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節流式與渦街式流量計組合測量氣田濕氣氣液兩相流量的方法

來源: 1. 長慶油田油氣工藝研究院·低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室; 2. 長慶油田第一采氣廠 作者:張春濤、梁凌云、郄喜飛、張沂、曾萍 發布日期:2021-05-15

        摘要:針對蘇里格氣田井間串接、井口濕氣計量工藝模式下單井無液相計量的問題,提出了節流式流量計渦街式流量計組合測量濕氣氣液兩相流量的方法。通過將兩種流量計測量管集成,再加上差壓靜壓、頻率溫度集成式傳感器,簡化了流量計整體結構。采用室內空氣-水兩相流實驗平臺對該組合式濕氣流量計的計量精度進行測試表明:當瞬時液量為 0.05~4 m3/h 時,組合式濕氣流量計氣相、液相測量誤差分別在 5%、20%以內。采用分離計量裝置在氣井井口對組合式濕氣流量計計量精度進行測試表明:泡排氣井氣相、液相測量平均誤差分別在 5%、20%以內,能夠準確反映氣井出液規00律0,可為泡排加注制度優化提供指導;柱塞氣舉井氣相測量誤差在 8%以內,液相測量誤差較大,但能夠準確反映柱塞氣井出液特征,測試結果可為柱塞氣井工況診斷及生產制度優化提供依據。(圖 8, 表 2,參 17)

 
        濕氣氣液兩相計量技術是近年來的研究熱點,國內外開展了大量研究[1-8]。其研究內容主要分為兩類:一類是節流式流量計結合伽馬射線等相含率測試技術,如蘭州海默公司的“文丘里管+伽馬射線”濕氣流量計、西安銘度公司的“孔板+伽馬射線”濕氣流量計,該類濕氣流量計測量精度相對較高,但裝置成本高,在蘇里格氣田主要用于開展氣井氣液兩相移動測試服務;另一類是兩個或多個單相流量計組合,根據其對濕氣測量的不同虛高特性得出氣液兩相測量模型,如天津大學的 TTWGF 型“內錐+文丘里”濕氣流量計、其他高校開展的雙槽式孔板測量氣液兩相流技術等,該類技術尚處于研究及試驗階段。
 
        長慶蘇里格氣田采用的井下節流、井間串接、井口濕氣計量工藝大幅降低了地面建設投資,實現了氣田的經濟有效開發,但井口簡易孔板流量計濕氣計量工藝無單井液相計量,且氣相測量誤差較大,給氣田穩產階段的氣井精細化管理帶來了困難[9],F場主要采用分離計量裝置定期移動測試單井氣液產量[10-12],成本高,且無單井氣液產量實時數據,無法大規模應用。
 
        隨著氣田大面積開展泡沫排水、柱塞氣舉等排水采氣措施[13-14],氣井普遍間歇出液,瞬時流量波動大、流態復雜多變,大幅增加了氣井氣液兩相的計量難度。因此,將節流式流量計與渦街式流量計組合集成,通過計算混合流體平均密度實現氣液兩相流量測量,并在蘇里格氣田泡排、柱塞氣舉排水采氣井進行現場試驗,以期為排水采氣措施氣井生產制度優化及精細化管理提供有效依據。
 
1 組合式濕氣流量計結構
節流式與渦街式組合測量濕氣流量計(簡稱組合式濕氣流量計)主要由節流裝置、頻率溫度變送器、差壓壓力傳感器、流量積算儀、取壓管路等組成(圖 1)。
組合式濕氣流量計結構組成示意圖
        將旋渦發生體、傳感器探頭安裝在節流式流量計節流裝置通道內(圖 2),降低了流量計整體長度;優選EJA110E 型差壓傳感器,可同時輸出差壓和靜壓,減少了傳感器數量;將壓電芯片(旋渦頻率信號檢測傳感器)和 PT100 熱電阻(溫度信號檢測傳感器)封裝在一起形成頻率溫度一體化傳感器,減少了傳感器管道開孔數量;流量積算儀(圖 3)基于 EJA110E 型差壓傳感器二次開發,通過 HART 協議與差壓壓力傳感器通信、RS485 協議與頻率溫度傳感器通信,實現了信號采集處理、流量計算及顯示功能。該設計思路減少了傳感器數量,簡化了流量計結構,有利于現場應用。
組合式濕氣流量計的節流裝置結構示意圖組合式濕氣流量計的節流裝置結構示意圖
2 測量原理
        渦街式流量計通過測量旋渦頻率信號實現流體流量測量[15],節流式流量計通過測量差壓實現流體流量測量[16]。當濕氣在水平管中以大于 15 m/s 的流速流動時,濕氣中氣液兩相流為環霧流,通常稱為霧狀流,可近似為均相流。將以上兩種流量計組合同時測量濕氣,理論上可以實現濕氣氣液混合流體平均密度測量,根據已知的氣、液單相密度可推導得出氣液兩相流量[17]。
 
        因兩種流量計測量濕氣均存在虛高,得出的氣液流量與實際流量不一致,但能反映變化趨勢,因此采用室內空氣-水兩相流實驗平臺對理論模型測量結果進行實驗修正,并建立氣液兩相流量與氣液混合流體平均密度的修正模型。該組合式濕氣流量計的測量精度理論上取決于修正模型的準確度,由于室內實驗介質與氣井現場介質的差異性,且室內為低壓工況,因此應用于氣井現場中低壓工況時會導致誤差增大。
 
3 室內實驗
        采用空氣-水兩相流實驗平臺對組合式濕氣流量計進行了氣液計量精度測試。
 
3.1 實驗流程
        實驗介質為空氣和水。實驗中,空氣由壓縮機升壓后進入儲氣罐進行穩流,然后經氣量調節閥進行流量調節后采用孔板流量計計量;水由水泵升壓進入儲水罐穩壓,然后經水流量調節閥進行流量調節后采用質量流量計計量;空氣和水單獨計量后混合,流經組合式濕氣流量計進行氣液兩相流量測量,然后氣液混合流體進入氣液分離器進行氣液分離,空氣通過調壓閥排入大氣,水通過排液閥進入敞口水池循環利用?諝夤艿拦軓 50 mm,水管道為管徑 40 mm、15 mm 的兩路管道并聯,空氣與水混合后的管道管徑為 50 mm;將組合式濕氣流量計測量的氣、液流量值與混合前氣、液流量單獨測量值進行比對,即可評價該組合式濕氣流量計計量精度(圖 4)。
 室內空氣-水兩相流模擬實驗平臺測試組合式濕氣流量計 計量精度流程圖
3.2 實驗工況
        組合式濕氣流量計樣機參數:管徑 50 mm,節流通道內直徑 25 mm,設計壓力 6.3 MPa,差壓傳感器量程0~500 kPa。實驗工況:空氣流量為 200 m3/h、400 m3/h、600 m3/h, 共 3 個流量點;水流量在 0~6 000 L/h 之間,有 30 多個流量點;壓力約為 0.8 MPa,共測試 100 余組不同工況;液氣體積比在 0~0.016 范圍內變化,流體溫度在16~34 ℃之間變化,流量計差壓在 1.8~298 kPa 之間變化?諝夂退拿芏确謩e為 1.209 kg/m3 和 998 kg/m3。
 
3.3 實驗結果
        以孔板流量計和質量流量計作為標準表分別測量空氣和水的流量,通過調節不同工況下的空氣、水流量,待流量計瞬時流量顯示穩定后,同時記錄空氣、水標準表瞬時流量和組合式濕氣流量計測量的氣液瞬時流量,計算在不同工況下組合式濕氣流量計氣液測量誤差。實驗結果表明:當瞬時液量在50~4 000 L/h 范圍內時,該組合式濕氣流量計氣、液測量誤差分別在 5%、20%以內;超出此范圍,組合式流量計測量誤差增大(圖 5)。
 

空氣流量為 200 m3 /h空氣流量為 400 m3 /h 空氣流量分別為 200 m3 /h、400 m3 /h、600 m3 /h 時組合式 濕氣流量計的氣液流量測量誤差對比圖

 
4 現場試驗
        2017—2018 年先后在蘇里格氣田泡沫排水井、柱塞氣舉井開展了該組合式濕氣流量計的現場試驗(圖 6),組合式濕氣流量計與分離計量裝置串聯安裝,將分離計量裝置作為標準裝置,測試組合式濕氣流量計的測量精度。井口濕氣首先經過組合式濕氣流量計計量,然后通過分離計量裝置進行氣液分離計量,分離后氣相采用旋渦流量計計量(準確度 1.5 級),液相采用磁浮子液位計計量(精度 1 mm,折合體積 0.2 L),可根據分離器實時液位計算出瞬時液量,氣液分離計量后混輸至采氣管道。
 空氣流量分別為 200 m3 /h、400 m3 /h、600 m3 /h 時組合式 濕氣流量計的氣液流量測量誤差對比圖
4.1 泡排井試驗
        2017 年在蘇 1 井開展試驗(表 1),該井定期向油管加注泡排劑排水生產,試驗期間生產油壓 2.7 MPa,瞬時氣量在 400~1 000 m3/h 內波動,間歇出液,出液期間瞬時液量在 0~2 000 L/h 內波動。采用分離計量裝置比對測試,組合式濕氣流量計氣、液測量平均誤差分別為 3.3%、-10.1%,當氣井產液較小時,液相誤差超出 ±20%;當氣井產液較大時,液相誤差在 ±20%內。
2017 年蘇 1 井組合式濕氣流量計現場試驗結果
        由蘇 1 井組合式濕氣流量計測量氣液瞬時流量變化曲線(圖 7)可見,當該井瞬時液量迅速增大,即帶出井筒積液時,產氣量上升,表明該井泡沫排水采氣措施有效;隨后瞬時氣量逐漸降低,且瞬時液量較小或不產液,表明井筒開始積液,需要及時加注泡排劑輔助生產。分析認為,該組合式濕氣流量計測量氣、液流量能夠準確反映泡排氣井的生產規律,可有效指導氣井泡排生產制度優化及精細化管理。
蘇 1 井組合式濕氣流量計測量氣、液瞬時流量變化曲線圖
4.2 柱塞氣舉井試驗
        2018 年在蘇 2 井開展試驗(表 2),該井采用柱塞氣舉排水采氣生產,生產制度為關 6 h 開 2 h,生產過程中油壓約 1.0 MPa,日均產氣量 0.4×104
 m3。
2018 年蘇 2 井組合式濕氣流量計現場試驗結果
        采用分離計量裝置比對測試,該濕氣流量計氣相測量誤差在 ±8%內,液相測量誤差較大。由蘇 2 井組合式濕氣流量計與分離計量裝置測量瞬時氣量、瞬時液量比對曲線(圖 8)可見:柱塞氣舉井生產過程中出液持續時間極短且瞬時液量很大,主要以段塞流形式出現,表明柱塞順利將井筒積液從井底舉升至井口,柱塞運行正常;如果氣井不產液,表明柱塞運行不正常。該組合式濕氣流量計能夠準確反映氣井瞬時氣量、液量的變化規律,可以準確判斷柱塞運行情況,指導氣井生產制度優化。
2018 年 6 月 19 日蘇 2 井組合式濕氣流量計與分離計量裝置測量瞬時氣量、瞬時液量對比曲線圖
4.3 測量誤差
組合式濕氣流量計現場測試結果相對于室內測試,誤差增大的主要原因為:
        (1)組合式濕氣流量計需要輸入氣相組分及液相密度,蘇里格氣田氣井產出天然氣氣相組分變化不大,但氣井產出液體中普遍含有凝析油,即為油水混合物,不同井或同一井不同生產階段凝析油體積分數不一致,現場不便于確定。因此,現場試驗時,取區塊凝析油平均體積分數計算出液相平均密度,導致濕氣流量計液相測量誤差增大。
        (2)氣井加注泡排劑后,產出液起泡導致密度發生變化,且泡沫液進入分離器后致使分離效果變差,因此,分離計量裝置測量的液相體積不準確,從而導致泡排井液相測量誤差增大。
        (3)因室內空氣-水兩相流實驗平臺條件限制,組合式濕氣流量計測量模型是在室內 1.2 MPa 以下、液相流量 0~4 m3/h 范圍內修正得出的,超出此范圍會導致測量誤差增大,F場試驗蘇 1 井生產油壓為2.7 MPa,蘇 2 井出液時瞬時液量在 0~7 000 L/h 波動(圖 8),均超出了室內實驗工況,也造成濕氣流量計測量誤差增大。
 
5 結論
        (1)組合式濕氣流量計通過測量濕氣平均密度實現氣液兩相流量測量,室內空氣-水兩相流實驗表明:當瞬時液量在 50~4 000 L/h 范圍時,組合式濕氣流量計氣、液相測量誤差分別在 5%、20%內,超出此范圍測量誤差則會增大。
        (2)現場試驗表明,該濕氣流量計測量泡排氣井產出濕氣時,氣、液測量平均誤差分別在 5%、20%內,能夠準確反映泡排氣井出液規律;當測量柱塞氣舉井產出濕氣時,氣相測量誤差在 ±8%內、液相測量誤差較大,但瞬時液量測量結果能夠準確反映柱塞井出液特征。
        (3)因蘇里格氣田氣井產出液相中含有凝析油及泡沫,室內實驗平臺工況無法包括現場氣井全部工況,導致濕氣流量計現場測試誤差大,但測量數據能夠準確反映出液規律,可以通過對氣井大液量段出液時機及規律進行分析,有效評價泡排、柱塞氣舉措施效果,進而指導制度優化,提高氣井精細管理水平。

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