榆林南儲氣庫是長慶油田首座儲氣庫, 設(shè)集注試驗站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井口設(shè)計壓力為2 500 lb, 計量方案考慮三種方式[1]:

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

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

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

  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采用了井口雙向流量計連續(xù)計量工藝, 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、地面緊急截斷閥、雙向流量計、軸流調(diào)節(jié)閥分別進入注采雙向管線;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)流裝置進行總計量, 在每臺注氣壓縮機前設(shè)置一路DN150閥室孔板節(jié)流裝置進行注氣量計量, 作為注采試驗的一個計量比對。整個注采系統(tǒng)計量工藝流程見圖2。

  注采井雙向流量計的選擇既要滿足設(shè)計壓力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)儲氣庫井口計量技術(shù)的應(yīng)用情況[2,3,4], 考慮采用四種流量計進行雙向計量。

  超聲流量計基于傳播時間差法的原理[5]決定了其雙向計量的優(yōu)勢, 設(shè)計壓力2 500 lb的管道二聲道超聲流量計在國內(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。其缺點是井口采氣一級減壓調(diào)節(jié)振動、噪音對計量有影響;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[6]基本原理一致, 基于傳播時間差法。該流量計的優(yōu)點是不受管道介質(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;投資相對較低。缺點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在氣田應(yīng)用于單井濕氣流量校準[7]時效果較差。

  國內(nèi)部分儲氣庫群注采雙向計量采用了進口高壓靶式流量計[8], 設(shè)計壓力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0.08 m/s;量程比較寬 (15∶1) ;可測量濕氣、脈動流;維護簡單, 可現(xiàn)場標定、調(diào)量程。其缺點是采出物固體顆粒、機械雜質(zhì)、積液對計量靶沖擊影響大, 易損壞。

  流量計的基本原理為:介質(zhì)流動時, 流動質(zhì)點沖擊在靶上, 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、壓力變送器分別計算注采流量[9]。孔板流量計***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, 高壓孔板計量的缺點也很明顯:

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

(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)有運行經(jīng)驗來看, 仍易出現(xiàn)堵塞或凍堵, 要經(jīng)常維護, 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, 維護工作量較大。

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

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

  注氣期, 現(xiàn)場在1H井靶式流量計之前臨時加裝了FLEXIM單聲道外夾式超聲波流量計進行比對測試, 直管段未達到流量計要求的前20D (D為管徑) 后20D的要求, 超聲流量計計算機未配置就地溫壓補償功能, 溫壓補償計算由集注站PCS進行。

  在開啟1臺壓縮機對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) 進行8 h數(shù)據(jù)對比。從圖4可以看出:氣井按靶式+靶式計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) 進行2 h數(shù)據(jù)對比。從圖5可以看出:氣井按靶式+靶式計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臺壓縮機對2H井進行***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) 并滿足正常運行量程下, 靶式流量計相比孔板流量計的相對偏差在2.5%以內(nèi), 計量效果較好。在高壓持續(xù)滿量程或超量程運行時, 靶式流量計存在較大誤差, 2H井還曾發(fā)生過靶桿被打斷的事故 (圖7) 。

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

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

  在輪注氣試驗結(jié)束后進行了采氣試驗, 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移裝到2H井。

(1) 對2口井總流量與采氣總流量 (孔板) 進行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, 達到12%, 但靶式流量計對氣井?dāng)y液不敏感。

(3) 只開2H井采氣, 對其超聲、靶式 (后新更換) 計量數(shù)據(jù)分別與采氣總流量 (孔板) 進行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的相對偏差明顯增加;靶式流量計相對偏差超過-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。

  對2口井總流量與采氣總流量 (孔板) 5天整點時刻的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比。從圖11可以看出:氣井按靶式+靶式計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), 但井口攜液時計量效果差。

(1) 靶式流量計在測量濕天然氣時, 準確性較差, 相對偏差超過-15%, ***大達到-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, 靶式流量計在出廠前是按照注氣壓力點15 MPa和溫度點55℃進行標定, 在采氣壓力較低時, 補償算法不能表達實際流量, 導(dǎo)致了計量結(jié)果不準確;另一方面, 在采氣試驗階段, 曾發(fā)現(xiàn)靶式流量計的靶桿在采氣方向產(chǎn)生明顯機械偏移, 也可能導(dǎo)致計量結(jié)果不可靠。

(2) 單聲道外夾式超聲波流量計臨時安裝在靶式流量計之前, 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注采雙向計量的試驗應(yīng)用來看, 靶式和外夾超聲波流量計在注氣階段均表現(xiàn)出較好的準確性。采氣階段進行濕氣計量時, 靶式流量計出現(xiàn)了較大相對偏差, 外夾式超聲波流量計表現(xiàn)出較好的精度, 但對氣井?dāng)y液計量能力弱。

 外夾式超聲波流量計基本可以滿足注采雙向計量的需要。要實現(xiàn)更高的計量穩(wěn)定性, 一是建議外夾式超聲流量計***好按雙聲道考慮, 并嚴格按照安裝條件進行直管段設(shè)計, 盡量減少流態(tài)影響, 同時將溫度、壓力補償直接在超聲流量計的流量計算單元進行;二是建議在運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的計量穩(wěn)定性。