基于噴嘴的濕氣井在線計(jì)量裝置研制及應(yīng)用

朱永樂，董建宏，劉金海，張知斌，矯欣雨，魏方方，吳浩達(dá)

（1.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 124010；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100016；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300450；4.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；5.安徽中控儀表有限公司，安徽 池州 247210）

天然氣井在開發(fā)過程中，需要通過計(jì)產(chǎn)掌握每口氣井運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、優(yōu)化開采方案和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。氣井開采出的介質(zhì)中除天然氣，還攜帶少量液體，液體的占比不固定，根據(jù)開采情況實(shí)時(shí)變化，屬于濕氣，傳統(tǒng)單相氣體流量計(jì)無法適用。目前在氣田開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)濕氣井井口計(jì)量是采用分離法，即將濕氣在集中處理站分離后用單相計(jì)量儀表分別計(jì)量液量和氣量，具有工藝流程復(fù)雜、造價(jià)高昂、占地面積大等缺陷。近些年單井濕氣在線計(jì)量的研究逐漸增多，也出現(xiàn)了一些單井在線計(jì)量產(chǎn)品，但都無法在經(jīng)濟(jì)成本、安全、工況應(yīng)用、計(jì)量精度等問題上實(shí)現(xiàn)平衡，能夠推廣應(yīng)用的很少。

KOUBA 等[1]率先將管柱氣液旋流分離器（GLCC）用于多相流量計(jì)量，經(jīng)過該分離器分離后的氣、液兩相各自用合適的流量計(jì)計(jì)量，避免了許多多相流測(cè)量中的問題；金向紅等[2]通過實(shí)驗(yàn)證明了軸流導(dǎo)葉式氣液旋流分離器在低含液濃度下的氣液兩相分離效果比較好，只要采用合理的溢流管和筒體結(jié)構(gòu)形式，可提高分離效率，防止流體的氣體夾帶液滴或液體中存在氣泡的現(xiàn)象；張婉萍，李世武[3]采用FLUENT 軟件對(duì)靶式流量計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的靶板進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并研究了不同靶徑比和不同結(jié)構(gòu)下壓力損失、測(cè)量精度與流體流量的關(guān)系。海默集團(tuán)蘭州能源科技股份有限公司[4]研制的短節(jié)型流量計(jì)（SPM）尺寸小、成本低，可按單井生產(chǎn)管線的口徑配備，使得單井配備成為可能，結(jié)合多相流量計(jì)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能，可將數(shù)據(jù)直接傳回中心站，極大的方便了油田管理；陳利瓊等[5]采用CFD 數(shù)值模擬方法針對(duì)超聲流量計(jì)（以DANIEL 3400 超聲流量計(jì)為例）上游存在不同布置形式的彎頭擾流元件時(shí)，保證其計(jì)量準(zhǔn)確性的最近安裝位置進(jìn)行研究，獲得DANIEL 3400 型超聲流量計(jì)的推薦安裝位置，為體積計(jì)量的準(zhǔn)確實(shí)施提供參考；郭素娜等[6]通過CFD 仿真對(duì)測(cè)量微小流量的差壓流量計(jì)進(jìn)行了研究，并最終得到較優(yōu)解，提高了微小流量的測(cè)量精度，降低了測(cè)量下限。吳浩達(dá)等[7]利用一套微差壓油井多相流測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了系列三相流量計(jì)量的模擬實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了計(jì)量模型，使得測(cè)控系統(tǒng)具有高精度，滿足計(jì)量需求。

氣液兩相流是一個(gè)復(fù)雜多變的流體介質(zhì)，測(cè)量難度大。目前氣液兩相流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要為以下兩種。第一種是將單相流量測(cè)量技術(shù)與測(cè)量儀表應(yīng)用于多相流量測(cè)量，但這種方式需要在單相流計(jì)量模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正和改進(jìn)。第二種是借助新技術(shù)，如射線技術(shù)、微波技術(shù)、光纖技術(shù)、成像技術(shù)等與其他流量儀表測(cè)量裝置進(jìn)行有效組合，組成組合式多相流量計(jì)，并開發(fā)相應(yīng)的流量計(jì)算模型[8]。市場(chǎng)上多數(shù)濕氣計(jì)量裝置主要存在測(cè)量精度低、造價(jià)成本高、維護(hù)困難、無法適應(yīng)多種復(fù)雜的流動(dòng)工況等問題?，F(xiàn)今開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)多采用大型分離設(shè)備，在氣液分離后進(jìn)行單相氣計(jì)量。這種方式缺陷也很明顯，分離設(shè)備體積大，成本高，無法適用單井計(jì)量需要。本文在借鑒現(xiàn)有的多相流計(jì)量方法和產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，以噴嘴作為節(jié)流元件，建立基于壓差的多相流計(jì)量模型，研制在線計(jì)量裝置，實(shí)現(xiàn)氣井的濕氣兩相流量的在線計(jì)量。

1 噴嘴濕氣計(jì)量裝置的結(jié)構(gòu)

差壓式流量計(jì)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種系列化流量計(jì)，其基本原理是流體在流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)，節(jié)流處管道截面面積變小，流體流速變大，根據(jù)能量守恒定律，節(jié)流處的靜壓減小，與節(jié)流元件上游形成了壓力差，流體的流量越大，產(chǎn)生的壓差越大。本裝置在傳統(tǒng)的差壓計(jì)量方式基礎(chǔ)上，通過高頻差壓采集和計(jì)量模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)濕氣兩相計(jì)量。整個(gè)裝置以噴嘴節(jié)流元件為核心，流向入口處放置溫壓傳感器，分別測(cè)量流體介質(zhì)的壓力和溫度，后端搭載高頻差壓采集套件，以200次/秒的頻率采集差壓數(shù)據(jù)。

計(jì)量設(shè)備有如下特點(diǎn)：（1）設(shè)備高度集成，裝置整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，護(hù)罩外殼對(duì)內(nèi)部電子器件進(jìn)行保護(hù)；（2）設(shè)備智能化，現(xiàn)場(chǎng)就地顯示氣相流量、液相流量、氣液含率、氣液累計(jì)量、昨日產(chǎn)量、今日產(chǎn)量，同時(shí)具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能；（3）設(shè)備安裝維護(hù)簡單，設(shè)備安裝對(duì)井口空間要求小，通過法蘭直接與待測(cè)管道連接，噴嘴節(jié)流元件可拆卸，大小可調(diào)，配置排污口，管道堵塞排污便捷。

2 濕氣氣液含率在線計(jì)量模型

濕天然氣井的氣液兩相流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜，兩相流參數(shù)測(cè)量難度較大，兩相流流動(dòng)形態(tài)很難定量描述，流動(dòng)規(guī)律尚未完全認(rèn)識(shí)。

氣液兩相流在管道流動(dòng)過程中流型眾多，水平管道中的氣液兩相流的流型主要有泡狀流、塞狀流、彈狀流、分層流和環(huán)伏流五種。當(dāng)氣液兩相流體流過管道時(shí)，在管道任一截面上，兩相流體的各相含量、壓力等都具有隨時(shí)間呈周期性脈動(dòng)的特征[9]。對(duì)于同一來流，流過節(jié)流元件前后的差壓同樣具有周期性的變化[10]。因此通過分析一段時(shí)間內(nèi)的差壓序列和波動(dòng)特征，能夠較好的反映氣液兩相流態(tài)，將差壓波動(dòng)引入氣液兩相流量計(jì)量過程中具有重要意義。本文以高頻差壓傳感器采集的差壓數(shù)據(jù)為核心，通過分析差壓波動(dòng)，建立濕氣計(jì)量模型。

用差壓傳感器采集濕氣流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)產(chǎn)生的差壓ΔPi，一個(gè)采集周期測(cè)量的差壓為ΔP［n］，計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)的平均差壓ΔPtp：

濕氣流過差壓式流量計(jì)時(shí)，由于氣相對(duì)液相的攜帶與液相對(duì)氣相流動(dòng)的阻塞，且存在相間內(nèi)摩擦等因素，濕氣流經(jīng)節(jié)流元件產(chǎn)生的壓差要大于等量單相氣體流通所產(chǎn)生的壓差，這種壓差偏高的現(xiàn)象稱為“虛高”（Over reading），虛高值用OR 表示。濕氣計(jì)量過程中要確定虛高值，即虛高修正系數(shù)，才能進(jìn)行氣流量的準(zhǔn)確計(jì)量。虛高的計(jì)算公式如下：

OR 的大小與氣相密度ρg、液相密度ρl、流量大小、干度有關(guān)。其中ρg和ρl可通過實(shí)時(shí)測(cè)量的壓力P 與溫度T 計(jì)算。差壓波動(dòng)信號(hào)蘊(yùn)藏了質(zhì)量流量和干度的信息[11]，因此引入差壓波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差ΔB 替代流量和干度影響因素。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合得到虛高系數(shù)OR計(jì)算公式，見式（5）。

借鑒J.W.Murdock 以分相流模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)的公式如下：

聯(lián)合公式（2）、（5）、（6），求解ΔPg、ΔPl，再結(jié)合傳統(tǒng)的節(jié)流計(jì)算公式，計(jì)算濕氣中的氣液兩相流量。

式中：qg、ql－流體的體積流量，m3/s；C－流出系數(shù)，無量綱；ε－被測(cè)介質(zhì)的可膨脹性系數(shù)，ε＜1，無量綱；d－工況下噴嘴的等效內(nèi)徑，m；ΔPg、ΔPl－單相氣、單相液差壓，Pa；β－直徑比，無量綱，β＝d/D；D-管線直徑，m；ρg、ρl-工況下氣相、液相密度，kg/m3。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

本裝置研制成功后，在多個(gè)不同氣田、不同區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。以山西和內(nèi)蒙兩地氣井為例，在2021年11月-12月，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，并在試驗(yàn)期進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跟蹤和比對(duì)。井口來氣首先經(jīng)過濕氣流量計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行在線不分離計(jì)量，之后進(jìn)入氣液分離器，分離之后的氣相通過噴嘴流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，液相總量通過測(cè)量污水罐的液位進(jìn)行計(jì)量。首先統(tǒng)計(jì)氣井的工況信息，然后對(duì)氣相測(cè)量誤差和液相測(cè)量誤差進(jìn)行了誤差分析。

在山西某氣井試驗(yàn)過程中的流量計(jì)量對(duì)比圖見圖1，氣相產(chǎn)量變化維持在17 900～23 000 m3/d，液相產(chǎn)量變化維持在0.49～2.93 m3/d，與現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)式計(jì)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，氣相流量計(jì)量結(jié)果偏差在4%以內(nèi)，液相流量計(jì)量結(jié)果偏差在9%以內(nèi)。在內(nèi)蒙古某氣井試驗(yàn)過程中的流量計(jì)量對(duì)比圖見圖2，氣相產(chǎn)量變化維持在620～910 m3/h，液相產(chǎn)量變化維持在0.18～0.89 m3/h，與現(xiàn)場(chǎng)分離式計(jì)量設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，氣相流量計(jì)量結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，液相流量計(jì)量結(jié)果偏差在10%以內(nèi)。可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量精度要求。

圖1 山西某氣井在線計(jì)量設(shè)備與射線式移動(dòng)設(shè)備流量計(jì)量對(duì)比

圖2 內(nèi)蒙古某氣井在線計(jì)量設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)分離設(shè)備流量計(jì)量對(duì)比圖

分析原因可知，造成氣相測(cè)量誤差的原因是測(cè)試期間某氣井處于投產(chǎn)初期，后端用氣系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)處于反復(fù)開關(guān)井狀態(tài)，進(jìn)而造成濕氣流量計(jì)處于非正常工作狀態(tài)，最終導(dǎo)致氣相測(cè)量出現(xiàn)偏差。造成液相測(cè)量誤差較大的原因除上述反復(fù)開關(guān)井問題外，現(xiàn)場(chǎng)分離器分離后的液相直接輸送到污水罐內(nèi)，液相標(biāo)準(zhǔn)值的獲取是通過測(cè)量污水罐的液位變化計(jì)算得到的，由于污水罐形狀不規(guī)則以及人為測(cè)量液位高度存在一定的誤差，這些都反映在液相測(cè)量誤差中。

4 結(jié)論與建議

通過本文研究可得出如下結(jié)論：

（1）模型計(jì)量精度高，氣相計(jì)量精度誤差在5%以內(nèi)，液相計(jì)量精度誤差在10%以內(nèi)，其測(cè)量效果能夠基本滿足氣井現(xiàn)場(chǎng)的需求。

（2）本裝置在傳統(tǒng)的差壓計(jì)量方式基礎(chǔ)上，通過高頻差壓采集和計(jì)量模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)濕氣兩相計(jì)量，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本可控、適用范圍寬、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信等特點(diǎn)。

（3）采用不分離計(jì)量工藝、選用濕氣計(jì)量流量計(jì)可有效簡化井場(chǎng)工藝，減少井場(chǎng)工藝設(shè)施，且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

（4）為進(jìn)一步提高該種濕氣流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，流量計(jì)差壓變送器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度水平還有待進(jìn)一步提升。

隨著多相流計(jì)量技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的分離式流量計(jì)會(huì)逐步退出實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，未來多相流計(jì)量將著力于基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研制低成本、高精確度、高靈敏性、智能化在線裝置。