长宁—威远区块页岩气压后返排液精确计量技术研究

廖 刚

(川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

页岩气是一种储量高、清洁、低碳的非常规天然气，已成为天然气资源的新宠儿。为了尽可能开采出天然气，获取更多的工业气流，进行大规模水力加砂压裂对页岩储层进行改造是提高页岩气产量的关键环节。储层改造的效果又必须通过排液采气作业来进行检验，在整个页岩气开发链中有着至关重要的作用。而返排液体的计量又是整个排液采气作业的重要组成部分，它的准确计量可以为整个长宁—威远区块排液、除砂、产气等规律的探寻提供重要的数据支撑。但是由于页岩气平台布井多(通常1个平台6口井)，返排液量大(通常单井返排液超过1 000 m3)，返排测试周期长，这就为液体的准确计量带来了巨大的挑战。目前，液体计量还比较落后，很多平台还是采用的手工计量或者估算的方式(根据排液口情况折算)，该计量方式虽然操作简单，但是计量准确度较低，且不能实现返排液的实时在线计量，势必造成返排液的计量误差较大，给页岩气勘探、开发、生产带来较大的困扰。因此，必须改变传统的计量方式，找到合适的设备能够对液体进行实时的在线计量，以提高返排液的计量准确度，为页岩气的开发决策提供基础数据。

一、页岩气返排液计量仪器优选

目前针对液体的计量，除了传统的手工计量方式外，比较常用的方法是通过质量流量计、涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计来对液体进行计量[1]。但是在实际液体计量过程中它们又各存在优缺点(见表1)。

根据各液体流量计的优缺点综合对比，结合长宁—威远页岩气排液采气现场实际情况，考虑到页岩气具有返排测试周期长(少则3个月，多则1年以上)、返排温度高(返排初期威远区块井口温度一般在70℃～80℃，部分井甚至高达100℃)、液体黏度低(0.9～1.2 mPa·s)等特点，再充分考虑设备使用中的安全性及可靠性，确保流量计即使故障也不会对系统中其他设备造成影响，从而在不影响安全生产的前提下，页岩气应该使用涡轮流量计来对返排液体进行精确计量，其主要优点有：①涡轮流量计准确度高(准确度一般为±0.2%～±1.5%)；②范围宽(最大和最小线形流量比一般为 7 ∶1～10 ∶1)。③重复性好(一般为 0.05%～0.2%)；④耐压性好(仪表壳体采用不锈钢精加工)；⑤信号无损耗传输；⑥耐腐蚀能力强。

表1 液体流量计优缺点对比表

二、涡轮流量计工作原理

涡轮流量计主要由壳体、前导流器、叶轮、后导流器、压紧垫圈、磁电感应转换器(带放大器)等部分组成[2]，如图1。

图 1 涡轮流计结构图

1壳体 2前导流器 3叶轮 4后导流器 5压紧垫圈 6带放大器的磁电感应转换器

它是以动量守恒原理为基础的速度式流量仪表，根据理论及大量的试验可知，涡轮流量计转动的频率与返排液流速存在一定的关系，即在特定的流量及黏度条件下，它们是成正比例关系的[3]。当加砂压裂后返排出的液体冲击涡轮流量计的涡轮时，涡轮会转动，不断切割磁力线，导致磁通量周期性变化，使得通电线圈内的电流和电位也周期性改变。磁电转换器会将此电信号经过整形并放大处理，得到可识别的脉冲信号，再将脉冲信号输送至计算机。计算机将搜集到的脉冲信号进行实时处理、计算、存储和显示，实现了对每口井的排液量实时存储、显示，主要计算公式如下[4]：

f=KQv

(1)

式中：f—涡轮的转动频率；Qv—液体体积流量；K—涡轮流量计仪表系数。

三、涡轮流量计的安装

涡轮流量计一般安装在分离器液路出口的下游管道上，其安装维护要点如下：

(1)涡轮流量计要安装在地面流程的直管段上，要求涡轮流量计上游管线直管段长度是管线直径的2倍以上，下游管线直管段长度是管线直径的7倍以上，同时要求涡轮流量计传感器与插入传感器的基座保持垂直。

(2)安装前必须检查到位，确保能够灵活转动且叶片未发生变形，并事先测试看是否能够正常运转、有无信号干扰仪表。

(3)当使用一段时间需要维护时，需要拆传感器时，当显示头逆时针旋转至极限位置时，应缓慢转动插入杆，避免用力过猛损坏传感器。

(4)涡轮流量计前后两端，使用合适的基墩紧固，避免返排过程中涡轮流量计震动，影响计量效果。

四、提高仪器计量准确度

1.选择合适的涡轮流量计

页岩气返排时，应根据管道公称压力、返排液最高压力、返排液温度、流体组分、流量范围及信号输出等要求综合考虑涡轮流量计的规格型号。在页岩气排液采气作业中，要尽量选择合适的液体涡轮流量计，既要避免价格过高造成资源浪费，又要避免流量计选择不合适，造成较大的计量误差。在选择流量计之前应首先根据整个平台井排液量和返排流体可能达到的温度和压力范围，估算出输送返排液的最高和最低的工况流量，正确选择规格合适的流量计。选择涡轮流量计的总体原则是[5]：尽量使计量流量在涡轮流量计最大流量的15%～70%的范围内，这样不仅提高了涡轮流量计计量准确度又可以延长涡轮流量计的使用寿命。为了使得返排流量控制在合理的范围内，提高计量准确度，施工现场一般将4个尺寸的涡轮流量计并联安装。

当初期使用小油嘴返排时，流量较小时一般选取Ø25.4 mm的涡轮流量计，当流量变大时，根据不同尺寸的涡轮流量计对应的参数表(见表2)，将液流切换到其它尺寸的涡轮流量计，确保整个返排过程的流量始终保持在流量计最大流量的15%～70%范围内运行，以提高返排液的计量准确度。

表2 不同尺寸涡轮流量计参数表

2.仪表系数K的现场修订方法

在一定的流量范围及黏度条件下，液体涡轮流量计读数是比较准确的，但是在页岩气排液现场某些时段内排量并不稳定(段塞流)，液体黏度也并不恒定(如：钻磨洗井会泵入不同黏度的工作液)，所以仪表系数K不可能在任意流量范围和任意黏度下均保持数值一定，或者说，流量计在不同流量下测量时，其K系数是不一样的。为了保证计量准确度，需要现场每天标定仪表系数，下面介绍仪表系数K的现场确定方法。

修正前的仪表系数用K表示，修正后的系数用K′表示，为了对系数进行修订，在生产现场，涡轮流量计所连接的地面流程后端同时连接了一个计量罐，在页岩气平台采用每口井轮流进罐的方法对系数K′进行修正，其具体修正计算公式如式(2)：

K′=Kq/q′

(2)

式中：K′—涡轮流量计修正后的系数；K—为初始系数；q—为计量罐实测返排量(一般不低于1 h)；q′—涡轮流量计相同时间内的返排量。

表3 威XX平台涡轮流量计仪表系数现场修订表

从表3看出，在实际生产过程过程中，将前一天修正后的仪表系数K′作为后一天的修正系数K，而通过修正计算公式重新修订的系数作为K′，每天重复，同一平台不同井进行轮流进计量罐，不断对系数进行修正，大大提高了返排液计量准确度。

3.使用Fisher阀自动控制分离器液位避免气体进入涡轮流量计

根据前面介绍的涡轮流量计测量液体优缺点可知，利用涡轮流量计测量气、液两相流时，流体会产生很大的计量误差。为了提高返排液的计量准确度，在现场使用涡轮流量计时，尽量确保分离器液路出口不窜气，在生产现场可以利用Fisher阀自动控制分离器液位，一般将分离器液位控制在液位看窗的2/3以上，确保进入涡轮流量计进行计量的流体都是液体，而没有气体干扰涡轮流量计的计量结果。

4.涡轮流量计与无线数采有机结合实现了在线实时精确计量

涡轮流量计与无线数采有机结合，组成了全新的在线实时计量系统(如图2所示)，改变了传统的手工计量方式，当流体经过流量计时，推动涡轮旋转，通过磁电转换产生实时脉冲电流信号(4～20 mA)，并输送到计算机。而对计算机中的无线数采系统进行了二次编程增加了在线计量模块，本模块将搜集到的脉冲电流信号进行实时处理、计算、存储和显示，本模块实现了涡轮流量计和无线数采的无缝衔接，自动计算出每口井的排液量并实时显示，从而实现了涡轮流量计的在线实时计量。为了提高返排液体的计量准确度，可以将无线数采的采集频率设置为1 s，即每1 s读取一个返排流量值，然后再利用数采软件自动叠加每秒的读数，确保了数据的连续性和准确性。

为了提高页岩气压后返排液体计量的准确度，上面方法同时使用，在页岩气平台取得了较好的效果，计量误差率较低(见表4)。

图2 在线计量系统工作框图

表4 在线计量系统与计量罐阶段排液对比表

五、结论及建议

(1)通过涡轮流量计和无线数据采集系统的有机结合、无缝衔接，形成了长宁—威远区块页岩气压后返排液精确计量技术，实现了对返排液在线、实时、精确计量，为整个区块的开发、部署及生产制度的确定提供了数据支撑。

(2)通过涡轮流量计并联、仪表系数及时修正、Fisher阀自动控制分离器液位等方法的综合运用，极大提高了页岩气压后返排液的计量准确度，其误差率小于5%。

(3)压后返排液的在线、精确计量技术在页岩气平台的成功应用，有助于认识整个区块的排液情况，为进一步揭示长宁—威远页岩气示范区压后地层的排液规律奠定坚实的基础。因此，建议加大该技术的推广应用力度。