低滲致密氣井井口楔形流量計應用研究

呼 軍，李先兵，徐靜文，曹朋亮

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710018；2.中華全國供銷合作總社西安生漆涂料研究所，陜西咸陽 712000）

通常來說，經過脫水、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油后的天然氣稱之為干氣，未經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。而濕氣的計量及分析技術較為復雜，操作極為困難，目前企業的實際單井氣量一般只能使用旋進漩渦流量計、孔板差壓流量計和等壓式單相流量計等來實時計量，受到天然氣出液的影響無法準確計量氣井的氣液產量，導致系統無法時刻準確監測到各個氣井之間實際的生產氣動態，制約了氣井的科學、精細管理。目前單井產量計量與經濟利益緊密相關，產量計量數據也是氣田管理方深入了解氣井生產能力、生產運營狀況等的一種重要輔助數據，數據的準確性將直接影響到氣田成本控制措施和安全管理質量水平，并會進一步提升油氣貿易和交接過程計量結果的數據準確度。因此，提高濕氣計量工作的準確性和可靠性越來越受到企業重視。為了掌握低滲致密氣藏在開發生產過程中的變化趨勢，通過產量核實制定和驗證間歇生產制度的合理性，并持續優化調整，提出應用多參量楔形流量計的井口流量監測裝置，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量方案。多參量變送器執行的流量計算包括壓力和溫度補償以及更復雜的變量，如流量系數、熱膨脹、雷諾數和壓縮因子等，能夠適應復雜井況并提高測量精度[1-3]。

1 氣井井口流量測量現狀

1.1 蘇里格氣田氣井井口流量測量現狀

蘇里格氣田屬于典型的“三低”致密氣藏，天然氣雜質多、液量、流量范圍變化較大、計量難度高是氣井從項目建設初期發展到安全生產和后期治理都會普遍面臨的問題，隨著氣田大面積開展泡沫排水、柱塞氣舉等排水采氣工藝，氣井普遍實行間歇注水出液，瞬時流量的波動比較大、流態情況復雜多變，大幅增加了對氣井井口流量的動態監測難度。因此，目前所用的旋進漩渦流量計、孔板流量計的局限性越來越大，存在故障率較高、測量數據不準、需要人工清洗等弊端，增加了勞動成本且沒有達到降本增效的目的，已經不能為智能化油氣田的管理提供合理的方案。

1.2 流量測量影響因素分析

隨著油氣田數字化的快速發展，天然氣計量的準確度及可靠性越來越受人們的重視，計量需求也逐漸提高，如何克服影響計量準確度的外在及內在等因素就成為當下急需解決的問題。目前認為影響流量測量的因素主要有以下三點：（1）管道內濕氣流態因氣體壓力、流速、液體含量等的不同而不同，流態的情況也較為復雜；（2）濕氣計量時由于現場實際工況及環境參數變化較大，如果計量所用的流量計選型不合理或不經濟，容易造成流量計測量精度跳變，不夠準確，甚至會造成流量計的損壞，以致于流量計工作異常，提供錯誤參考值；（3）目前大多數天然氣生產廠家的濕氣計量用流量計代替現場和離線計量檢測，但一般用于檢定或校準的實驗室介質及工況條件與實際介質及工況條件有較大差異，不能作為流量計現場計量水平的判斷標準。近年來，雖然已經研發出一些濕氣流量計，但由于管道內的流態多變，影響流量計的計量準確度，據最新實驗研究，其計量誤差最大可達1.5%。

2 井口流量裝置介紹

2.1 工作原理

差壓流量計是目前最常見的一種流量計，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化為動能，這時靜壓能相應減少，從而使得流體前后內部產生壓差，另一方面增大的動能又與流量有著直接的關系，因此，可以通過建立壓差與流量間的物理關系得出對應關系函數。從而可以通過壓力傳感器間接獲得壓差，測得流量。目前常見的能量轉換方法是在流體間加入一個節流件，這樣在節流件前后截面，流體的流速就會突然增大，從而達到增加流體動能，減少靜壓能的目的。

楔形流量傳感器的檢測件是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在節流件上游不會產生滯流，也不會在節流件上、下游發生固體顆?；蝠こ砦锏姆e存，楔形塊采用硬質合金堆焊等工藝，具有很強的耐腐蝕沖刷能力，適用于寬量程、高黏度、多殘渣、易沖刷磨損等復雜介質的測量。楔形流量計的測量是建立在伯努利方程中的能量守恒方程和連續性方程的基礎上，即動能與靜壓能的總和不變，流體通過楔形流量計時，由于楔形塊的節流作用，在其上、下游產生了一個與流量值成平方關系的差壓，將此差壓從楔形塊兩側取壓口引出，送至差壓變送器轉變為電信號輸出，再經多參量變送器計算，即可獲得流量值。

圖1 楔形流量計測量原理圖

因此，使用的一體化多參量楔形流量計集差壓傳感器、靜壓傳感器、溫度傳感器、流量計算儀于一體，可配合差壓式節流檢測裝置（楔形）構成一體化差壓流量計。多參量楔形流量計測量范圍寬、精度高（液體流量測量精度可達0.5 級，氣體流量測量精度可達1.0 級），包括了氣體、液體、過熱飽和蒸汽的流量算法，抗干擾能力強。

2.2 與傳統流量計的比較

近年來，我國天然氣行業迅速發展，在中高壓、大口徑流量的計量使用方面，孔板型流量計由于容易受到產品自身氣動結構設計的影響而顯示出了其在某些場景應用的局限性，楔形流量計更加適用于石油液化氣的流量計量，將目前使用最多的旋進漩渦流量計、孔板流量計和新型楔形流量計進行對比，見表1。

表1 流量計對比

旋進漩渦流量計：旋進漩渦流量計適用于干凈的氣體計量并不適合于含水計量，且在濕氣計量現場應用中，在其抗硫、抗泥沙、冬天關停井管道結冰等工況中該流量計故障率比較突出。

孔板流量計：孔板流量計適用于氣體測量范圍比較窄場景，氣井在早中晚生產過程中的氣體流量波動范圍較大；由于天然氣中含油氣水及顆粒雜質，時間久會對孔板銳角線造成磨損，不能準確反映節流裝置差壓信號并且孔板需要定期清洗及檢查。而天然氣計量條件差且管理運維人員短缺，很難及時更換孔板及檢修。

楔形流量計：楔形流量計變送器采用德國E+H 原裝進口傳感器，質量穩定、可靠，節流件采用平衡孔板和一體化楔形節流元件，具有自適應清潔特性，無滯流區，壓損系數??；并且平衡孔板的左右兩端完全對稱，十分直觀方便的測量雙向流。同時，楔形流量計采用結構先進的差壓變送器，并且系統自帶溫度漂移補償測量功能，極大地提高了楔形流量計的綜合抗干擾測量能力，安全耐用，非常適合蘇里格氣田井口復雜工況的濕氣計量。

2.3 優缺點

楔形流量計的優點如下：

（1）濕氣較干氣的不同點是相對密度變化除了與空氣溫度、壓力高低有關外，還直接與空間濕度分布有關，雖然空間濕度變化對濕氣測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、壓力補償功能，因此，計量準確度更高。

（2）不同時期及不同區域，天然氣開采氣體組分變化大，該流量計具有壓縮因子補償功能，計量準確度更高。

（3）采用了先進微功耗元件以及完善的軟件管理技術，具有數據報警、數據突發、儀表故障、電池報警等優先處理機制，確保數據監控及儀表狀態的實時性，內置電池確保貿易計量安全。

（4）差壓傳感器采用德國E+H 原裝進口傳感器，質量穩定、可靠，差壓精度0.075%。

（5）量程比達到15∶1，可滿足氣井全生命周期計量，一體化設計，方便更換、維護。

（6）流量測量范圍較寬，可在孔板流量計無法準確計量的高低流量區域正常工作。

楔形流量計的缺點：由于沒有得到標準化認證，楔形流量計屬于非標準節能流量計。楔形流量計沒有一個國際統一標準的參數設定，只能根據不同廠家自行設定參數使用，具有一定的局限性，且不能同時應用多家產品，否則后期維護成本會大大增加。

3 現場應用效果

3.1 現場試驗

楔形流量計在氣井井口安裝簡單快捷，只需將原流量計法蘭拆除，替換為楔形流量計即可。如果原流量計為標準孔板或者平衡孔板，物聯網配套施工可免除組態和解析的工作量。

從SCADA 系統中截取的連續數據可以看出，流量計能適應氣井濕氣工況的運行環境，較好的提供數據。

3.2 應用效果分析

3.2.1 精度高 經過大面積使用，楔形流量計的差壓精度0.075%，年故障率為0.3%。支持AGA NX-19、SGERG-88、AGA8-92DC 國際標準算法，采用“V”型節流件可消除滯留區，自清潔功能確保管道不臟堵，提高抗沖擊磨損性，且量程比達到15∶1，流量范圍為2 000～30 000 m3/d。

3.2.2 符合復雜工況要求 從新投產氣井配套安裝楔形流量計的運行情況來看，能夠滿足氣井生產要求，提供簡易孔板和平衡孔板氣液兩相流等的精確測量。

3.2.3 實現數字化 楔形流量計遠傳及控制平臺已調試完成，流量計數據通過RS485 接口直接接入井口遠傳控制器，通過遠傳控制器傳入PKS 平臺，經驗證PKS 平臺可實現數據的讀取，已平穩運行近200 d，由于產量遞減，現場瞬時流量已低于配產，在每天流量為2 000～6 000 m3的情況下，流量計仍保持準確計量。實現了數字化管理、無線傳輸準確，不丟包，可為天然氣井生產動態的監測和管理提供準確參數，能夠對排水采氣措施的綜合評價建立合理的生產制度，更好地應用于油田地質條件分析勘探及油氣藏生產管理，進一步提高氣井產量。

4 結論與展望

實踐證明，楔形流量計在實際應用中具備較高的可靠性與穩定性，量程比15∶1，差壓精度為0.075%，年故障率為0.3%，結構設計相對簡單，安裝調試使用便捷，維護保養量也相當小，能夠更加快速而準確地完成測量，應用和普及程度也逐年增加。