孔板流量计与超声波流量计气库双向流量计选型

  榆林南储气库注采试验采用井口双向流量计连续计量工艺, 并与集注站孔板流量计的总计量数据比对, 重点对靶式和外夹式超声波流量计的注采双向计量进行了试验。靶式和外夹式超声波流量计在注气阶段均表现出较好的计量准确性, 其中靶式流量计的相对偏差在2.5%以内, 外夹式超声波流量计的相对偏差在5%以内。采气阶段进行湿气计量时, 靶式流量计准确性较差, 相对偏差超过-15%, ***大达到-26%左右, 外夹式超声波流量计具有较好的精度, 相对偏差不超过5%, 但对气井携液计量能力弱。外夹式超声波流量计基本可以满足注采双向计量的需要。

  榆林南储气库是长庆油田首座储气库, 设集注试验站1座、注采水平井2口, 主要采用“集注站增压, 注采合一, 两级节流, 开工临时注醇, 中高压采气, 低温分离”工艺, 注采试验工程主要分为注气期及采气生产期阶段。

  榆林南储气库注采试验井口设计压力为2 500 lb, 计量方案考虑三种方式[1]:

(1) 井口双向连续计量。在井口设置双向高压流量计, 满足注采时的双向连续计量, 注采管线合一。

(2) 注气井口连续计量和采气集注站轮换计量。单井采气管线独立设置, 在集注站实行轮换计量;注气管线实行井口高压连续计量。

(3) 站内轮换计量。注气和采气管线均单独设置, 且实行轮换计量。需要采气计量的单井在站内通过切换先经过计量分离器分离掉游离水, 再进行轮换计量;注气管线根据计量要求通过切换进行轮换计量。

  考虑成本、管理、操作的优势及现有技术的可行性, 榆林南储气库注采试验采用了井口双向流量计连续计量工艺, 图1为井口工艺流程图。采气时, 井口天然气经过井下安全阀、地面紧急截断阀、双向流量计、轴流调节阀分别进入注采双向管线;注气时, 集注站天然气增压后经注采双向管线输至井场, 经过井口双向流量计分别回注地层。

图1 井口双向计量工艺流程

  同时在集注站采气过滤分离器之后设置了一路DN300阀室孔板节流装置进行总计量, 在每台注气压缩机前设置一路DN150阀室孔板节流装置进行注气量计量, 作为注采试验的一个计量比对。整个注采系统计量工艺流程见图2。

图2 注采系统工艺计量流程示意图

  注采井双向流量计的选择既要满足设计压力2 500 lb的要求, 又要满足注气、采气较大流量变化 (量程比至少1∶5) 的要求, 结合国内储气库井口计量技术的应用情况[2,3,4], 考虑采用四种流量计进行双向计量。

  超声流量计基于传播时间差法的原理[5]决定了其双向计量的优势, 设计压力2 500 lb的管道二声道超声流量计在国内盐穴储气库有较好的应用效果, 但价格昂贵, 60~80万元/套。

  管道式超声流量计规格可做到2~48 in、45 MPa;二声道精度1%, 重复性0.2%;可测流速0.3~30 m/s;量程比宽 (100∶1) ;超声换能器采用钛合金, 抗冲刷。其缺点是井口采气一级减压调节振动、噪音对计量有影响;湿天然气中水蒸气对超声波影响大, 积液时无法测量。

  与管道式超声流量计[6]基本原理一致, 基于传播时间差法。该流量计的优点是不受管道介质高压限制及介质腐蚀影响;量程比宽 (100∶1) ;理论低流速 (1.5 cm/s) 测量能力强;投资相对较低。缺点是安装夹持工具要求高, 易受环境影响使探头位置发生变化;双向测量需要直管段较长;精度受安装夹持影响大、流量不稳定, 普通单声道外夹式超声波流量计在气田应用于单井湿气流量校准[7]时效果较差。

  国内部分储气库群注采双向计量采用了进口高压靶式流量计[8], 设计压力2 500 lb, 精度和重复性较好, 投资相对不高 (约20万元/套) 。高压靶式流量计规格可做到1/2~60 in、70 MPa;精度1%, 重复性0.15%;灵敏度高, 理论***小流速可达0.08 m/s;量程比较宽 (15∶1) ;可测量湿气、脉动流;维护简单, 可现场标定、调量程。其缺点是采出物固体颗粒、机械杂质、积液对计量靶冲击影响大, 易损坏。

  流量计的基本原理为:介质流动时, 流动质点冲击在靶上, 靶的受力作用在靶杆上, 使之产生微小的弯曲形变, 此形变由压敏电阻应变片感知, 经应变片电桥把力转换成与流速的平方成正比关系的电信号。靶板受力计算式为 

其应变片电桥电路如图3所示。

图3 靶式流量计结构原理

  应变片A2、A4朝向介质流向的方向, A1、A3背向介质的流动方向, 受力后A2、A4受挤压电阻变小, A1、A3受拉伸电阻增大, 此时电桥平衡打破, 产生与流速平方成正比的电信号。

  孔板流量计不能直接双向测量, 但可在注采周期间隙通过现场更换孔板片方向和配套双差压、温度、压力变送器分别计算注采流量[9]。孔板流量计***小规格可做到2 in、42 MPa;性能可靠, 检定方便, 且投资较低 (约12万元/套) 。然而, 高压孔板计量的缺点也很明显:

(1) 计量范围窄。注采时流量变化范围大, 可能会超出孔板量程运行, 造成计量不准。

(2) 取压管路和排污管路安装复杂。榆林冬季气温低, 采出湿天然气即使采用电伴热保温, 从现有运行经验来看, 仍易出现堵塞或冻堵, 要经常维护, 若采用高压气体放气排堵, 存在安全风险。

(3) 采出天然气含砂、机械杂质等固体颗粒, 孔板片及直管段使用一段时间后, 会对孔板片直角入口边缘、直管段内壁有严重的冲刷腐蚀, 注气也存在冲刷, 这会影响孔板直角入口边缘圆弧半径和测量管内表面粗糙度, 使流出系数发生变化, 引起不确定附加误差。

(4) 调整量程或孔板磨损更换板片时, 需停气、放空、拆卸更换, 影响计量连续性且有操作风险, 还需要经常检查高压取压管路是否泄漏、堵塞, 维护工作量较大。

从投资成本和技术风险考虑, 本试验工程考虑采用有应用经验、投资相对不高的高压靶式流量计进行注采双向计量。

  工程进行了2轮先注后采试验并开始采气生产。2口水平井1H井和2H井均安装了DN100 2500 lb的靶式流量计, 量程5 000~55 000 m3/h (标况, 下同) , 并在PCS (过程控制系统) 进行温压补偿。

  注气期, 现场在1H井靶式流量计之前临时加装了FLEXIM单声道外夹式超声波流量计进行比对测试, 直管段未达到流量计要求的前20D (D为管径) 后20D的要求, 超声流量计计算机未配置就地温压补偿功能, 温压补偿计算由集注站PCS进行。

  在开启1台压缩机对2口井注气时, 平均注气总量在33 000 m3/h左右, 井口压力17~30 MPa, 1H井注气量在13 000 m3/h左右, 2H井注气量在20 000 m3/h左右。

(1) 对2口井注气流量与注气总流量 (孔板) 进行8 h数据对比。从图4可以看出:气井按靶式+靶式计总量相对孔板总流量的相对偏差在-2.5%以内;按超声+靶式计总量相对孔板总流量的相对偏差在-5%以内。

(2) 对2口井注气流量与注气总流量 (孔板) 进行2 h数据对比。从图5可以看出:气井按靶式+靶式计总量相对孔板总流量的相对偏差在-1.5%以内;按超声+靶式计总量相对孔板总流量的相对偏差在-2.5%以内。

  在启动2台压缩机对2H井进行***大注气能力测试时, 注气总量在5.5×104~6×104m3/h左右。

  对2H井注气流量 (靶式) 与注气总流量 (孔板) 进行8 h数据对比。从图6可以看出:在量程范围内靶式流量计总量相对孔板总流量的相对偏差在±2%以内, 在2H井注气总量接近或超过6×104m3/h时出现了6%~9%的大偏差。

  通过上述数据对比分析, 可以看出:

(1) 在气质条件较好 (干气) 并满足正常运行量程下, 靶式流量计相比孔板流量计的相对偏差在2.5%以内, 计量效果较好。在高压持续满量程或超量程运行时, 靶式流量计存在较大误差, 2H井还曾发生过靶杆被打断的事故 (图7) 。

图4 井口注气总量与注气孔板总流量8 h数据对比

图5 井口注气总量与注气孔板总流量2 h数据对比

图6 2H井井口靶式流量计计量与注气总流量计量数据对比

图7 2H井流量计靶杆折断照片

(2) 超声波流量计相对孔板流量计的相对偏差在5%以内, 可以满足生产计量的需要。

  分两个阶段进行, 在前2轮注气试验后分别进行了试采, 从2014年开始正式开井生产。

  在轮注气试验结束后进行了采气试验, 采气阶段1H井产量为6 000~9 000 m3/h, 压力为5.9~16 MPa、温度为6~33℃;2H井产量为2×104~4×104m3/h, 压力为8~16 MPa, 温度为14~55℃。2H井注气靶损坏时, 已将1H井外夹超声波流量计移装到2H井。

(1) 对2口井总流量与采气总流量 (孔板) 进行20天同时刻数据对比。从图8可以看出:气井按靶式+靶式计总量相对孔板总流量的相对偏差在-19%, 偏差范围在5%左右;气井按靶式+超声计总量相对孔板总流量的相对偏差在4%左右。

(2) 对2口井总流量与集注站采气总流量 (孔板) 进行1.5 h同时刻数据对比。从图9可以看出:气井按靶式+靶式计总量相对孔板总流量的相对偏差在-18%, 偏差范围在5%内;采气井按靶式+超声计总量, 正常生产时相对孔板总流量的相对偏差在5%左右, 气井携液时相对偏差明显增大, 达到12%, 但靶式流量计对气井携液不敏感。

(3) 只开2H井采气, 对其超声、靶式 (后新更换) 计量数据分别与采气总流量 (孔板) 进行30 min同时刻数据对比。从图10可以看出:正常采气时超声流量计相对偏差基本在0~5%范围内, 气井间歇携液时超声流量计的相对偏差明显增加;靶式流量计相对偏差超过-26%, 偏差范围在4%左右, 但对气井携液不敏感。

图8 井口采气总量与集注站采气总量20天数据对比

图9 井口采气总量与集注站采气总量1.5 h数据对比

  2014年后2口井开始生产采气, 1H井产气量从5 000 m3/h逐步下降至1 000 m3/h, 压力7~5.3 MPa, 温度15~30℃;2H井产气量从20 000 m3/h逐步下降至5 000 m3/h, 压力5.6~9 MPa、温度15~45℃。1H井也加装了外夹式超声流量计。

  对2口井总流量与采气总流量 (孔板) 5天整点时刻的生产数据进行对比。从图11可以看出:气井按靶式+靶式计总量相对孔板总流量的相对偏差超过-15%, 偏差范围在3%之内;按超声+超声计总量相对孔板总流量的相对偏差基本在-5%~0内, 但井口携液时计量效果差。

(1) 靶式流量计在测量湿天然气时, 准确性较差, 相对偏差超过-15%, ***大达到-26%左右, 显现出不适应性, 但其稳定性较好, 偏差范围可在3%内。分析其原因:一方面, 靶式流量计在出厂前是按照注气压力点15 MPa和温度点55℃进行标定, 在采气压力较低时, 补偿算法不能表达实际流量, 导致了计量结果不准确;另一方面, 在采气试验阶段, 曾发现靶式流量计的靶杆在采气方向产生明显机械偏移, 也可能导致计量结果不可靠。

(2) 单声道外夹式超声波流量计临时安装在靶式流量计之前, 在没有满足较低前20D直管段情况下, 测量湿天然气的准确性比预期好, 相对偏差不超过5%, 但其稳定性相对靶式较差, 特别是在湿气间歇携液时误差过大。

  从长庆储气库靶式与外夹式超声波流量计注采双向计量的试验应用来看, 靶式和外夹超声波流量计在注气阶段均表现出较好的准确性。采气阶段进行湿气计量时, 靶式流量计出现了较大相对偏差, 外夹式超声波流量计表现出较好的精度, 但对气井携液计量能力弱。

图1 0 2H井靶式、超声流量计计量与采气总流量30 min同时刻数据对比

图1 1 井口采气总量与集注站采气总量5天整点时刻数据对比

 外夹式超声波流量计基本可以满足注采双向计量的需要。要实现更高的计量稳定性, 一是建议外夹式超声流量计***好按双声道考虑, 并严格按照安装条件进行直管段设计, 尽量减少流态影响, 同时将温度、压力补偿直接在超声流量计的流量计算单元进行;二是建议在运行期间定期检查换能器的安装定位情况并吹扫管线堆积物, 从而提高超声波流量计的计量稳定性。