王念榕 駱成松 巴璽立 張 哲 巨 龍 徐 英 吳海濤 趙國(guó)安

1. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院, 北京 100083; 2. 中國(guó)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(dòng)化與信息工程學(xué)院, 天津 300072

0 前言

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)氣藏,正逐漸成為中國(guó)天然氣工業(yè)的重要一環(huán)。頁(yè)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(jìn)入商業(yè)化開(kāi)采階段的頁(yè)巖氣展現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力。近年來(lái),涪陵、長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)、昭通、延長(zhǎng)四個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)相繼建成。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)在2018年頁(yè)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(kāi)發(fā)配套工程技術(shù),使我國(guó)成為繼美國(guó)、加拿大之后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)的國(guó)家[1-5]。根據(jù)中國(guó)發(fā)布的《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》,中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量將會(huì)有大幅度增長(zhǎng)。

與常規(guī)天然氣相比,頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)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(yán)重阻礙了頁(yè)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(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)采成為現(xiàn)實(shí)。但是水力壓裂耗水量巨大(其中涪陵頁(yè)巖氣田單井壓裂用水量29 400～40 000 m3,而長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)、昭通單井壓裂用水量在22 500～36 000 m3),由此可見(jiàn),在正式開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的大量返排液不僅影響井口計(jì)量的準(zhǔn)確性,而且會(huì)縮短頁(yè)巖氣井的生命周期[6-8]。氣、液計(jì)量的準(zhǔn)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(jì)量依然是最主要的井口計(jì)量手段[9-15],井流物經(jīng)分離器分離后分別通過(guò)單相儀表進(jìn)行計(jì)量。頁(yè)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(tái)井場(chǎng)需進(jìn)行工藝設(shè)施調(diào)整,由于氣液分離器占地面積大、造價(jià)高,拆遷維護(hù)費(fèi)用較高等原因,氣液分離計(jì)量技術(shù)正逐漸被在線(xiàn)不分離的測(cè)量技術(shù)所代替。文丘里管因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在井口計(jì)量中,近年來(lái)基于文丘里管研發(fā)濕氣計(jì)量的研究工作取得了較大突破[16-22],特別是徐英、張強(qiáng)等人[19-23]設(shè)計(jì)了一套更適用于濕氣測(cè)量的長(zhǎng)喉頸文丘里測(cè)量系統(tǒng),研發(fā)的流量計(jì)在塔里木油田、長(zhǎng)慶油田以及四大國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比對(duì)中均取得了較好的測(cè)量效果。

鑒于文丘里管在濕氣計(jì)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(jì)作為在線(xiàn)不分離計(jì)量的儀表,選取了國(guó)內(nèi)某油田公司的頁(yè)巖氣作業(yè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了為期63 d的單井測(cè)試比對(duì)工作。

1 測(cè)量原理

選用的新型文丘里管濕氣流量計(jì)的一次傳感器采用異型文丘里管設(shè)計(jì),各幾何參數(shù)均經(jīng)過(guò)CFD優(yōu)化設(shè)計(jì),其原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。圖1中箭頭為流動(dòng)方向,文丘里管體上有3個(gè)取壓位置,分別位于文丘里管的上游A點(diǎn)、喉部B點(diǎn)和下游C點(diǎn)。其中前差壓ΔpF由取壓位置A點(diǎn)壓力p1和B點(diǎn)壓力p2組成,后差壓ΔpB則由取壓位置B點(diǎn)壓力p2和C點(diǎn)壓力p3組成,總壓損ΔpLoss則由取壓位置A點(diǎn)壓力p1和C點(diǎn)壓力p3組成。如圖1所示,經(jīng)過(guò)大量實(shí)流實(shí)驗(yàn)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(jì)測(cè)量的基礎(chǔ)。

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

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

(1)

QL=LVF×Q

(2)

QG=Q-QL

(3)

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比對(duì)流程

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選擇在某油田頁(yè)巖氣作業(yè)區(qū)的X井進(jìn)行,測(cè)試時(shí)間為2019年3月11日至2019年5月17日,有效測(cè)試比對(duì)時(shí)間為63 d。測(cè)試比對(duì)流程見(jiàn)圖2,井口來(lái)氣首先經(jīng)過(guò)濕氣流量計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)不分離計(jì)量,之后進(jìn)入氣液分離器,分離之后的氣相通過(guò)孔板流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量,液相總量則通過(guò)測(cè)量污水罐的液位來(lái)計(jì)算得到。

圖2 測(cè)試比對(duì)流程圖Fig.2 Test comparison flow chart

3 結(jié)果與討論

在為期63 d的測(cè)試比對(duì)過(guò)程中,首先統(tǒng)計(jì)了X井的工況信息,然后從氣相測(cè)量誤差、液相測(cè)量誤差以及液相測(cè)量絕對(duì)誤差三個(gè)方面進(jìn)行了誤差分析。由于液相整體產(chǎn)量偏小,筆者認(rèn)為采用液相測(cè)量絕對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)更為合理。同時(shí)分析了可能產(chǎn)生誤差的原因。

3.1 井口工況信息

在測(cè)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(xì)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)圖3～5。

圖3 測(cè)試比對(duì)期間氣相流量變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas flowrate variationduring test comparison

圖4 測(cè)試比對(duì)期間液相流量變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of liquid flowrate variationduring test comparison

圖5 測(cè)試比對(duì)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(cè)量誤差

測(cè)試比對(duì)期間氣相測(cè)量誤差見(jiàn)圖6。分析圖6可知,氣相測(cè)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(diǎn)測(cè)量誤差位于 ±5% 以?xún)?nèi)。其中有4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差超出±5%,最大為16.8%。分析原因可知,測(cè)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(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)處于反復(fù)開(kāi)關(guān)井狀態(tài),進(jìn)而造成濕氣流量計(jì)處于非正常工作狀態(tài),最終導(dǎo)致氣相測(cè)量出現(xiàn)個(gè)別較大的偏差。

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

3.3 液相測(cè)量誤差

測(cè)試比對(duì)期間液相測(cè)量誤差見(jiàn)圖7。分析圖7可知,液相測(cè)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(diǎn)測(cè)量誤差位于±10%以?xún)?nèi)。造成液相測(cè)量誤差較大的原因除上述反復(fù)開(kāi)關(guān)井問(wèn)題外,現(xiàn)場(chǎng)分離器分離后的液相直接輸送到污水罐內(nèi),液相標(biāo)準(zhǔn)值的獲取是通過(guò)測(cè)量污水罐的液位變化計(jì)算得到的。由于污水罐形狀不規(guī)則以及人為測(cè)量液位高度存在一定的誤差,這些都反映在液相測(cè)量誤差中。

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

3.4 液相測(cè)量絕對(duì)誤差

相對(duì)于氣相而言,液相的產(chǎn)量很小。在這種情況下采用絕對(duì)誤差來(lái)衡量液相的測(cè)量效果更符合實(shí)際情況,見(jiàn)圖8。分析圖8可知,85.7%的數(shù)據(jù)點(diǎn)絕對(duì)誤差在 ±2 m3/d 以?xún)?nèi)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)井口測(cè)量的實(shí)際需求而言,這一測(cè)量精度是滿(mǎn)足要求的。

圖8 液相測(cè)量絕對(duì)誤差示意圖Fig.8 Diagram of liquid measurement absolute error

4 結(jié)論

中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量大,頁(yè)巖氣持續(xù)大規(guī)模開(kāi)發(fā)是保障國(guó)家天然氣供應(yīng)安全的重要手段之一。但總體上看，目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較差,為實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā),還需進(jìn)一步解決投資和操作運(yùn)行成本高的問(wèn)題。在地面工程方面,由于頁(yè)巖氣獨(dú)特的生產(chǎn)特點(diǎn),優(yōu)化、簡(jiǎn)化平臺(tái)井場(chǎng)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(jì)量相比,采用不分離計(jì)量工藝、選用濕氣計(jì)量流量計(jì)可有效簡(jiǎn)化井場(chǎng)工藝,減少井場(chǎng)工藝設(shè)施,初步估算平臺(tái)投資可降低1/3以上,且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

在濕氣范疇下,異型文丘里的差壓信號(hào)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(jì)量方法可以有效解決氣液兩相計(jì)量問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明,新型文丘里管濕氣流量計(jì)能夠較好地適用于復(fù)雜的頁(yè)巖氣生產(chǎn)工況,其測(cè)量效果能夠基本滿(mǎn)足頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)的需求。為進(jìn)一步提高該種濕氣流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性和適應(yīng)性,流量計(jì)差壓變送器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度水平還有待進(jìn)一步提升,同時(shí)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(yè)巖氣生產(chǎn)作業(yè)措施過(guò)程中乃至全生命周期中的計(jì)量水平。

目前,該類(lèi)型流量計(jì)已在某頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊中得到了推廣應(yīng)用,可為今后頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中大規(guī)模應(yīng)用濕氣流量計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。