低渗致密气井井口楔形流量计应用研究

2024-04-24李先兵徐静文曹朋亮

石油化工应用 2024年3期

呼军，李先兵，徐静文，曹朋亮

（1.中国石油长庆油田分公司第五采气厂，陕西西安 710018；2.中华全国供销合作总社西安生漆涂料研究所，陕西咸阳 712000）

通常来说，经过脱水、净化和轻烃处理等天然气处理工艺，提取出其中的液化气和轻质油后的天然气称之为干气，未经处理的天然气多含有少量凝析水或油、饱和水蒸气及轻烃类，含液量较高，称之为湿气。而湿气的计量及分析技术较为复杂，操作极为困难，目前企业的实际单井气量一般只能使用旋进漩涡流量计、孔板差压流量计和等压式单相流量计等来实时计量，受到天然气出液的影响无法准确计量气井的气液产量，导致系统无法时刻准确监测到各个气井之间实际的生产气动态，制约了气井的科学、精细管理。目前单井产量计量与经济利益紧密相关，产量计量数据也是气田管理方深入了解气井生产能力、生产运营状况等的一种重要辅助数据，数据的准确性将直接影响到气田成本控制措施和安全管理质量水平，并会进一步提升油气贸易和交接过程计量结果的数据准确度。因此，提高湿气计量工作的准确性和可靠性越来越受到企业重视。为了掌握低渗致密气藏在开发生产过程中的变化趋势，通过产量核实制定和验证间歇生产制度的合理性，并持续优化调整，提出应用多参量楔形流量计的井口流量监测装置，多参量流量变送器包括气体、液体、过热饱和蒸汽的流量公式，是一种高性能的流量计量方案。多参量变送器执行的流量计算包括压力和温度补偿以及更复杂的变量，如流量系数、热膨胀、雷诺数和压缩因子等，能够适应复杂井况并提高测量精度[1-3]。

1 气井井口流量测量现状

1.1 苏里格气田气井井口流量测量现状

苏里格气田属于典型的“三低”致密气藏，天然气杂质多、液量、流量范围变化较大、计量难度高是气井从项目建设初期发展到安全生产和后期治理都会普遍面临的问题，随着气田大面积开展泡沫排水、柱塞气举等排水采气工艺，气井普遍实行间歇注水出液，瞬时流量的波动比较大、流态情况复杂多变，大幅增加了对气井井口流量的动态监测难度。因此，目前所用的旋进漩涡流量计、孔板流量计的局限性越来越大，存在故障率较高、测量数据不准、需要人工清洗等弊端，增加了劳动成本且没有达到降本增效的目的，已经不能为智能化油气田的管理提供合理的方案。

1.2 流量测量影响因素分析

随着油气田数字化的快速发展，天然气计量的准确度及可靠性越来越受人们的重视，计量需求也逐渐提高，如何克服影响计量准确度的外在及内在等因素就成为当下急需解决的问题。目前认为影响流量测量的因素主要有以下三点：（1）管道内湿气流态因气体压力、流速、液体含量等的不同而不同，流态的情况也较为复杂；（2）湿气计量时由于现场实际工况及环境参数变化较大，如果计量所用的流量计选型不合理或不经济，容易造成流量计测量精度跳变，不够准确，甚至会造成流量计的损坏，以致于流量计工作异常，提供错误参考值；（3）目前大多数天然气生产厂家的湿气计量用流量计代替现场和离线计量检测，但一般用于检定或校准的实验室介质及工况条件与实际介质及工况条件有较大差异，不能作为流量计现场计量水平的判断标准。近年来，虽然已经研发出一些湿气流量计，但由于管道内的流态多变，影响流量计的计量准确度，据最新实验研究，其计量误差最大可达1.5%。

2 井口流量装置介绍

2.1 工作原理

差压流量计是目前最常见的一种流量计，其原理是依靠能量守恒定律。通过一定方法使流体的静压能转化为动能，这时静压能相应减少，从而使得流体前后内部产生压差，另一方面增大的动能又与流量有着直接的关系，因此，可以通过建立压差与流量间的物理关系得出对应关系函数。从而可以通过压力传感器间接获得压差，测得流量。目前常见的能量转换方法是在流体间加入一个节流件，这样在节流件前后截面，流体的流速就会突然增大，从而达到增加流体动能，减少静压能的目的。

楔形流量传感器的检测件是V 形楔形块，见图1。它的圆形顶角朝下，含悬浮颗粒（粉尘、泥沙及其他固体颗粒）流体和高黏度液体流过时在节流件上游不会产生滞流，也不会在节流件上、下游发生固体颗粒或黏稠物的积存，楔形块采用硬质合金堆焊等工艺，具有很强的耐腐蚀冲刷能力，适用于宽量程、高黏度、多残渣、易冲刷磨损等复杂介质的测量。楔形流量计的测量是建立在伯努利方程中的能量守恒方程和连续性方程的基础上，即动能与静压能的总和不变，流体通过楔形流量计时，由于楔形块的节流作用，在其上、下游产生了一个与流量值成平方关系的差压，将此差压从楔形块两侧取压口引出，送至差压变送器转变为电信号输出，再经多参量变送器计算，即可获得流量值。

图1 楔形流量计测量原理图

因此，使用的一体化多参量楔形流量计集差压传感器、静压传感器、温度传感器、流量计算仪于一体，可配合差压式节流检测装置（楔形）构成一体化差压流量计。多参量楔形流量计测量范围宽、精度高（液体流量测量精度可达0.5 级，气体流量测量精度可达1.0 级），包括了气体、液体、过热饱和蒸汽的流量算法，抗干扰能力强。

2.2 与传统流量计的比较

近年来，我国天然气行业迅速发展，在中高压、大口径流量的计量使用方面，孔板型流量计由于容易受到产品自身气动结构设计的影响而显示出了其在某些场景应用的局限性，楔形流量计更加适用于石油液化气的流量计量，将目前使用最多的旋进漩涡流量计、孔板流量计和新型楔形流量计进行对比，见表1。

表1 流量计对比

旋进漩涡流量计：旋进漩涡流量计适用于干净的气体计量并不适合于含水计量，且在湿气计量现场应用中，在其抗硫、抗泥沙、冬天关停井管道结冰等工况中该流量计故障率比较突出。

孔板流量计：孔板流量计适用于气体测量范围比较窄场景，气井在早中晚生产过程中的气体流量波动范围较大；由于天然气中含油气水及颗粒杂质，时间久会对孔板锐角线造成磨损，不能准确反映节流装置差压信号并且孔板需要定期清洗及检查。而天然气计量条件差且管理运维人员短缺，很难及时更换孔板及检修。

楔形流量计：楔形流量计变送器采用德国E+H 原装进口传感器，质量稳定、可靠，节流件采用平衡孔板和一体化楔形节流元件，具有自适应清洁特性，无滞流区，压损系数小；并且平衡孔板的左右两端完全对称，十分直观方便的测量双向流。同时，楔形流量计采用结构先进的差压变送器，并且系统自带温度漂移补偿测量功能，极大地提高了楔形流量计的综合抗干扰测量能力，安全耐用，非常适合苏里格气田井口复杂工况的湿气计量。

2.3 优缺点

楔形流量计的优点如下：

（1）湿气较干气的不同点是相对密度变化除了与空气温度、压力高低有关外，还直接与空间湿度分布有关，虽然空间湿度变化对湿气测量误差的影响小于空气的温度、压力，但也不可全部忽略，该仪表具有温度、压力补偿功能，因此，计量准确度更高。

（2）不同时期及不同区域，天然气开采气体组分变化大，该流量计具有压缩因子补偿功能，计量准确度更高。

（3）采用了先进微功耗元件以及完善的软件管理技术，具有数据报警、数据突发、仪表故障、电池报警等优先处理机制，确保数据监控及仪表状态的实时性，内置电池确保贸易计量安全。

（4）差压传感器采用德国E+H 原装进口传感器，质量稳定、可靠，差压精度0.075%。

（5）量程比达到15∶1，可满足气井全生命周期计量，一体化设计，方便更换、维护。

（6）流量测量范围较宽，可在孔板流量计无法准确计量的高低流量区域正常工作。

楔形流量计的缺点：由于没有得到标准化认证，楔形流量计属于非标准节能流量计。楔形流量计没有一个国际统一标准的参数设定，只能根据不同厂家自行设定参数使用，具有一定的局限性，且不能同时应用多家产品，否则后期维护成本会大大增加。

3 现场应用效果

3.1 现场试验

楔形流量计在气井井口安装简单快捷，只需将原流量计法兰拆除，替换为楔形流量计即可。如果原流量计为标准孔板或者平衡孔板，物联网配套施工可免除组态和解析的工作量。

从SCADA 系统中截取的连续数据可以看出，流量计能适应气井湿气工况的运行环境，较好的提供数据。

3.2 应用效果分析

3.2.1 精度高经过大面积使用，楔形流量计的差压精度0.075%，年故障率为0.3%。支持AGA NX-19、SGERG-88、AGA8-92DC 国际标准算法，采用“V”型节流件可消除滞留区，自清洁功能确保管道不脏堵，提高抗冲击磨损性，且量程比达到15∶1，流量范围为2 000～30 000 m3/d。

3.2.2 符合复杂工况要求从新投产气井配套安装楔形流量计的运行情况来看，能够满足气井生产要求，提供简易孔板和平衡孔板气液两相流等的精确测量。

3.2.3 实现数字化楔形流量计远传及控制平台已调试完成，流量计数据通过RS485 接口直接接入井口远传控制器，通过远传控制器传入PKS 平台，经验证PKS 平台可实现数据的读取，已平稳运行近200 d，由于产量递减，现场瞬时流量已低于配产，在每天流量为2 000～6 000 m3的情况下，流量计仍保持准确计量。实现了数字化管理、无线传输准确，不丢包，可为天然气井生产动态的监测和管理提供准确参数，能够对排水采气措施的综合评价建立合理的生产制度，更好地应用于油田地质条件分析勘探及油气藏生产管理，进一步提高气井产量。