榆林南儲氣庫是長慶油田首座儲氣庫, 設(shè)集注試驗(yàn)站1座、注采水平井2口, 主要采用“集注站增壓, 注采合一, 兩級節(jié)流, 開工臨時注醇, 中高壓采氣, 低溫分離”工藝, 注采試驗(yàn)工程主要分為注氣期及采氣生產(chǎn)期階段。

  榆林南儲氣庫注采試驗(yàn)井口設(shè)計(jì)壓力為2 500 lb, 計(jì)量方案考慮三種方式[1]:

(1) 井口雙向連續(xù)計(jì)量。在井口設(shè)置雙向高壓流量計(jì), 滿足注采時的雙向連續(xù)計(jì)量, 注采管線合一。

(2) 注氣井口連續(xù)計(jì)量和采氣集注站輪換計(jì)量。單井采氣管線獨(dú)立設(shè)置, 在集注站實(shí)行輪換計(jì)量;注氣管線實(shí)行井口高壓連續(xù)計(jì)量。

(3) 站內(nèi)輪換計(jì)量。注氣和采氣管線均單獨(dú)設(shè)置, 且實(shí)行輪換計(jì)量。需要采氣計(jì)量的單井在站內(nèi)通過切換先經(jīng)過計(jì)量分離器分離掉游離水, 再進(jìn)行輪換計(jì)量;注氣管線根據(jù)計(jì)量要求通過切換進(jìn)行輪換計(jì)量。

  考慮成本、管理、操作的優(yōu)勢及現(xiàn)有技術(shù)的可行性, 榆林南儲氣庫注采試驗(yàn)采用了井口雙向流量計(jì)連續(xù)計(jì)量工藝, 圖1為井口工藝流程圖。采氣時, 井口天然氣經(jīng)過井下安全閥、地面緊急截?cái)嚅y、雙向流量計(jì)、軸流調(diào)節(jié)閥分別進(jìn)入注采雙向管線;注氣時, 集注站天然氣增壓后經(jīng)注采雙向管線輸至井場, 經(jīng)過井口雙向流量計(jì)分別回注地層。

  同時在集注站采氣過濾分離器之后設(shè)置了一路DN300閥室孔板節(jié)流裝置進(jìn)行總計(jì)量, 在每臺注氣壓縮機(jī)前設(shè)置一路DN150閥室孔板節(jié)流裝置進(jìn)行注氣量計(jì)量, 作為注采試驗(yàn)的一個計(jì)量比對。整個注采系統(tǒng)計(jì)量工藝流程見圖2。

  注采井雙向流量計(jì)的選擇既要滿足設(shè)計(jì)壓力2 500 lb的要求, 又要滿足注氣、采氣較大流量變化 (量程比至少1∶5) 的要求, 結(jié)合國內(nèi)儲氣庫井口計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用情況[2,3,4], 考慮采用四種流量計(jì)進(jìn)行雙向計(jì)量。

  超聲流量計(jì)基于傳播時間差法的原理[5]決定了其雙向計(jì)量的優(yōu)勢, 設(shè)計(jì)壓力2 500 lb的管道二聲道超聲流量計(jì)在國內(nèi)鹽穴儲氣庫有較好的應(yīng)用效果, 但價格昂貴, 60~80萬元/套。

  管道式超聲流量計(jì)規(guī)格可做到2~48 in、45 MPa;二聲道精度1%, 重復(fù)性0.2%;可測流速0.3~30 m/s;量程比寬 (100∶1) ;超聲換能器采用鈦合金, 抗沖刷。其缺點(diǎn)是井口采氣一級減壓調(diào)節(jié)振動、噪音對計(jì)量有影響;濕天然氣中水蒸氣對超聲波影響大, 積液時無法測量。

  與管道式超聲流量計(jì)[6]基本原理一致, 基于傳播時間差法。該流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是不受管道介質(zhì)高壓限制及介質(zhì)腐蝕影響;量程比寬 (100∶1) ;理論低流速 (1.5 cm/s) 測量能力強(qiáng);投資相對較低。缺點(diǎn)是安裝夾持工具要求高, 易受環(huán)境影響使探頭位置發(fā)生變化;雙向測量需要直管段較長;精度受安裝夾持影響大、流量不穩(wěn)定, 普通單聲道外夾式超聲波流量計(jì)在氣田應(yīng)用于單井濕氣流量校準(zhǔn)[7]時效果較差。

  國內(nèi)部分儲氣庫群注采雙向計(jì)量采用了進(jìn)口高壓靶式流量計(jì)[8], 設(shè)計(jì)壓力2 500 lb, 精度和重復(fù)性較好, 投資相對不高 (約20萬元/套) 。高壓靶式流量計(jì)規(guī)格可做到1/2~60 in、70 MPa;精度1%, 重復(fù)性0.15%;靈敏度高, 理論***小流速可達(dá)0.08 m/s;量程比較寬 (15∶1) ;可測量濕氣、脈動流;維護(hù)簡單, 可現(xiàn)場標(biāo)定、調(diào)量程。其缺點(diǎn)是采出物固體顆粒、機(jī)械雜質(zhì)、積液對計(jì)量靶沖擊影響大, 易損壞。

  流量計(jì)的基本原理為:介質(zhì)流動時, 流動質(zhì)點(diǎn)沖擊在靶上, 靶的受力作用在靶桿上, 使之產(chǎn)生微小的彎曲形變, 此形變由壓敏電阻應(yīng)變片感知, 經(jīng)應(yīng)變片電橋把力轉(zhuǎn)換成與流速的平方成正比關(guān)系的電信號。靶板受力計(jì)算式為 

其應(yīng)變片電橋電路如圖3所示。

  應(yīng)變片A2、A4朝向介質(zhì)流向的方向, A1、A3背向介質(zhì)的流動方向, 受力后A2、A4受擠壓電阻變小, A1、A3受拉伸電阻增大, 此時電橋平衡打破, 產(chǎn)生與流速平方成正比的電信號。

  孔板流量計(jì)不能直接雙向測量, 但可在注采周期間隙通過現(xiàn)場更換孔板片方向和配套雙差壓、溫度、壓力變送器分別計(jì)算注采流量[9]。孔板流量計(jì)***小規(guī)格可做到2 in、42 MPa;性能可靠, 檢定方便, 且投資較低 (約12萬元/套) 。然而, 高壓孔板計(jì)量的缺點(diǎn)也很明顯:

(1) 計(jì)量范圍窄。注采時流量變化范圍大, 可能會超出孔板量程運(yùn)行, 造成計(jì)量不準(zhǔn)。

(2) 取壓管路和排污管路安裝復(fù)雜。榆林冬季氣溫低, 采出濕天然氣即使采用電伴熱保溫, 從現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看, 仍易出現(xiàn)堵塞或凍堵, 要經(jīng)常維護(hù), 若采用高壓氣體放氣排堵, 存在安全風(fēng)險。

(3) 采出天然氣含砂、機(jī)械雜質(zhì)等固體顆粒, 孔板片及直管段使用一段時間后, 會對孔板片直角入口邊緣、直管段內(nèi)壁有嚴(yán)重的沖刷腐蝕, 注氣也存在沖刷, 這會影響孔板直角入口邊緣圓弧半徑和測量管內(nèi)表面粗糙度, 使流出系數(shù)發(fā)生變化, 引起不確定附加誤差。

(4) 調(diào)整量程或孔板磨損更換板片時, 需停氣、放空、拆卸更換, 影響計(jì)量連續(xù)性且有操作風(fēng)險, 還需要經(jīng)常檢查高壓取壓管路是否泄漏、堵塞, 維護(hù)工作量較大。

從投資成本和技術(shù)風(fēng)險考慮, 本試驗(yàn)工程考慮采用有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、投資相對不高的高壓靶式流量計(jì)進(jìn)行注采雙向計(jì)量。

  工程進(jìn)行了2輪先注后采試驗(yàn)并開始采氣生產(chǎn)。2口水平井1H井和2H井均安裝了DN100 2500 lb的靶式流量計(jì), 量程5 000~55 000 m3/h (標(biāo)況, 下同) , 并在PCS (過程控制系統(tǒng)) 進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。

  注氣期, 現(xiàn)場在1H井靶式流量計(jì)之前臨時加裝了FLEXIM單聲道外夾式超聲波流量計(jì)進(jìn)行比對測試, 直管段未達(dá)到流量計(jì)要求的前20D (D為管徑) 后20D的要求, 超聲流量計(jì)計(jì)算機(jī)未配置就地溫壓補(bǔ)償功能, 溫壓補(bǔ)償計(jì)算由集注站PCS進(jìn)行。

  在開啟1臺壓縮機(jī)對2口井注氣時, 平均注氣總量在33 000 m3/h左右, 井口壓力17~30 MPa, 1H井注氣量在13 000 m3/h左右, 2H井注氣量在20 000 m3/h左右。

(1) 對2口井注氣流量與注氣總流量 (孔板) 進(jìn)行8 h數(shù)據(jù)對比。從圖4可以看出:氣井按靶式+靶式計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在-2.5%以內(nèi);按超聲+靶式計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在-5%以內(nèi)。

(2) 對2口井注氣流量與注氣總流量 (孔板) 進(jìn)行2 h數(shù)據(jù)對比。從圖5可以看出:氣井按靶式+靶式計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在-1.5%以內(nèi);按超聲+靶式計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在-2.5%以內(nèi)。

  在啟動2臺壓縮機(jī)對2H井進(jìn)行***大注氣能力測試時, 注氣總量在5.5×104~6×104m3/h左右。

  對2H井注氣流量 (靶式) 與注氣總流量 (孔板) 進(jìn)行8 h數(shù)據(jù)對比。從圖6可以看出:在量程范圍內(nèi)靶式流量計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在±2%以內(nèi), 在2H井注氣總量接近或超過6×104m3/h時出現(xiàn)了6%~9%的大偏差。

  通過上述數(shù)據(jù)對比分析, 可以看出:

(1) 在氣質(zhì)條件較好 (干氣) 并滿足正常運(yùn)行量程下, 靶式流量計(jì)相比孔板流量計(jì)的相對偏差在2.5%以內(nèi), 計(jì)量效果較好。在高壓持續(xù)滿量程或超量程運(yùn)行時, 靶式流量計(jì)存在較大誤差, 2H井還曾發(fā)生過靶桿被打斷的事故 (圖7) 。

(2) 超聲波流量計(jì)相對孔板流量計(jì)的相對偏差在5%以內(nèi), 可以滿足生產(chǎn)計(jì)量的需要。

  分兩個階段進(jìn)行, 在前2輪注氣試驗(yàn)后分別進(jìn)行了試采, 從2014年開始正式開井生產(chǎn)。

  在輪注氣試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行了采氣試驗(yàn), 采氣階段1H井產(chǎn)量為6 000~9 000 m3/h, 壓力為5.9~16 MPa、溫度為6~33℃;2H井產(chǎn)量為2×104~4×104m3/h, 壓力為8~16 MPa, 溫度為14~55℃。2H井注氣靶損壞時, 已將1H井外夾超聲波流量計(jì)移裝到2H井。

(1) 對2口井總流量與采氣總流量 (孔板) 進(jìn)行20天同時刻數(shù)據(jù)對比。從圖8可以看出:氣井按靶式+靶式計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在-19%, 偏差范圍在5%左右;氣井按靶式+超聲計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在4%左右。

(2) 對2口井總流量與集注站采氣總流量 (孔板) 進(jìn)行1.5 h同時刻數(shù)據(jù)對比。從圖9可以看出:氣井按靶式+靶式計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差在-18%, 偏差范圍在5%內(nèi);采氣井按靶式+超聲計(jì)總量, 正常生產(chǎn)時相對孔板總流量的相對偏差在5%左右, 氣井?dāng)y液時相對偏差明顯增大, 達(dá)到12%, 但靶式流量計(jì)對氣井?dāng)y液不敏感。

(3) 只開2H井采氣, 對其超聲、靶式 (后新更換) 計(jì)量數(shù)據(jù)分別與采氣總流量 (孔板) 進(jìn)行30 min同時刻數(shù)據(jù)對比。從圖10可以看出:正常采氣時超聲流量計(jì)相對偏差基本在0~5%范圍內(nèi), 氣井間歇攜液時超聲流量計(jì)的相對偏差明顯增加;靶式流量計(jì)相對偏差超過-26%, 偏差范圍在4%左右, 但對氣井?dāng)y液不敏感。

  2014年后2口井開始生產(chǎn)采氣, 1H井產(chǎn)氣量從5 000 m3/h逐步下降至1 000 m3/h, 壓力7~5.3 MPa, 溫度15~30℃;2H井產(chǎn)氣量從20 000 m3/h逐步下降至5 000 m3/h, 壓力5.6~9 MPa、溫度15~45℃。1H井也加裝了外夾式超聲流量計(jì)。

  對2口井總流量與采氣總流量 (孔板) 5天整點(diǎn)時刻的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。從圖11可以看出:氣井按靶式+靶式計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差超過-15%, 偏差范圍在3%之內(nèi);按超聲+超聲計(jì)總量相對孔板總流量的相對偏差基本在-5%~0內(nèi), 但井口攜液時計(jì)量效果差。

(1) 靶式流量計(jì)在測量濕天然氣時, 準(zhǔn)確性較差, 相對偏差超過-15%, ***大達(dá)到-26%左右, 顯現(xiàn)出不適應(yīng)性, 但其穩(wěn)定性較好, 偏差范圍可在3%內(nèi)。分析其原因:一方面, 靶式流量計(jì)在出廠前是按照注氣壓力點(diǎn)15 MPa和溫度點(diǎn)55℃進(jìn)行標(biāo)定, 在采氣壓力較低時, 補(bǔ)償算法不能表達(dá)實(shí)際流量, 導(dǎo)致了計(jì)量結(jié)果不準(zhǔn)確;另一方面, 在采氣試驗(yàn)階段, 曾發(fā)現(xiàn)靶式流量計(jì)的靶桿在采氣方向產(chǎn)生明顯機(jī)械偏移, 也可能導(dǎo)致計(jì)量結(jié)果不可靠。

(2) 單聲道外夾式超聲波流量計(jì)臨時安裝在靶式流量計(jì)之前, 在沒有滿足較低前20D直管段情況下, 測量濕天然氣的準(zhǔn)確性比預(yù)期好, 相對偏差不超過5%, 但其穩(wěn)定性相對靶式較差, 特別是在濕氣間歇攜液時誤差過大。

  從長慶儲氣庫靶式與外夾式超聲波流量計(jì)注采雙向計(jì)量的試驗(yàn)應(yīng)用來看, 靶式和外夾超聲波流量計(jì)在注氣階段均表現(xiàn)出較好的準(zhǔn)確性。采氣階段進(jìn)行濕氣計(jì)量時, 靶式流量計(jì)出現(xiàn)了較大相對偏差, 外夾式超聲波流量計(jì)表現(xiàn)出較好的精度, 但對氣井?dāng)y液計(jì)量能力弱。

 外夾式超聲波流量計(jì)基本可以滿足注采雙向計(jì)量的需要。要實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)量穩(wěn)定性, 一是建議外夾式超聲流量計(jì)***好按雙聲道考慮, 并嚴(yán)格按照安裝條件進(jìn)行直管段設(shè)計(jì), 盡量減少流態(tài)影響, 同時將溫度、壓力補(bǔ)償直接在超聲流量計(jì)的流量計(jì)算單元進(jìn)行;二是建議在運(yùn)行期間定期檢查換能器的安裝定位情況并吹掃管線堆積物, 從而提高超聲波流量計(jì)的計(jì)量穩(wěn)定性。