使用方面,孔板型流量計(jì)由于容易受到產(chǎn)品自身氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響而顯示出了其在某些場(chǎng)景應(yīng)用的局限性,楔形流量計(jì)更加適用于石油液化氣的流量計(jì)量,將目前使用最多的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、孔板流量計(jì)和新型楔形流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比,見表1。
表1 流量計(jì)對(duì)比
旋進(jìn)漩渦流量計(jì):旋進(jìn)漩渦流量計(jì)適用于干凈的氣體計(jì)量并不適合于含水計(jì)量,且在濕氣計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,在其抗硫、抗泥沙、冬天關(guān)停井管道結(jié)冰等工況中該流量計(jì)故障率比較突出。
孔板流量計(jì):孔板流量計(jì)適用于氣體測(cè)量范圍比較窄場(chǎng)景,氣井在早中晚生產(chǎn)過程中的氣體流量波動(dòng)范圍較大;由于天然氣中含油氣水及顆粒雜質(zhì),時(shí)間久會(huì)對(duì)孔板銳角線造成磨損,不能準(zhǔn)確反映節(jié)流裝置差壓信號(hào)并且孔板需要定期清洗及檢查。而天然氣計(jì)量條件差且管理運(yùn)維人員短缺,很難及時(shí)更換孔板及檢修。
楔形流量計(jì):楔形流量計(jì)變送器采用德國(guó)E+H 原裝進(jìn)口傳感器,質(zhì)量穩(wěn)定、可靠,節(jié)流件采用平衡孔板和一體化楔形節(jié)流元件,具有自適應(yīng)清潔特性,無滯流區(qū),壓損系數(shù)??;并且平衡孔板的左右兩端完全對(duì)稱,十分直觀方便的測(cè)量雙向流。同時(shí),楔形流量計(jì)采用結(jié)構(gòu)先進(jìn)的差壓變送器,并且系統(tǒng)自帶溫度漂移補(bǔ)償測(cè)量功能,極大地提高了楔形流量計(jì)的綜合抗干擾測(cè)量能力,安全耐用,非常適合蘇里格氣田井口復(fù)雜工況的濕氣計(jì)量。
楔形流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)如下:
(1)濕氣較干氣的不同點(diǎn)是相對(duì)密度變化除了與空氣溫度、壓力高低有關(guān)外,還直接與空間濕度分布有關(guān),雖然空間濕度變化對(duì)濕氣測(cè)量誤差的影響小于空氣的溫度、壓力,但也不可全部忽略,該儀表具有溫度、壓力補(bǔ)償功能,因此,計(jì)量準(zhǔn)確度更高。
(2)不同時(shí)期及不同區(qū)域,天然氣開采氣體組分變化大,該流量計(jì)具有壓縮因子補(bǔ)償功能,計(jì)量準(zhǔn)確度更高。
(3)采用了先進(jìn)微功耗元件以及完善的軟件管理技術(shù),具有數(shù)據(jù)報(bào)警、數(shù)據(jù)突發(fā)、儀表故障、電池報(bào)警等優(yōu)先處理機(jī)制,確保數(shù)據(jù)監(jiān)控及儀表狀態(tài)的實(shí)時(shí)性,內(nèi)置電池確保貿(mào)易計(jì)量安全。
(4)差壓傳感器采用德國(guó)E+H 原裝進(jìn)口傳感器,質(zhì)量穩(wěn)定、可靠,差壓精度0.075%。
(5)量程比達(dá)到15∶1,可滿足氣井全生命周期計(jì)量,一體化設(shè)計(jì),方便更換、維護(hù)。
(6)流量測(cè)量范圍較寬,可在孔板流量計(jì)無法準(zhǔn)確計(jì)量的高低流量區(qū)域正常工作。
楔形流量計(jì)的缺點(diǎn):由于沒有得到標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證,楔形流量計(jì)屬于非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能流量計(jì)。楔形流量計(jì)沒有一個(gè)國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)定,只能根據(jù)不同廠家自行設(shè)定參數(shù)使用,具有一定的局限性,且不能同時(shí)應(yīng)用多家產(chǎn)品,否則后期維護(hù)成本會(huì)大大增加。
楔形流量計(jì)在氣井井口安裝簡(jiǎn)單快捷,只需將原流量計(jì)法蘭拆除,替換為楔形流量計(jì)即可。如果原流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)孔板或者平衡孔板,物聯(lián)網(wǎng)配套施工可免除組態(tài)和解析的工作量。
從SCADA 系統(tǒng)中截取的連續(xù)數(shù)據(jù)可以看出,流量計(jì)能適應(yīng)氣井濕氣工況的運(yùn)行環(huán)境,較好的提供數(shù)據(jù)。
3.2.1 精度高 經(jīng)過大面積使用,楔形流量計(jì)的差壓精度0.075%,年故障率為0.3%。支持AGA NX-19、SGERG-88、AGA8-92DC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算法,采用“V”型節(jié)流件可消除滯留區(qū),自清潔功能確保管道不臟堵,提高抗沖擊磨損性,且量程比達(dá)到15∶1,流量范圍為2 000~30 000 m3/d。
3.2.2 符合復(fù)雜工況要求 從新投產(chǎn)氣井配套安裝楔形流量計(jì)的運(yùn)行情況來看,能夠滿足氣井生產(chǎn)要求,提供簡(jiǎn)易孔板和平衡孔板氣液兩相流等的精確測(cè)量。
3.2.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化 楔形流量計(jì)遠(yuǎn)傳及控制平臺(tái)已調(diào)試完成,流量計(jì)數(shù)據(jù)通過RS485 接口直接接入井口遠(yuǎn)傳控制器,通過遠(yuǎn)傳控制器傳入PKS 平臺(tái),經(jīng)驗(yàn)證PKS 平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取,已平穩(wěn)運(yùn)行近200 d,由于產(chǎn)量遞減,現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)流量已低于配產(chǎn),在每天流量為2 000~6 000 m3的情況下,流量計(jì)仍保持準(zhǔn)確計(jì)量。實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理、無線傳輸準(zhǔn)確,不丟包,可為天然氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)和管理提供準(zhǔn)確參數(shù),能夠?qū)ε潘蓺獯胧┑木C合評(píng)價(jià)建立合理的生產(chǎn)制度,更好地應(yīng)用于油田地質(zhì)條件分析勘探及油氣藏生產(chǎn)管理,進(jìn)一步提高氣井產(chǎn)量。
實(shí)踐證明,楔形流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中具備較高的可靠性與穩(wěn)定性,量程比15∶1,差壓精度為0.075%,年故障率為0.3%,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,安裝調(diào)試使用便捷,維護(hù)保養(yǎng)量也相當(dāng)小,能夠更加快速而準(zhǔn)確地完成測(cè)量,應(yīng)用和普及程度也逐年增加。