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      节流式与涡街式流量计组合测量气田湿气气液两相流量的方法

      来源: 1. 长庆油田油气工艺研究院·低渗透油气田勘探开发国家工程实验室; 2. 长庆油田第一采气厂 作者:张春涛、梁凌云、郄喜飞、张沂、曾萍 发布日期:2021-05-15

              摘要:针对苏里格气田井间串接、井口湿气计量工艺模式下单井无液相计量的问题,提出了节流式流量计涡街式流量计组合测量湿气气液两相流量的方法。通过将两种流量计测量管集成,再加上差压静压、频率温度集成式传感器,简化了流量计整体结构。采用室内空气-水两相流实验平台对该组合式湿气流量计的计量精度进行测试表明:当瞬时液量为 0.05~4 m3/h 时,组合式湿气流量计气相、液相测量误差分别在 5%、20%以内。采用分离计量装置在气井井口对组合式湿气流量计计量精度进行测试表明:泡排气井气相、液相测量平均误差分别在 5%、20%以内,能够准确反映气井出液规00律0,可为泡排加注制度优化提供指导;柱塞气举井气相测量误差在 8%以内,液相测量误差较大,但能够准确反映柱塞气井出液特征,测试结果可为柱塞气井工况诊断及生产制度优化提供依据。(图 8, 表 2,参 17)

       
              湿气气液两相计量技术是近年来的研究热点,国内外开展了大量研究[1-8]。其研究内容主要分为两类:一类是节流式流量计结合伽马射线等相含率测试技术,如兰州海默公司的“文丘里管+伽马射线”湿气流量计、西安铭度公司的“孔板+伽马射线”湿气流量计,该类湿气流量计测量精度相对较高,但装置成本高,在苏里格气田主要用于开展气井气液两相移动测试服务;另一类是两个或多个单相流量计组合,根据其对湿气测量的不同虚高特性得出气液两相测量模型,如天津大学的 TTWGF 型“内锥+文丘里”湿气流量计、其他高?沟乃凼娇装宀饬科毫较嗔骷际醯,该类技术尚处于研究及试验阶段。
       
              长庆苏里格气田采用的井下节流、井间串接、井口湿气计量工艺大幅降低了地面建设投资,实现了气田的经济有效开发,但井口简易孔板流量计湿气计量工艺无单井液相计量,且气相测量误差较大,给气田稳产阶段的气井精细化管理带来了困难[9]。现场主要采用分离计量装置定期移动测试单井气液产量[10-12],成本高,且无单井气液产量实时数据,无法大规模应用。
       
              随着气田大面积开展泡沫排水、柱塞气举等排水采气措施[13-14],气井普遍间歇出液,瞬时流量波动大、流态复杂多变,大幅增加了气井气液两相的计量难度。因此,将节流式流量计与涡街式流量计组合集成,通过计算混合流体平均密度实现气液两相流量测量,并在苏里格气田泡排、柱塞气举排水采气井进行现场试验,以期为排水采气措施气井生产制度优化及精细化管理提供有效依据。
       
      1 组合式湿气流量计结构
      节流式与涡街式组合测量湿气流量计(简称组合式湿气流量计)主要由节流装置、频率温度变送器、差压压力传感器、流量积算仪、取压管路等组成(图 1)。
      组合式湿气流量计结构组成示意图
              将旋涡发生体、传感器探头安装在节流式流量计节流装置通道内(图 2),降低了流量计整体长度;优选EJA110E 型差压传感器,可同时输出差压和静压,减少了传感器数量;将压电芯片(旋涡频率信号检测传感器)和 PT100 热电阻(温度信号检测传感器)封装在一起形成频率温度一体化传感器,减少了传感器管道开孔数量;流量积算仪(图 3)基于 EJA110E 型差压传感器二次开发,通过 HART 协议与差压压力传感器通信、RS485 协议与频率温度传感器通信,实现了信号采集处理、流量计算及显示功能。该设计思路减少了传感器数量,简化了流量计结构,有利于现场应用。
      组合式湿气流量计的节流装置结构示意图组合式湿气流量计的节流装置结构示意图
      2 测量原理
              涡街式流量计通过测量旋涡频率信号实现流体流量测量[15],节流式流量计通过测量差压实现流体流量测量[16]。当湿气在水平管中以大于 15 m/s 的流速流动时,湿气中气液两相流为环雾流,通常称为雾状流,可近似为均相流。将以上两种流量计组合同时测量湿气,理论上可以实现湿气气液混合流体平均密度测量,根据已知的气、液单相密度可推导得出气液两相流量[17]。
       
              因两种流量计测量湿气均存在虚高,得出的气液流量与实际流量不一致,但能反映变化趋势,因此采用室内空气-水两相流实验平台对理论模型测量结果进行实验修正,并建立气液两相流量与气液混合流体平均密度的修正模型。该组合式湿气流量计的测量精度理论上取决于修正模型的准确度,由于室内实验介质与气井现场介质的差异性,且室内为低压工况,因此应用于气井现场中低压工况时会导致误差增大。
       
      3 室内实验
              采用空气-水两相流实验平台对组合式湿气流量计进行了气液计量精度测试。
       
      3.1 实验流程
              实验介质为空气和水。实验中,空气由压缩机升压后进入储气罐进行稳流,然后经气量调节阀进行流量调节后采用孔板流量计计量;水由水泵升压进入储水罐稳压,然后经水流量调节阀进行流量调节后采用质量流量计计量;空气和水单独计量后混合,流经组合式湿气流量计进行气液两相流量测量,然后气液混合流体进入气液分离器进行气液分离,空气通过调压阀排入大气,水通过排液阀进入敞口水池循环利用?掌艿拦芫 50 mm,水管道为管径 40 mm、15 mm 的两路管道并联,空气与水混合后的管道管径为 50 mm;将组合式湿气流量计测量的气、液流量值与混合前气、液流量单独测量值进行比对,即可评价该组合式湿气流量计计量精度(图 4)。
       室内空气-水两相流模拟实验平台测试组合式湿气流量计 计量精度流程图
      3.2 实验工况
              组合式湿气流量计样机参数:管径 50 mm,节流通道内直径 25 mm,设计压力 6.3 MPa,差压传感器量程0~500 kPa。实验工况:空气流量为 200 m3/h、400 m3/h、600 m3/h, 共 3 个流量点;水流量在 0~6 000 L/h 之间,有 30 多个流量点;压力约为 0.8 MPa,共测试 100 余组不同工况;液气体积比在 0~0.016 范围内变化,流体温度在16~34 ℃之间变化,流量计差压在 1.8~298 kPa 之间变化?掌退拿芏确直鹞 1.209 kg/m3 和 998 kg/m3。
       
      3.3 实验结果
              以孔板流量计和质量流量计作为标准表分别测量空气和水的流量,通过调节不同工况下的空气、水流量,待流量计瞬时流量显示稳定后,同时记录空气、水标准表瞬时流量和组合式湿气流量计测量的气液瞬时流量,计算在不同工况下组合式湿气流量计气液测量误差。实验结果表明:当瞬时液量在50~4 000 L/h 范围内时,该组合式湿气流量计气、液测量误差分别在 5%、20%以内;超出此范围,组合式流量计测量误差增大(图 5)。
       

      空气流量为 200 m3 /h空气流量为 400 m3 /h 空气流量分别为 200 m3 /h、400 m3 /h、600 m3 /h 时组合式 湿气流量计的气液流量测量误差对比图

       
      4 现场试验
              2017—2018 年先后在苏里格气田泡沫排水井、柱塞气举井开展了该组合式湿气流量计的现场试验(图 6),组合式湿气流量计与分离计量装置串联安装,将分离计量装置作为标准装置,测试组合式湿气流量计的测量精度。井口湿气首先经过组合式湿气流量计计量,然后通过分离计量装置进行气液分离计量,分离后气相采用旋涡流量计计量(准确度 1.5 级),液相采用磁浮子液位计计量(精度 1 mm,折合体积 0.2 L),可根据分离器实时液位计算出瞬时液量,气液分离计量后混输至采气管道。
       空气流量分别为 200 m3 /h、400 m3 /h、600 m3 /h 时组合式 湿气流量计的气液流量测量误差对比图
      4.1 泡排井试验
              2017 年在苏 1 井开展试验(表 1),该井定期向油管加注泡排剂排水生产,试验期间生产油压 2.7 MPa,瞬时气量在 400~1 000 m3/h 内波动,间歇出液,出液期间瞬时液量在 0~2 000 L/h 内波动。采用分离计量装置比对测试,组合式湿气流量计气、液测量平均误差分别为 3.3%、-10.1%,当气井产液较小时,液相误差超出 ±20%;当气井产液较大时,液相误差在 ±20%内。
      2017 年苏 1 井组合式湿气流量计现场试验结果
              由苏 1 井组合式湿气流量计测量气液瞬时流量变化曲线(图 7)可见,当该井瞬时液量迅速增大,即带出井筒积液时,产气量上升,表明该井泡沫排水采气措施有效;随后瞬时气量逐渐降低,且瞬时液量较小或不产液,表明井筒开始积液,需要及时加注泡排剂辅助生产。分析认为,该组合式湿气流量计测量气、液流量能够准确反映泡排气井的生产规律,可有效指导气井泡排生产制度优化及精细化管理。
      苏 1 井组合式湿气流量计测量气、液瞬时流量变化曲线图
      4.2 柱塞气举井试验
              2018 年在苏 2 井开展试验(表 2),该井采用柱塞气举排水采气生产,生产制度为关 6 h 开 2 h,生产过程中油压约 1.0 MPa,日均产气量 0.4×104
       m3。
      2018 年苏 2 井组合式湿气流量计现场试验结果
              采用分离计量装置比对测试,该湿气流量计气相测量误差在 ±8%内,液相测量误差较大。由苏 2 井组合式湿气流量计与分离计量装置测量瞬时气量、瞬时液量比对曲线(图 8)可见:柱塞气举井生产过程中出液持续时间极短且瞬时液量很大,主要以段塞流形式出现,表明柱塞顺利将井筒积液从井底举升至井口,柱塞运行正常;如果气井不产液,表明柱塞运行不正常。该组合式湿气流量计能够准确反映气井瞬时气量、液量的变化规律,可以准确判断柱塞运行情况,指导气井生产制度优化。
      2018 年 6 月 19 日苏 2 井组合式湿气流量计与分离计量装置测量瞬时气量、瞬时液量对比曲线图
      4.3 测量误差
      组合式湿气流量计现场测试结果相对于室内测试,误差增大的主要原因为:
              (1)组合式湿气流量计需要输入气相组分及液相密度,苏里格气田气井产出天然气气相组分变化不大,但气井产出液体中普遍含有凝析油,即为油水混合物,不同井或同一井不同生产阶段凝析油体积分数不一致,现场不便于确定。因此,现场试验时,取区块凝析油平均体积分数计算出液相平均密度,导致湿气流量计液相测量误差增大。
              (2)气井加注泡排剂后,产出液起泡导致密度发生变化,且泡沫液进入分离器后致使分离效果变差,因此,分离计量装置测量的液相体积不准确,从而导致泡排井液相测量误差增大。
              (3)因室内空气-水两相流实验平台条件限制,组合式湿气流量计测量模型是在室内 1.2 MPa 以下、液相流量 0~4 m3/h 范围内修正得出的,超出此范围会导致测量误差增大。现场试验苏 1 井生产油压为2.7 MPa,苏 2 井出液时瞬时液量在 0~7 000 L/h 波动(图 8),均超出了室内实验工况,也造成湿气流量计测量误差增大。
       
      5 结论
              (1)组合式湿气流量计通过测量湿气平均密度实现气液两相流量测量,室内空气-水两相流实验表明:当瞬时液量在 50~4 000 L/h 范围时,组合式湿气流量计气、液相测量误差分别在 5%、20%内,超出此范围测量误差则会增大。
              (2)现场试验表明,该湿气流量计测量泡排气井产出湿气时,气、液测量平均误差分别在 5%、20%内,能够准确反映泡排气井出液规律;当测量柱塞气举井产出湿气时,气相测量误差在 ±8%内、液相测量误差较大,但瞬时液量测量结果能够准确反映柱塞井出液特征。
              (3)因苏里格气田气井产出液相中含有凝析油及泡沫,室内实验平台工况无法包括现场气井全部工况,导致湿气流量计现场测试误差大,但测量数据能够准确反映出液规律,可以通过对气井大液量段出液时机及规律进行分析,有效评价泡排、柱塞气举措施效果,进而指导制度优化,提高气井精细管理水平。

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