長寧—威遠區(qū)塊頁巖氣壓后返排液精確計量技術(shù)研究

廖 剛

(川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

頁巖氣是一種儲量高、清潔、低碳的非常規(guī)天然氣，已成為天然氣資源的新寵兒。為了盡可能開采出天然氣，獲取更多的工業(yè)氣流，進行大規(guī)模水力加砂壓裂對頁巖儲層進行改造是提高頁巖氣產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。儲層改造的效果又必須通過排液采氣作業(yè)來進行檢驗，在整個頁巖氣開發(fā)鏈中有著至關(guān)重要的作用。而返排液體的計量又是整個排液采氣作業(yè)的重要組成部分，它的準確計量可以為整個長寧—威遠區(qū)塊排液、除砂、產(chǎn)氣等規(guī)律的探尋提供重要的數(shù)據(jù)支撐。但是由于頁巖氣平臺布井多(通常1個平臺6口井)，返排液量大(通常單井返排液超過1 000 m3)，返排測試周期長，這就為液體的準確計量帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前，液體計量還比較落后，很多平臺還是采用的手工計量或者估算的方式(根據(jù)排液口情況折算)，該計量方式雖然操作簡單，但是計量準確度較低，且不能實現(xiàn)返排液的實時在線計量，勢必造成返排液的計量誤差較大，給頁巖氣勘探、開發(fā)、生產(chǎn)帶來較大的困擾。因此，必須改變傳統(tǒng)的計量方式，找到合適的設(shè)備能夠?qū)σ后w進行實時的在線計量，以提高返排液的計量準確度，為頁巖氣的開發(fā)決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

一、頁巖氣返排液計量儀器優(yōu)選

目前針對液體的計量，除了傳統(tǒng)的手工計量方式外，比較常用的方法是通過質(zhì)量流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、電磁流量計來對液體進行計量[1]。但是在實際液體計量過程中它們又各存在優(yōu)缺點(見表1)。

根據(jù)各液體流量計的優(yōu)缺點綜合對比，結(jié)合長寧—威遠頁巖氣排液采氣現(xiàn)場實際情況，考慮到頁巖氣具有返排測試周期長(少則3個月，多則1年以上)、返排溫度高(返排初期威遠區(qū)塊井口溫度一般在70℃～80℃，部分井甚至高達100℃)、液體黏度低(0.9～1.2 mPa·s)等特點，再充分考慮設(shè)備使用中的安全性及可靠性，確保流量計即使故障也不會對系統(tǒng)中其他設(shè)備造成影響，從而在不影響安全生產(chǎn)的前提下，頁巖氣應(yīng)該使用渦輪流量計來對返排液體進行精確計量，其主要優(yōu)點有：①渦輪流量計準確度高(準確度一般為±0.2%～±1.5%)；②范圍寬(最大和最小線形流量比一般為 7 ∶1～10 ∶1)。③重復(fù)性好(一般為 0.05%～0.2%)；④耐壓性好(儀表殼體采用不銹鋼精加工)；⑤信號無損耗傳輸；⑥耐腐蝕能力強。

表1 液體流量計優(yōu)缺點對比表

二、渦輪流量計工作原理

渦輪流量計主要由殼體、前導(dǎo)流器、葉輪、后導(dǎo)流器、壓緊墊圈、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器(帶放大器)等部分組成[2]，如圖1。

圖 1 渦輪流計結(jié)構(gòu)圖

1殼體 2前導(dǎo)流器 3葉輪 4后導(dǎo)流器 5壓緊墊圈 6帶放大器的磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器

它是以動量守恒原理為基礎(chǔ)的速度式流量儀表，根據(jù)理論及大量的試驗可知，渦輪流量計轉(zhuǎn)動的頻率與返排液流速存在一定的關(guān)系，即在特定的流量及黏度條件下，它們是成正比例關(guān)系的[3]。當(dāng)加砂壓裂后返排出的液體沖擊渦輪流量計的渦輪時，渦輪會轉(zhuǎn)動，不斷切割磁力線，導(dǎo)致磁通量周期性變化，使得通電線圈內(nèi)的電流和電位也周期性改變。磁電轉(zhuǎn)換器會將此電信號經(jīng)過整形并放大處理，得到可識別的脈沖信號，再將脈沖信號輸送至計算機。計算機將搜集到的脈沖信號進行實時處理、計算、存儲和顯示，實現(xiàn)了對每口井的排液量實時存儲、顯示，主要計算公式如下[4]：

f=KQv

(1)

式中：f—渦輪的轉(zhuǎn)動頻率；Qv—液體體積流量；K—渦輪流量計儀表系數(shù)。

三、渦輪流量計的安裝

渦輪流量計一般安裝在分離器液路出口的下游管道上，其安裝維護要點如下：

(1)渦輪流量計要安裝在地面流程的直管段上，要求渦輪流量計上游管線直管段長度是管線直徑的2倍以上，下游管線直管段長度是管線直徑的7倍以上，同時要求渦輪流量計傳感器與插入傳感器的基座保持垂直。

(2)安裝前必須檢查到位，確保能夠靈活轉(zhuǎn)動且葉片未發(fā)生變形，并事先測試看是否能夠正常運轉(zhuǎn)、有無信號干擾儀表。

(3)當(dāng)使用一段時間需要維護時，需要拆傳感器時，當(dāng)顯示頭逆時針旋轉(zhuǎn)至極限位置時，應(yīng)緩慢轉(zhuǎn)動插入桿，避免用力過猛損壞傳感器。

(4)渦輪流量計前后兩端，使用合適的基墩緊固，避免返排過程中渦輪流量計震動，影響計量效果。

四、提高儀器計量準確度

1.選擇合適的渦輪流量計

頁巖氣返排時，應(yīng)根據(jù)管道公稱壓力、返排液最高壓力、返排液溫度、流體組分、流量范圍及信號輸出等要求綜合考慮渦輪流量計的規(guī)格型號。在頁巖氣排液采氣作業(yè)中，要盡量選擇合適的液體渦輪流量計，既要避免價格過高造成資源浪費，又要避免流量計選擇不合適，造成較大的計量誤差。在選擇流量計之前應(yīng)首先根據(jù)整個平臺井排液量和返排流體可能達到的溫度和壓力范圍，估算出輸送返排液的最高和最低的工況流量，正確選擇規(guī)格合適的流量計。選擇渦輪流量計的總體原則是[5]：盡量使計量流量在渦輪流量計最大流量的15%～70%的范圍內(nèi)，這樣不僅提高了渦輪流量計計量準確度又可以延長渦輪流量計的使用壽命。為了使得返排流量控制在合理的范圍內(nèi)，提高計量準確度，施工現(xiàn)場一般將4個尺寸的渦輪流量計并聯(lián)安裝。

當(dāng)初期使用小油嘴返排時，流量較小時一般選取?25.4 mm的渦輪流量計，當(dāng)流量變大時，根據(jù)不同尺寸的渦輪流量計對應(yīng)的參數(shù)表(見表2)，將液流切換到其它尺寸的渦輪流量計，確保整個返排過程的流量始終保持在流量計最大流量的15%～70%范圍內(nèi)運行，以提高返排液的計量準確度。

表2 不同尺寸渦輪流量計參數(shù)表

2.儀表系數(shù)K的現(xiàn)場修訂方法

在一定的流量范圍及黏度條件下，液體渦輪流量計讀數(shù)是比較準確的，但是在頁巖氣排液現(xiàn)場某些時段內(nèi)排量并不穩(wěn)定(段塞流)，液體黏度也并不恒定(如：鉆磨洗井會泵入不同黏度的工作液)，所以儀表系數(shù)K不可能在任意流量范圍和任意黏度下均保持數(shù)值一定，或者說，流量計在不同流量下測量時，其K系數(shù)是不一樣的。為了保證計量準確度，需要現(xiàn)場每天標定儀表系數(shù)，下面介紹儀表系數(shù)K的現(xiàn)場確定方法。

修正前的儀表系數(shù)用K表示，修正后的系數(shù)用K′表示，為了對系數(shù)進行修訂，在生產(chǎn)現(xiàn)場，渦輪流量計所連接的地面流程后端同時連接了一個計量罐，在頁巖氣平臺采用每口井輪流進罐的方法對系數(shù)K′進行修正，其具體修正計算公式如式(2)：

K′=Kq/q′

(2)

式中：K′—渦輪流量計修正后的系數(shù)；K—為初始系數(shù)；q—為計量罐實測返排量(一般不低于1 h)；q′—渦輪流量計相同時間內(nèi)的返排量。

表3 威XX平臺渦輪流量計儀表系數(shù)現(xiàn)場修訂表

從表3看出，在實際生產(chǎn)過程過程中，將前一天修正后的儀表系數(shù)K′作為后一天的修正系數(shù)K，而通過修正計算公式重新修訂的系數(shù)作為K′，每天重復(fù)，同一平臺不同井進行輪流進計量罐，不斷對系數(shù)進行修正，大大提高了返排液計量準確度。

3.使用Fisher閥自動控制分離器液位避免氣體進入渦輪流量計

根據(jù)前面介紹的渦輪流量計測量液體優(yōu)缺點可知，利用渦輪流量計測量氣、液兩相流時，流體會產(chǎn)生很大的計量誤差。為了提高返排液的計量準確度，在現(xiàn)場使用渦輪流量計時，盡量確保分離器液路出口不竄氣，在生產(chǎn)現(xiàn)場可以利用Fisher閥自動控制分離器液位，一般將分離器液位控制在液位看窗的2/3以上，確保進入渦輪流量計進行計量的流體都是液體，而沒有氣體干擾渦輪流量計的計量結(jié)果。

4.渦輪流量計與無線數(shù)采有機結(jié)合實現(xiàn)了在線實時精確計量

渦輪流量計與無線數(shù)采有機結(jié)合，組成了全新的在線實時計量系統(tǒng)(如圖2所示)，改變了傳統(tǒng)的手工計量方式，當(dāng)流體經(jīng)過流量計時，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，通過磁電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生實時脈沖電流信號(4～20 mA)，并輸送到計算機。而對計算機中的無線數(shù)采系統(tǒng)進行了二次編程增加了在線計量模塊，本模塊將搜集到的脈沖電流信號進行實時處理、計算、存儲和顯示，本模塊實現(xiàn)了渦輪流量計和無線數(shù)采的無縫銜接，自動計算出每口井的排液量并實時顯示，從而實現(xiàn)了渦輪流量計的在線實時計量。為了提高返排液體的計量準確度，可以將無線數(shù)采的采集頻率設(shè)置為1 s，即每1 s讀取一個返排流量值，然后再利用數(shù)采軟件自動疊加每秒的讀數(shù)，確保了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準確性。

為了提高頁巖氣壓后返排液體計量的準確度，上面方法同時使用，在頁巖氣平臺取得了較好的效果，計量誤差率較低(見表4)。

圖2 在線計量系統(tǒng)工作框圖

表4 在線計量系統(tǒng)與計量罐階段排液對比表

五、結(jié)論及建議

(1)通過渦輪流量計和無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有機結(jié)合、無縫銜接，形成了長寧—威遠區(qū)塊頁巖氣壓后返排液精確計量技術(shù)，實現(xiàn)了對返排液在線、實時、精確計量，為整個區(qū)塊的開發(fā)、部署及生產(chǎn)制度的確定提供了數(shù)據(jù)支撐。

(2)通過渦輪流量計并聯(lián)、儀表系數(shù)及時修正、Fisher閥自動控制分離器液位等方法的綜合運用，極大提高了頁巖氣壓后返排液的計量準確度，其誤差率小于5%。

(3)壓后返排液的在線、精確計量技術(shù)在頁巖氣平臺的成功應(yīng)用，有助于認識整個區(qū)塊的排液情況，為進一步揭示長寧—威遠頁巖氣示范區(qū)壓后地層的排液規(guī)律奠定堅實的基礎(chǔ)。因此，建議加大該技術(shù)的推廣應(yīng)用力度。