蘇里格氣田柱塞氣舉井氣液兩相計(jì)量試驗(yàn)研究*

桂 捷 張春濤 郭風(fēng)軍 張 沂 曾 萍 王 惠

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院 2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第一采氣廠)

0 引 言

蘇里格氣田為典型“三低”氣田，因低成本開(kāi)發(fā)模式，氣井采用井間串接、井口簡(jiǎn)易孔板流量計(jì)計(jì)量濕氣，單井無(wú)液相計(jì)量，且氣相測(cè)量誤差較大[1]。為核實(shí)氣井氣液產(chǎn)量并掌握氣井出液規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)采用分離計(jì)量裝置定期對(duì)部分井進(jìn)行氣液兩相計(jì)量測(cè)試[2-3]，成本高，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間、大面積應(yīng)用。氣井生產(chǎn)中后期普遍需采取排水采氣措施，柱塞氣舉技術(shù)因排水效果好，自動(dòng)化程度高，已成為蘇里格氣田排水采氣主體技術(shù)并進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用[4-5]。柱塞氣舉井生產(chǎn)中，存在運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不合理、柱塞系統(tǒng)發(fā)生各類故障等情況，導(dǎo)致無(wú)法有效排除井筒積液；因無(wú)實(shí)時(shí)產(chǎn)液數(shù)據(jù)，無(wú)法及時(shí)精確進(jìn)行工況診斷及調(diào)參，影響排水采氣效果?，F(xiàn)場(chǎng)急需一種低成本氣液兩相不分離在線計(jì)量技術(shù)。

近10余年國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量氣液兩相不分離計(jì)量技術(shù)研究[6-14]，根據(jù)其測(cè)量原理主要分為以下三類：第一類是節(jié)流式流量計(jì)結(jié)合相含率傳感器組合測(cè)量，如蘭州海默公司的“文丘里+伽馬射線”氣液兩相流量計(jì)，該類技術(shù)測(cè)量精度相對(duì)較高，但裝置成本高，在海上平臺(tái)有一定應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)陸地氣田主要開(kāi)展氣井氣液兩相移動(dòng)測(cè)試服務(wù)；第二類是采用不同節(jié)流件測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)差壓，根據(jù)不同差壓與含液體積分?jǐn)?shù)組合測(cè)量，如天津大學(xué)的雙差壓式氣液兩相流量計(jì)，該類技術(shù)還處于試驗(yàn)完善階段；第三類是采用不同類型單相流量計(jì)組合測(cè)量，如節(jié)流式流量計(jì)與超聲波流量計(jì)組合，節(jié)流式流量計(jì)與渦街流量計(jì)組合等。

為解決氣井氣液兩相計(jì)量問(wèn)題，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院研發(fā)了一種渦街節(jié)流式氣液兩相流量計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)表明，該流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反應(yīng)氣井生產(chǎn)過(guò)程中氣液流量變化規(guī)律，可有效指導(dǎo)柱塞氣舉井工況診斷及制度優(yōu)化，保證排水采氣效果。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

渦街節(jié)流式氣液兩相流量計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在測(cè)量管中，渦街流量計(jì)旋渦發(fā)生體同時(shí)作為節(jié)流式流量計(jì)節(jié)流元件，實(shí)現(xiàn)兩種流量計(jì)測(cè)量管一體化設(shè)計(jì)，保證了兩種流量計(jì)在同一壓力和溫度系統(tǒng)下測(cè)量，同時(shí)降低了該氣液兩相流量計(jì)整體長(zhǎng)度；旋渦發(fā)生體為三角柱結(jié)構(gòu)，流體通過(guò)后在其后產(chǎn)生旋渦；將測(cè)量溫度信號(hào)的熱電阻和測(cè)量旋渦頻率信號(hào)的壓電芯片一體化封裝，組成頻率溫度傳感器，避免單獨(dú)開(kāi)孔安裝溫度傳感器探頭對(duì)旋渦頻率測(cè)量的影響，且減少管道開(kāi)孔，測(cè)量管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。差壓流量變送器在EJA110E型差壓傳感器基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)，內(nèi)置流量計(jì)算模塊，通過(guò)取壓管同時(shí)測(cè)量差壓和靜壓，并接收頻率溫度變送器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣液兩相流量計(jì)算及顯示。

1—測(cè)量管；2—頻率溫度變送器；3—取壓閥；4—差壓流量變送器；5—信號(hào)線；6—取壓管。

圖2 測(cè)量管結(jié)構(gòu)圖

1.2 測(cè)量原理

渦街流量計(jì)通過(guò)測(cè)量旋渦發(fā)生體后的旋渦頻率信號(hào)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，節(jié)流式流量計(jì)通過(guò)測(cè)量節(jié)流件前后的差壓實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，將兩種流量計(jì)組合同時(shí)測(cè)量濕氣，理論上可實(shí)現(xiàn)濕氣氣液混合流體密度的測(cè)量，再根據(jù)已知的氣液?jiǎn)蜗嗝芏瓤傻贸鰵庖簝上嗔髁縖15]。因管道中氣液兩相流體存在流速差，所以得出的氣液流量與實(shí)際流量不一致，但能反映變化趨勢(shì)。采用室內(nèi)空氣-水兩相流試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)理論模型測(cè)量結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)修正，建立氣液兩相流量測(cè)量修正模型，見(jiàn)式(1)和式(2)。該氣液兩相流量計(jì)的測(cè)量精度理論上取決于修正系數(shù)的準(zhǔn)確度，由于室內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)及工況與氣井現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)及工況存在差異，所以測(cè)量模型直接應(yīng)用于氣井現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。

(1)

(2)

式中：qv為渦街流量計(jì)測(cè)量流體體積流量，m3/h；ql、qg分別為液相體積流量和氣相體積流量，m3/h；kl、kg分別為液相和氣相體積流量修正系數(shù)，無(wú)量綱；ρ、ρl、ρg分別為流體平均密度、液相密度和氣相密度，kg/m3。

流體平均密度計(jì)算式為：

(3)

式中：C為流出系數(shù)，無(wú)量綱；ε為膨脹系數(shù)，無(wú)量綱；AD為測(cè)量管內(nèi)截面積，m2；Ad為旋渦發(fā)生體處流通面積，m2；Δp為差壓，MPa。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)與流程

平臺(tái)試驗(yàn)介質(zhì)為空氣和水，設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力1.6 MPa，實(shí)際運(yùn)行壓力為1.2 MPa以下；空氣流量調(diào)節(jié)范圍0～700 m3/h，采用孔板流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)量，準(zhǔn)確度為1.5級(jí)；水流量調(diào)節(jié)范圍0～8 m3/h，采用科氏質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)量，準(zhǔn)確度1.0級(jí)；氣液兩相流量計(jì)長(zhǎng)度為650 mm，測(cè)量管內(nèi)徑為25 mm。試驗(yàn)流程為：空氣、水單獨(dú)計(jì)量后混合，混合液流經(jīng)氣液兩相流量計(jì)計(jì)量，測(cè)試一段時(shí)間內(nèi)兩相流量計(jì)測(cè)量的氣液累計(jì)流量誤差。試驗(yàn)平臺(tái)流程見(jiàn)圖3。

圖3 室內(nèi)空氣-水兩相流試驗(yàn)平臺(tái)流程圖

2.2 試驗(yàn)步驟

通過(guò)快速調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥模擬柱塞氣舉井出液工況開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程為：首先將空氣流量調(diào)節(jié)至一固定值，然后快速調(diào)節(jié)水流量調(diào)節(jié)閥，使水流量快速增大后快速減小，期間系統(tǒng)壓力在0.6～1.0 MPa波動(dòng)，累計(jì)持續(xù)4 min左右，記錄這期間孔板流量計(jì)的累計(jì)氣量和質(zhì)量流量計(jì)的累計(jì)水量，根據(jù)氣液兩相流量計(jì)的累計(jì)氣量和累計(jì)水量，計(jì)算氣液兩相流量計(jì)測(cè)量誤差。共測(cè)試了空氣流量在200、400和600 m3/h，水流量在0～5 000 L/h和0～8 000 L/h時(shí)的6種不同工況，其中空氣200 m3/h、水0～8 000 L/h工況下的氣水瞬時(shí)流量變化情況如圖4所示。

圖4 空氣200 m3/h、水0～8 000 L/h工況下氣液兩相流量的變化曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看出：空氣累計(jì)流量誤差均在4%以內(nèi)，且全為負(fù)誤差；水累計(jì)流量誤差均在6%內(nèi)，且全為正誤差。測(cè)試誤差較小原因?yàn)?，該氣液兩相流量?jì)測(cè)量修正模型是在該試驗(yàn)平臺(tái)工況覆蓋內(nèi)試驗(yàn)得出，如超出該試驗(yàn)平臺(tái)工況范圍，該氣液兩相流量計(jì)誤差可能會(huì)增大。

表1 氣液兩相流量計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為驗(yàn)證該氣液兩相流量計(jì)在柱塞氣舉井測(cè)量性能，2019—2020年在蘇里格氣田蘇東南區(qū)塊柱塞氣舉井開(kāi)展了6口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)的氣液兩相流量計(jì)規(guī)格型號(hào)一致。

3.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程見(jiàn)圖5，將井口原孔板流量計(jì)與外輸閘閥之前直管段拆除，用3根高壓軟管串聯(lián)渦街節(jié)流式氣液兩相流量計(jì)和分離計(jì)量裝置，以分離計(jì)量裝置為標(biāo)準(zhǔn)裝置，來(lái)考量氣液兩相流量計(jì)測(cè)量誤差。分離計(jì)量裝置為多管束旋流分離器[3]，氣液分離后氣相采用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)計(jì)量，精度1.5級(jí)。液相采用磁浮子液位計(jì)測(cè)量液位，精度1 mm，折合體積0.2 L。氣液分離計(jì)量后混合外輸至采氣管線。

圖5 氣液兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該氣液兩相流量計(jì)氣量測(cè)量誤差均在5%內(nèi)，5口井液量測(cè)量誤差在25%內(nèi)，1口井因產(chǎn)液太少液量誤差大。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 氣液兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

以靖56-56井試驗(yàn)為例。2019年8月在該井開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，生產(chǎn)制度為關(guān)2開(kāi)4，生產(chǎn)油壓2.8 MPa左右，日產(chǎn)氣20 000 m3左右，日產(chǎn)液500 L左右，共測(cè)試了3個(gè)開(kāi)井生產(chǎn)周期，氣液兩相流量計(jì)計(jì)量氣液流量曲線見(jiàn)圖6，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖6 靖56-56井氣液瞬時(shí)流量曲線

從圖6及表3可以看出：柱塞氣舉井生產(chǎn)特征明顯，分為3個(gè)階段；第一階段，開(kāi)井后柱塞上行段，該階段氣井基本不出液，瞬時(shí)氣量下降較快，氣液兩相流量計(jì)氣量測(cè)量誤差基本在5%以內(nèi)；第二階段，柱塞到達(dá)井口排液段，基本為段塞流，持續(xù)時(shí)間1～2 min，瞬時(shí)液量最大能達(dá)10 000 L/h以上，該階段氣液兩相流量計(jì)液量測(cè)量誤差均在20%內(nèi)，因累計(jì)氣量基數(shù)小，氣量測(cè)量誤差大于5%，但對(duì)整個(gè)生產(chǎn)周期累計(jì)氣量誤差影響不大；第三階段，排液后氣井續(xù)流階段，該階段依靠氣井自身能量攜液，氣井出液時(shí)瞬時(shí)液量很小，氣液兩相流量計(jì)測(cè)量氣量誤差小于5%，液量誤差較大，最大達(dá)-35.9%。測(cè)試的每個(gè)開(kāi)井生產(chǎn)周期，累計(jì)氣量誤差均在5%內(nèi)，累計(jì)液量誤差均在25%內(nèi)。

表3 靖56-56井氣液兩相流量計(jì)測(cè)試情況統(tǒng)計(jì)表

由圖6瞬時(shí)液量曲線可以看出，瞬時(shí)液量出現(xiàn)短暫大液量段，基本為段塞流，表明柱塞到達(dá)井口并順利排除液塞，可判定柱塞生產(chǎn)制度合理、運(yùn)行正常。

3.4 誤差原因分析

通過(guò)分析，氣液兩相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)液量測(cè)量誤差較大的原因主要有：①氣井產(chǎn)出濕氣介質(zhì)與室內(nèi)試驗(yàn)流體介質(zhì)成分及物性差異大；②因室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)條件限制，試驗(yàn)流體流量和壓力等工況無(wú)法覆蓋現(xiàn)場(chǎng)氣井實(shí)際生產(chǎn)工況；③氣井出液中凝析油含率變化大，即密度變化大，而流量計(jì)輸入液體密度為區(qū)塊產(chǎn)液平均密度；④低含液率工況下流體平均密度與氣相密度差值很小，導(dǎo)致液量相對(duì)誤差大。

氣液兩相流量計(jì)測(cè)量曲線能準(zhǔn)確反應(yīng)柱塞氣舉井出液規(guī)律，通過(guò)瞬時(shí)液量曲線觀察是否出現(xiàn)4 000 L/h以上大液量段，可有效判斷柱塞運(yùn)行工況，為柱塞井工況診斷及制度優(yōu)化提供準(zhǔn)確依據(jù)。

4 結(jié)論與建議

(1)因室內(nèi)空氣-水兩相流試驗(yàn)平臺(tái)工況及介質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)氣井生產(chǎn)工況及介質(zhì)的差異性，該流量計(jì)通過(guò)該試驗(yàn)平臺(tái)得出的測(cè)量模型直接應(yīng)用于氣井現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。下一步可利用中壓天然氣-水兩相流測(cè)試平臺(tái)，對(duì)該流量計(jì)測(cè)量模型進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)；同時(shí)加強(qiáng)氣井產(chǎn)液取樣分析，提高流量計(jì)輸入液相密度準(zhǔn)確性，降低該流量計(jì)氣井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差。

(2)柱塞氣舉井瞬時(shí)液量變化范圍大，但生產(chǎn)特征明顯，該流量計(jì)能較準(zhǔn)確地計(jì)量柱塞到達(dá)井口排液段液相流量，且產(chǎn)液計(jì)量曲線能準(zhǔn)確反應(yīng)柱塞氣舉井生產(chǎn)規(guī)律，通過(guò)判斷液相測(cè)量曲線是否出現(xiàn)大液量段，可有效評(píng)價(jià)柱塞氣舉井生產(chǎn)是否正常。

(3)建議將柱塞氣舉井氣液兩相計(jì)量數(shù)據(jù)與其他運(yùn)行參數(shù)有效結(jié)合，提高工況診斷及調(diào)參準(zhǔn)確性，提升柱塞氣舉井精細(xì)化、智能化管理水平。