在線不分離濕氣計量技術(shù)在頁巖氣中的應(yīng)用

王念榕 駱成松 巴璽立 張 哲 巨 龍 徐 英 吳海濤 趙國安

1. 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院, 北京 100083; 2. 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司, 浙江 杭州 310023; 3. 天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院, 天津 300072

0 前言

頁巖氣作為一種非常規(guī)氣藏,正逐漸成為中國天然氣工業(yè)的重要一環(huán)。頁巖氣主要存在于巖石的裂縫或基質(zhì)孔隙內(nèi),以游離態(tài)或者吸附態(tài)存在。已進入商業(yè)化開采階段的頁巖氣展現(xiàn)出了強大的生命力。近年來,涪陵、長寧-威遠、昭通、延長四個國家級頁巖氣示范區(qū)相繼建成。據(jù)統(tǒng)計,中國在2018年頁巖氣產(chǎn)量已突破108×108m3,并形成了以3 500 m鉆井深度為主的開發(fā)配套工程技術(shù),使我國成為繼美國、加拿大之后第三個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)的國家[1-5]。根據(jù)中國發(fā)布的《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》,中國頁巖氣產(chǎn)量將會有大幅度增長。

與常規(guī)天然氣相比,頁巖氣藏的儲層一般呈現(xiàn)低孔、低滲透率的物理特征,通?？紫抖茸罡邇H為4%～5%,滲透率小于1×10-3μm,氣流阻力比常規(guī)天然氣氣流阻力大,嚴重阻礙了頁巖氣井的產(chǎn)出率。隨著水力壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,頁巖氣商業(yè)化開采成為現(xiàn)實。但是水力壓裂耗水量巨大(其中涪陵頁巖氣田單井壓裂用水量29 400～40 000 m3,而長寧—威遠、昭通單井壓裂用水量在22 500～36 000 m3),由此可見,在正式開采過程中產(chǎn)生的大量返排液不僅影響井口計量的準確性,而且會縮短頁巖氣井的生命周期[6-8]。氣、液計量的準確性成為后期指導(dǎo)生產(chǎn)、提高井口產(chǎn)出率的關(guān)鍵。

至今,氣液分離計量依然是最主要的井口計量手段[9-15],井流物經(jīng)分離器分離后分別通過單相儀表進行計量。頁巖氣生產(chǎn)初期的產(chǎn)量、產(chǎn)水量、壓力下降快,不同生產(chǎn)階段平臺井場需進行工藝設(shè)施調(diào)整,由于氣液分離器占地面積大、造價高,拆遷維護費用較高等原因,氣液分離計量技術(shù)正逐漸被在線不分離的測量技術(shù)所代替。文丘里管因其結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、測量準確等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在井口計量中,近年來基于文丘里管研發(fā)濕氣計量的研究工作取得了較大突破[16-22],特別是徐英、張強等人[19-23]設(shè)計了一套更適用于濕氣測量的長喉頸文丘里測量系統(tǒng),研發(fā)的流量計在塔里木油田、長慶油田以及四大國家級頁巖氣示范區(qū)的現(xiàn)場測試比對中均取得了較好的測量效果。

鑒于文丘里管在濕氣計量中的廣泛應(yīng)用,本文選取了一種新型文丘里管濕氣流量計作為在線不分離計量的儀表,選取了國內(nèi)某油田公司的頁巖氣作業(yè)區(qū)現(xiàn)場進行了為期63 d的單井測試比對工作。

1 測量原理

選用的新型文丘里管濕氣流量計的一次傳感器采用異型文丘里管設(shè)計,各幾何參數(shù)均經(jīng)過CFD優(yōu)化設(shè)計,其原理結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中箭頭為流動方向,文丘里管體上有3個取壓位置,分別位于文丘里管的上游A點、喉部B點和下游C點。其中前差壓ΔpF由取壓位置A點壓力p1和B點壓力p2組成,后差壓ΔpB則由取壓位置B點壓力p2和C點壓力p3組成,總壓損ΔpLoss則由取壓位置A點壓力p1和C點壓力p3組成。如圖1所示,經(jīng)過大量實流實驗以及仿真研究發(fā)現(xiàn),前差壓ΔpF、后差壓ΔpB、總壓損ΔpLoss與液相體積含率(LVF)呈單調(diào)變化規(guī)律,這也是該濕氣流量計測量的基礎(chǔ)。

圖1 文丘里管測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of the Venturi metering principle

依據(jù)文獻[20-22]中所提出的計量模型,可根據(jù)式(1)～(3)計算得到最終的氣液相流量。

(1)

QL=LVF×Q

(2)

QG=Q-QL

(3)

2 現(xiàn)場測試比對流程

現(xiàn)場測試選擇在某油田頁巖氣作業(yè)區(qū)的X井進行,測試時間為2019年3月11日至2019年5月17日,有效測試比對時間為63 d。測試比對流程見圖2,井口來氣首先經(jīng)過濕氣流量計量系統(tǒng)進行在線不分離計量,之后進入氣液分離器,分離之后的氣相通過孔板流量計進行計量,液相總量則通過測量污水罐的液位來計算得到。

圖2 測試比對流程圖Fig.2 Test comparison flow chart

3 結(jié)果與討論

在為期63 d的測試比對過程中,首先統(tǒng)計了X井的工況信息,然后從氣相測量誤差、液相測量誤差以及液相測量絕對誤差三個方面進行了誤差分析。由于液相整體產(chǎn)量偏小,筆者認為采用液相測量絕對誤差進行評價更為合理。同時分析了可能產(chǎn)生誤差的原因。

3.1 井口工況信息

在測試期間X井的氣相產(chǎn)量變化維持在14 035～37 106 m3/d之間,液相產(chǎn)量變化維持在3～17.9 m3/d之間,液相體積含率變化維持在0.48%～1.64%之間,詳細數(shù)據(jù)分別見圖3～5。

圖3 測試比對期間氣相流量變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas flowrate variationduring test comparison

圖4 測試比對期間液相流量變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of liquid flowrate variationduring test comparison

圖5 測試比對期間液相體積含率變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of liquid volume fraction variationduring test comparison

3.2 氣相測量誤差

測試比對期間氣相測量誤差見圖6。分析圖6可知,氣相測量的平均誤差為0.7%,均方根誤差為3.6%,有93.65%的數(shù)據(jù)點測量誤差位于 ±5% 以內(nèi)。其中有4個數(shù)據(jù)點的誤差超出±5%,最大為16.8%。分析原因可知,測試期間X井處于投產(chǎn)初期,后端用氣系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,嚴重時會導(dǎo)致現(xiàn)場處于反復(fù)開關(guān)井狀態(tài),進而造成濕氣流量計處于非正常工作狀態(tài),最終導(dǎo)致氣相測量出現(xiàn)個別較大的偏差。

圖6 氣相測量誤差示意圖Fig.6 Diagram of gas measurement error

3.3 液相測量誤差

測試比對期間液相測量誤差見圖7。分析圖7可知,液相測量的平均誤差為4.1%,均方根誤差為11.49%,有87.3%的數(shù)據(jù)點測量誤差位于±10%以內(nèi)。造成液相測量誤差較大的原因除上述反復(fù)開關(guān)井問題外,現(xiàn)場分離器分離后的液相直接輸送到污水罐內(nèi),液相標準值的獲取是通過測量污水罐的液位變化計算得到的。由于污水罐形狀不規(guī)則以及人為測量液位高度存在一定的誤差,這些都反映在液相測量誤差中。

圖7 液相測量誤差示意圖Fig.7 Diagram of liquid measurement error

3.4 液相測量絕對誤差

相對于氣相而言,液相的產(chǎn)量很小。在這種情況下采用絕對誤差來衡量液相的測量效果更符合實際情況,見圖8。分析圖8可知,85.7%的數(shù)據(jù)點絕對誤差在 ±2 m3/d 以內(nèi)。對于現(xiàn)場井口測量的實際需求而言,這一測量精度是滿足要求的。

圖8 液相測量絕對誤差示意圖Fig.8 Diagram of liquid measurement absolute error

4 結(jié)論

中國頁巖氣儲量大,頁巖氣持續(xù)大規(guī)模開發(fā)是保障國家天然氣供應(yīng)安全的重要手段之一。但總體上看，目前國內(nèi)頁巖氣開發(fā)經(jīng)濟效益相對較差,為實現(xiàn)效益開發(fā),還需進一步解決投資和操作運行成本高的問題。在地面工程方面,由于頁巖氣獨特的生產(chǎn)特點,優(yōu)化、簡化平臺井場工藝技術(shù)和設(shè)施是降低地面投資有效手段和措施。與分離計量相比,采用不分離計量工藝、選用濕氣計量流量計可有效簡化井場工藝,減少井場工藝設(shè)施,初步估算平臺投資可降低1/3以上,且運行維護費用低。

在濕氣范疇下,異型文丘里的差壓信號在不同含液率的條件下有明顯的變化,使用三差壓雙比值計量方法可以有效解決氣液兩相計量問題?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明,新型文丘里管濕氣流量計能夠較好地適用于復(fù)雜的頁巖氣生產(chǎn)工況,其測量效果能夠基本滿足頁巖氣現(xiàn)場的需求。為進一步提高該種濕氣流量計計量準確性和適應(yīng)性,流量計差壓變送器動態(tài)響應(yīng)速度水平還有待進一步提升,同時結(jié)合段塞流閉合模型以及多尺度小波分析方法優(yōu)化算法,以提高在復(fù)雜的頁巖氣生產(chǎn)作業(yè)措施過程中乃至全生命周期中的計量水平。

目前,該類型流量計已在某頁巖氣開發(fā)區(qū)塊中得到了推廣應(yīng)用,可為今后頁巖氣開發(fā)中大規(guī)模應(yīng)用濕氣流量計積累經(jīng)驗。