長寧—威遠區塊頁巖氣壓后返排液精確計量技術研究

廖 剛

(川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

頁巖氣是一種儲量高、清潔、低碳的非常規天然氣，已成為天然氣資源的新寵兒。為了盡可能開采出天然氣，獲取更多的工業氣流，進行大規模水力加砂壓裂對頁巖儲層進行改造是提高頁巖氣產量的關鍵環節。儲層改造的效果又必須通過排液采氣作業來進行檢驗，在整個頁巖氣開發鏈中有著至關重要的作用。而返排液體的計量又是整個排液采氣作業的重要組成部分，它的準確計量可以為整個長寧—威遠區塊排液、除砂、產氣等規律的探尋提供重要的數據支撐。但是由于頁巖氣平臺布井多(通常1個平臺6口井)，返排液量大(通常單井返排液超過1 000 m3)，返排測試周期長，這就為液體的準確計量帶來了巨大的挑戰。目前，液體計量還比較落后，很多平臺還是采用的手工計量或者估算的方式(根據排液口情況折算)，該計量方式雖然操作簡單，但是計量準確度較低，且不能實現返排液的實時在線計量，勢必造成返排液的計量誤差較大，給頁巖氣勘探、開發、生產帶來較大的困擾。因此，必須改變傳統的計量方式，找到合適的設備能夠對液體進行實時的在線計量，以提高返排液的計量準確度，為頁巖氣的開發決策提供基礎數據。

一、頁巖氣返排液計量儀器優選

目前針對液體的計量，除了傳統的手工計量方式外，比較常用的方法是通過質量流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、電磁流量計來對液體進行計量[1]。但是在實際液體計量過程中它們又各存在優缺點(見表1)。

根據各液體流量計的優缺點綜合對比，結合長寧—威遠頁巖氣排液采氣現場實際情況，考慮到頁巖氣具有返排測試周期長(少則3個月，多則1年以上)、返排溫度高(返排初期威遠區塊井口溫度一般在70℃～80℃，部分井甚至高達100℃)、液體黏度低(0.9～1.2 mPa·s)等特點，再充分考慮設備使用中的安全性及可靠性，確保流量計即使故障也不會對系統中其他設備造成影響，從而在不影響安全生產的前提下，頁巖氣應該使用渦輪流量計來對返排液體進行精確計量，其主要優點有：①渦輪流量計準確度高(準確度一般為±0.2%～±1.5%)；②范圍寬(最大和最小線形流量比一般為 7 ∶1～10 ∶1)。③重復性好(一般為 0.05%～0.2%)；④耐壓性好(儀表殼體采用不銹鋼精加工)；⑤信號無損耗傳輸；⑥耐腐蝕能力強。

表1 液體流量計優缺點對比表

二、渦輪流量計工作原理

渦輪流量計主要由殼體、前導流器、葉輪、后導流器、壓緊墊圈、磁電感應轉換器(帶放大器)等部分組成[2]，如圖1。

圖 1 渦輪流計結構圖

1殼體 2前導流器 3葉輪 4后導流器 5壓緊墊圈 6帶放大器的磁電感應轉換器

它是以動量守恒原理為基礎的速度式流量儀表，根據理論及大量的試驗可知，渦輪流量計轉動的頻率與返排液流速存在一定的關系，即在特定的流量及黏度條件下，它們是成正比例關系的[3]。當加砂壓裂后返排出的液體沖擊渦輪流量計的渦輪時，渦輪會轉動，不斷切割磁力線，導致磁通量周期性變化，使得通電線圈內的電流和電位也周期性改變。磁電轉換器會將此電信號經過整形并放大處理，得到可識別的脈沖信號，再將脈沖信號輸送至計算機。計算機將搜集到的脈沖信號進行實時處理、計算、存儲和顯示，實現了對每口井的排液量實時存儲、顯示，主要計算公式如下[4]：

f=KQv

(1)

式中：f—渦輪的轉動頻率；Qv—液體體積流量；K—渦輪流量計儀表系數。

三、渦輪流量計的安裝

渦輪流量計一般安裝在分離器液路出口的下游管道上，其安裝維護要點如下：

(1)渦輪流量計要安裝在地面流程的直管段上，要求渦輪流量計上游管線直管段長度是管線直徑的2倍以上，下游管線直管段長度是管線直徑的7倍以上，同時要求渦輪流量計傳感器與插入傳感器的基座保持垂直。

(2)安裝前必須檢查到位，確保能夠靈活轉動且葉片未發生變形，并事先測試看是否能夠正常運轉、有無信號干擾儀表。

(3)當使用一段時間需要維護時，需要拆傳感器時，當顯示頭逆時針旋轉至極限位置時，應緩慢轉動插入桿，避免用力過猛損壞傳感器。

(4)渦輪流量計前后兩端，使用合適的基墩緊固，避免返排過程中渦輪流量計震動，影響計量效果。

四、提高儀器計量準確度

1.選擇合適的渦輪流量計

頁巖氣返排時，應根據管道公稱壓力、返排液最高壓力、返排液溫度、流體組分、流量范圍及信號輸出等要求綜合考慮渦輪流量計的規格型號。在頁巖氣排液采氣作業中，要盡量選擇合適的液體渦輪流量計，既要避免價格過高造成資源浪費，又要避免流量計選擇不合適，造成較大的計量誤差。在選擇流量計之前應首先根據整個平臺井排液量和返排流體可能達到的溫度和壓力范圍，估算出輸送返排液的最高和最低的工況流量，正確選擇規格合適的流量計。選擇渦輪流量計的總體原則是[5]：盡量使計量流量在渦輪流量計最大流量的15%～70%的范圍內，這樣不僅提高了渦輪流量計計量準確度又可以延長渦輪流量計的使用壽命。為了使得返排流量控制在合理的范圍內，提高計量準確度，施工現場一般將4個尺寸的渦輪流量計并聯安裝。

當初期使用小油嘴返排時，流量較小時一般選取?25.4 mm的渦輪流量計，當流量變大時，根據不同尺寸的渦輪流量計對應的參數表(見表2)，將液流切換到其它尺寸的渦輪流量計，確保整個返排過程的流量始終保持在流量計最大流量的15%～70%范圍內運行，以提高返排液的計量準確度。

表2 不同尺寸渦輪流量計參數表

2.儀表系數K的現場修訂方法

在一定的流量范圍及黏度條件下，液體渦輪流量計讀數是比較準確的，但是在頁巖氣排液現場某些時段內排量并不穩定(段塞流)，液體黏度也并不恒定(如：鉆磨洗井會泵入不同黏度的工作液)，所以儀表系數K不可能在任意流量范圍和任意黏度下均保持數值一定，或者說，流量計在不同流量下測量時，其K系數是不一樣的。為了保證計量準確度，需要現場每天標定儀表系數，下面介紹儀表系數K的現場確定方法。

修正前的儀表系數用K表示，修正后的系數用K′表示，為了對系數進行修訂，在生產現場，渦輪流量計所連接的地面流程后端同時連接了一個計量罐，在頁巖氣平臺采用每口井輪流進罐的方法對系數K′進行修正，其具體修正計算公式如式(2)：

K′=Kq/q′

(2)

式中：K′—渦輪流量計修正后的系數；K—為初始系數；q—為計量罐實測返排量(一般不低于1 h)；q′—渦輪流量計相同時間內的返排量。

表3 威XX平臺渦輪流量計儀表系數現場修訂表

從表3看出，在實際生產過程過程中，將前一天修正后的儀表系數K′作為后一天的修正系數K，而通過修正計算公式重新修訂的系數作為K′，每天重復，同一平臺不同井進行輪流進計量罐，不斷對系數進行修正，大大提高了返排液計量準確度。

3.使用Fisher閥自動控制分離器液位避免氣體進入渦輪流量計

根據前面介紹的渦輪流量計測量液體優缺點可知，利用渦輪流量計測量氣、液兩相流時，流體會產生很大的計量誤差。為了提高返排液的計量準確度，在現場使用渦輪流量計時，盡量確保分離器液路出口不竄氣，在生產現場可以利用Fisher閥自動控制分離器液位，一般將分離器液位控制在液位看窗的2/3以上，確保進入渦輪流量計進行計量的流體都是液體，而沒有氣體干擾渦輪流量計的計量結果。

4.渦輪流量計與無線數采有機結合實現了在線實時精確計量

渦輪流量計與無線數采有機結合，組成了全新的在線實時計量系統(如圖2所示)，改變了傳統的手工計量方式，當流體經過流量計時，推動渦輪旋轉，通過磁電轉換產生實時脈沖電流信號(4～20 mA)，并輸送到計算機。而對計算機中的無線數采系統進行了二次編程增加了在線計量模塊，本模塊將搜集到的脈沖電流信號進行實時處理、計算、存儲和顯示，本模塊實現了渦輪流量計和無線數采的無縫銜接，自動計算出每口井的排液量并實時顯示，從而實現了渦輪流量計的在線實時計量。為了提高返排液體的計量準確度，可以將無線數采的采集頻率設置為1 s，即每1 s讀取一個返排流量值，然后再利用數采軟件自動疊加每秒的讀數，確保了數據的連續性和準確性。

為了提高頁巖氣壓后返排液體計量的準確度，上面方法同時使用，在頁巖氣平臺取得了較好的效果，計量誤差率較低(見表4)。

圖2 在線計量系統工作框圖

表4 在線計量系統與計量罐階段排液對比表

五、結論及建議

(1)通過渦輪流量計和無線數據采集系統的有機結合、無縫銜接，形成了長寧—威遠區塊頁巖氣壓后返排液精確計量技術，實現了對返排液在線、實時、精確計量，為整個區塊的開發、部署及生產制度的確定提供了數據支撐。

(2)通過渦輪流量計并聯、儀表系數及時修正、Fisher閥自動控制分離器液位等方法的綜合運用，極大提高了頁巖氣壓后返排液的計量準確度，其誤差率小于5%。

(3)壓后返排液的在線、精確計量技術在頁巖氣平臺的成功應用，有助于認識整個區塊的排液情況，為進一步揭示長寧—威遠頁巖氣示范區壓后地層的排液規律奠定堅實的基礎。因此，建議加大該技術的推廣應用力度。