蘇里格氣田柱塞氣舉井氣液兩相計量試驗研究*

桂 捷 張春濤 郭風軍 張 沂 曾 萍 王 惠

(1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院 2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室3.中國石油長慶油田公司第一采氣廠)

0 引 言

蘇里格氣田為典型“三低”氣田，因低成本開發模式，氣井采用井間串接、井口簡易孔板流量計計量濕氣，單井無液相計量，且氣相測量誤差較大[1]。為核實氣井氣液產量并掌握氣井出液規律，現場采用分離計量裝置定期對部分井進行氣液兩相計量測試[2-3]，成本高，無法長時間、大面積應用。氣井生產中后期普遍需采取排水采氣措施，柱塞氣舉技術因排水效果好，自動化程度高，已成為蘇里格氣田排水采氣主體技術并進行大規模應用[4-5]。柱塞氣舉井生產中，存在運行參數設置不合理、柱塞系統發生各類故障等情況，導致無法有效排除井筒積液；因無實時產液數據，無法及時精確進行工況診斷及調參，影響排水采氣效果。現場急需一種低成本氣液兩相不分離在線計量技術。

近10余年國內外開展了大量氣液兩相不分離計量技術研究[6-14]，根據其測量原理主要分為以下三類：第一類是節流式流量計結合相含率傳感器組合測量，如蘭州海默公司的“文丘里+伽馬射線”氣液兩相流量計，該類技術測量精度相對較高，但裝置成本高，在海上平臺有一定應用，在國內陸地氣田主要開展氣井氣液兩相移動測試服務；第二類是采用不同節流件測量兩個或多個差壓，根據不同差壓與含液體積分數組合測量，如天津大學的雙差壓式氣液兩相流量計，該類技術還處于試驗完善階段；第三類是采用不同類型單相流量計組合測量，如節流式流量計與超聲波流量計組合，節流式流量計與渦街流量計組合等。

為解決氣井氣液兩相計量問題，中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院研發了一種渦街節流式氣液兩相流量計。通過試驗表明，該流量計測量數據能準確反應氣井生產過程中氣液流量變化規律，可有效指導柱塞氣舉井工況診斷及制度優化，保證排水采氣效果。

1 技術分析

1.1 結構

渦街節流式氣液兩相流量計結構見圖1。在測量管中，渦街流量計旋渦發生體同時作為節流式流量計節流元件，實現兩種流量計測量管一體化設計，保證了兩種流量計在同一壓力和溫度系統下測量，同時降低了該氣液兩相流量計整體長度；旋渦發生體為三角柱結構，流體通過后在其后產生旋渦；將測量溫度信號的熱電阻和測量旋渦頻率信號的壓電芯片一體化封裝，組成頻率溫度傳感器，避免單獨開孔安裝溫度傳感器探頭對旋渦頻率測量的影響，且減少管道開孔，測量管結構見圖2。差壓流量變送器在EJA110E型差壓傳感器基礎上二次開發，內置流量計算模塊，通過取壓管同時測量差壓和靜壓，并接收頻率溫度變送器信號，實現氣液兩相流量計算及顯示。

1—測量管；2—頻率溫度變送器；3—取壓閥；4—差壓流量變送器；5—信號線；6—取壓管。

圖2 測量管結構圖

1.2 測量原理

渦街流量計通過測量旋渦發生體后的旋渦頻率信號實現流量測量，節流式流量計通過測量節流件前后的差壓實現流量測量，將兩種流量計組合同時測量濕氣，理論上可實現濕氣氣液混合流體密度的測量，再根據已知的氣液單相密度可得出氣液兩相流量[15]。因管道中氣液兩相流體存在流速差，所以得出的氣液流量與實際流量不一致，但能反映變化趨勢。采用室內空氣-水兩相流試驗平臺對理論模型測量結果進行試驗修正，建立氣液兩相流量測量修正模型，見式(1)和式(2)。該氣液兩相流量計的測量精度理論上取決于修正系數的準確度，由于室內試驗介質及工況與氣井現場介質及工況存在差異，所以測量模型直接應用于氣井現場可能會導致測量誤差增大。

(1)

(2)

式中：qv為渦街流量計測量流體體積流量，m3/h；ql、qg分別為液相體積流量和氣相體積流量，m3/h；kl、kg分別為液相和氣相體積流量修正系數，無量綱；ρ、ρl、ρg分別為流體平均密度、液相密度和氣相密度，kg/m3。

流體平均密度計算式為：

(3)

式中：C為流出系數，無量綱；ε為膨脹系數，無量綱；AD為測量管內截面積，m2；Ad為旋渦發生體處流通面積，m2；Δp為差壓，MPa。

2 室內試驗

2.1 試驗平臺與流程

平臺試驗介質為空氣和水，設計運行壓力1.6 MPa，實際運行壓力為1.2 MPa以下；空氣流量調節范圍0～700 m3/h，采用孔板流量計作為標準表計量，準確度為1.5級；水流量調節范圍0～8 m3/h，采用科氏質量流量計作為標準表計量，準確度1.0級；氣液兩相流量計長度為650 mm，測量管內徑為25 mm。試驗流程為：空氣、水單獨計量后混合，混合液流經氣液兩相流量計計量，測試一段時間內兩相流量計測量的氣液累計流量誤差。試驗平臺流程見圖3。

圖3 室內空氣-水兩相流試驗平臺流程圖

2.2 試驗步驟

通過快速調節水流量調節閥模擬柱塞氣舉井出液工況開展室內試驗。試驗過程為：首先將空氣流量調節至一固定值，然后快速調節水流量調節閥，使水流量快速增大后快速減小，期間系統壓力在0.6～1.0 MPa波動，累計持續4 min左右，記錄這期間孔板流量計的累計氣量和質量流量計的累計水量，根據氣液兩相流量計的累計氣量和累計水量，計算氣液兩相流量計測量誤差。共測試了空氣流量在200、400和600 m3/h，水流量在0～5 000 L/h和0～8 000 L/h時的6種不同工況，其中空氣200 m3/h、水0～8 000 L/h工況下的氣水瞬時流量變化情況如圖4所示。

圖4 空氣200 m3/h、水0～8 000 L/h工況下氣液兩相流量的變化曲線

2.3 試驗結果及分析

試驗結果見表1。由表1可看出：空氣累計流量誤差均在4%以內，且全為負誤差；水累計流量誤差均在6%內，且全為正誤差。測試誤差較小原因為，該氣液兩相流量計測量修正模型是在該試驗平臺工況覆蓋內試驗得出，如超出該試驗平臺工況范圍，該氣液兩相流量計誤差可能會增大。

表1 氣液兩相流量計室內試驗結果統計表

3 現場試驗

3.1 試驗目的

為驗證該氣液兩相流量計在柱塞氣舉井測量性能，2019—2020年在蘇里格氣田蘇東南區塊柱塞氣舉井開展了6口井的現場試驗。現場與室內試驗的氣液兩相流量計規格型號一致。

3.2 試驗流程

試驗流程見圖5，將井口原孔板流量計與外輸閘閥之前直管段拆除，用3根高壓軟管串聯渦街節流式氣液兩相流量計和分離計量裝置，以分離計量裝置為標準裝置，來考量氣液兩相流量計測量誤差。分離計量裝置為多管束旋流分離器[3]，氣液分離后氣相采用旋進旋渦流量計計量，精度1.5級。液相采用磁浮子液位計測量液位，精度1 mm，折合體積0.2 L。氣液分離計量后混合外輸至采氣管線。

圖5 氣液兩相流量計現場試驗流程

3.3 試驗結果與分析

現場試驗結果表明，該氣液兩相流量計氣量測量誤差均在5%內，5口井液量測量誤差在25%內，1口井因產液太少液量誤差大。試驗結果見表2。

表2 氣液兩相流量計現場試驗結果統計表

以靖56-56井試驗為例。2019年8月在該井開展現場試驗，生產制度為關2開4，生產油壓2.8 MPa左右，日產氣20 000 m3左右，日產液500 L左右，共測試了3個開井生產周期，氣液兩相流量計計量氣液流量曲線見圖6，測試數據見表3。

圖6 靖56-56井氣液瞬時流量曲線

從圖6及表3可以看出：柱塞氣舉井生產特征明顯，分為3個階段；第一階段，開井后柱塞上行段，該階段氣井基本不出液，瞬時氣量下降較快，氣液兩相流量計氣量測量誤差基本在5%以內；第二階段，柱塞到達井口排液段，基本為段塞流，持續時間1～2 min，瞬時液量最大能達10 000 L/h以上，該階段氣液兩相流量計液量測量誤差均在20%內，因累計氣量基數小，氣量測量誤差大于5%，但對整個生產周期累計氣量誤差影響不大；第三階段，排液后氣井續流階段，該階段依靠氣井自身能量攜液，氣井出液時瞬時液量很小，氣液兩相流量計測量氣量誤差小于5%，液量誤差較大，最大達-35.9%。測試的每個開井生產周期，累計氣量誤差均在5%內，累計液量誤差均在25%內。

表3 靖56-56井氣液兩相流量計測試情況統計表

由圖6瞬時液量曲線可以看出，瞬時液量出現短暫大液量段，基本為段塞流，表明柱塞到達井口并順利排除液塞，可判定柱塞生產制度合理、運行正常。

3.4 誤差原因分析

通過分析，氣液兩相流量計現場試驗液量測量誤差較大的原因主要有：①氣井產出濕氣介質與室內試驗流體介質成分及物性差異大；②因室內試驗平臺條件限制，試驗流體流量和壓力等工況無法覆蓋現場氣井實際生產工況；③氣井出液中凝析油含率變化大，即密度變化大，而流量計輸入液體密度為區塊產液平均密度；④低含液率工況下流體平均密度與氣相密度差值很小，導致液量相對誤差大。

氣液兩相流量計測量曲線能準確反應柱塞氣舉井出液規律，通過瞬時液量曲線觀察是否出現4 000 L/h以上大液量段，可有效判斷柱塞運行工況，為柱塞井工況診斷及制度優化提供準確依據。

4 結論與建議

(1)因室內空氣-水兩相流試驗平臺工況及介質與現場氣井生產工況及介質的差異性，該流量計通過該試驗平臺得出的測量模型直接應用于氣井現場，會導致測量誤差增大。下一步可利用中壓天然氣-水兩相流測試平臺，對該流量計測量模型進行測試校準；同時加強氣井產液取樣分析，提高流量計輸入液相密度準確性，降低該流量計氣井現場測量誤差。

(2)柱塞氣舉井瞬時液量變化范圍大，但生產特征明顯，該流量計能較準確地計量柱塞到達井口排液段液相流量，且產液計量曲線能準確反應柱塞氣舉井生產規律，通過判斷液相測量曲線是否出現大液量段，可有效評價柱塞氣舉井生產是否正常。

(3)建議將柱塞氣舉井氣液兩相計量數據與其他運行參數有效結合，提高工況診斷及調參準確性，提升柱塞氣舉井精細化、智能化管理水平。