張宏廷，劉 猛，謝保豹

中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710082）

煤層氣作為清潔能源越來越受到重視，但煤層氣開采過程中伴隨煤層氣從井口的產(chǎn)出氣中所含的水、粉煤灰等雜質(zhì)會一起流經(jīng)計(jì)量閥組，進(jìn)入采氣匯管后輸送到集氣站進(jìn)行除水、除塵、壓縮[1]。在生產(chǎn)過程中，水氣、粉煤灰對流量計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響煤層氣井地產(chǎn)的準(zhǔn)確性。以煤層氣普遍使用的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)為例，研究煤層氣開采攜帶出的粉煤灰對該類型流量計(jì)計(jì)量的影響，為流量計(jì)的選型提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。

1 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作原理

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)流量傳感器的流通剖面類似文丘利管的型線。在入口側(cè)安放一組螺旋型導(dǎo)流葉片，當(dāng)流體進(jìn)入流量傳感器時，導(dǎo)流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流。當(dāng)流體進(jìn)入擴(kuò)散段時，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉(zhuǎn)，形成陀螺式的渦流進(jìn)動現(xiàn)象[2]。該進(jìn)動頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質(zhì)和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉(zhuǎn)進(jìn)動頻率就能在較寬的流量范圍內(nèi)獲得良好的線性度。信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉(zhuǎn)換為與流速成正比的脈沖信號，然后再與溫度、壓力等檢測信號一起被送往微處理器進(jìn)行計(jì)算處理，最后在液晶顯示屏上顯示出測量結(jié)果(瞬時流量、累積流量及溫度、壓力數(shù)據(jù))，如圖1所示。

圖1 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)原理圖

2 旋渦流量計(jì)計(jì)量精度影響因素

2.1 氣中含水對計(jì)量精度的影響

由于煤層氣中含有水分，濕氣計(jì)量目前仍是國際難點(diǎn)，準(zhǔn)確計(jì)量存在難度。雖然流量計(jì)在干燥氣體中檢定合格，在實(shí)際現(xiàn)場使用條件下仍存在誤差。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，旋渦流量計(jì)在體積含氣率大于99%的濕天然氣，液相（水或凝析烴）體積含率低于0.5%的氣體中產(chǎn)生0～6%的正誤差（表1）。

2.2 粉煤灰對計(jì)量精度的影響

通過磨損試驗(yàn)，隨著旋渦葉片被磨損厚度的增加，流量計(jì)的線性度變差，相對誤差增大。另外，在氣量較大、粉塵顆粒較小時，由于氣體流速過快[3]，經(jīng)旋渦發(fā)生體加速后，粉塵顆粒對流量計(jì)計(jì)量腔體和測量探頭出現(xiàn)磨損情況，損壞流量計(jì)及計(jì)量腔，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的計(jì)量誤差。

表1 各類流量計(jì)在煤層氣的誤差統(tǒng)計(jì)表 /%

2.3 較大雜質(zhì)顆粒對計(jì)量精度的影響

現(xiàn)場施工和運(yùn)行過程中，較大的雜質(zhì)顆粒在不能通過葉片間距時，會堵塞到葉片之間，對流量計(jì)精度產(chǎn)生較大的影響。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著進(jìn)氣通道被堵塞的數(shù)量不同，在6個通道堵塞4個以內(nèi)時，相對誤差呈現(xiàn)正增長；而在通道只剩2個或1個，相對誤差變成負(fù)值。

2.4 LUM旋渦流量計(jì)現(xiàn)場試驗(yàn)

LUM流量計(jì)屬于簡易智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，工作原理與旋渦流量計(jì)相同。從2017年11月20日在韓城區(qū)塊安裝第一臺流量計(jì)開始，到2018年2月為止共安裝5臺該型號流量計(jì)。目前已安裝的5臺流量計(jì)除1臺由于壓變損壞無法使用外，其余4臺使用良好。具體安裝情況見表2。

表2 試驗(yàn)用流量計(jì)安裝位置統(tǒng)計(jì)

1）上述單井原安裝流量計(jì)為普通旋渦流量計(jì)，數(shù)據(jù)采集至上位機(jī)，在數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下（由于未采集單井井口產(chǎn)氣溫度，所有非智能流量計(jì)的溫度按照20℃計(jì)算）。

式中：Q標(biāo)況為該管線氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的瞬時氣量，m3/h；Q工況為該管線內(nèi)氣體在實(shí)際工作狀態(tài)下的瞬時氣量，m3/h；P管壓為該管線內(nèi)氣體的壓力（不含大氣壓），MPa。

2）一般帶溫壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)狀況下流量計(jì)算公式如下：

式中：Q標(biāo)況為該管線氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的瞬時氣量，m3/h；Q工況為該管線內(nèi)氣體在實(shí)際工作狀態(tài)下的瞬時氣量，m3/h；P管壓為該管線內(nèi)氣體的壓力（不含大氣壓），MPa；P大氣為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；T為管線內(nèi)氣體溫度，℃。

煤層氣井口溫度冬季約為4℃、夏季為18℃左右，采用溫壓補(bǔ)償計(jì)算后，同樣的工況流量在冬季和夏季計(jì)算出的值與數(shù)據(jù)庫計(jì)算的值理論上相差+5.7%和+0.68%。

3）數(shù)據(jù)分析。更換流量計(jì)前后3天數(shù)據(jù)對比（表3）。經(jīng)過分析認(rèn)為：①LUM智能旋渦流量計(jì)具有溫壓補(bǔ)償功能，瞬時標(biāo)況計(jì)算相對準(zhǔn)確。僅溫度補(bǔ)償一項(xiàng)[4-5]，在2018年2月份氣候條件下，智能旋渦流量計(jì)較普通流量計(jì)多6%左右。此外，該流量計(jì)壓力值測量單位為kPa，自動化系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)采集的單位為MPa，計(jì)量精度上有差異，也是導(dǎo)致計(jì)量誤差偏大的因素。②HC1-36氣量波動較大，尤其是更換流量計(jì)前后。從單井?dāng)?shù)據(jù)庫查詢，2017年11月該井換流量計(jì)前平均流量2 700 m3，換流量計(jì)后一般流量為3 000 m3，差值為+11.1%。③2018年6月生產(chǎn)數(shù)據(jù)（表4）。上述4口井從2018年6月28日～6月30日生產(chǎn)數(shù)據(jù)抽樣結(jié)果看，數(shù)據(jù)平穩(wěn)變化不大，性能穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1）煤層氣生產(chǎn)過程中攜帶的粉煤灰等物質(zhì)對單井的地產(chǎn)計(jì)量確實(shí)存在不小的影響，但選用具有溫壓補(bǔ)償功能的流量計(jì)，瞬時標(biāo)況計(jì)算相對準(zhǔn)確。

2）實(shí)際生產(chǎn)過程中流量計(jì)壓力值測量單位為kPa，自動化系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)采集的單位為MPa，在計(jì)量精度上的差異也是影響產(chǎn)量計(jì)算的因素。

3）選用LUM簡易旋進(jìn)旋渦流量計(jì)價格大約是1.2萬元，比智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)便宜1萬元左右，比普通旋渦流量計(jì)貴一倍，可以替代單井流量計(jì)和管壓壓變。雖然投資較高，但同時將溫度和壓力影響降低，精度可以得到有效保證。

4）流量計(jì)安裝要規(guī)范。流量計(jì)的安裝應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離振動源，所用介質(zhì)是不帶顆粒、不帶水滴、不帶粘污物的純凈氣體，否則應(yīng)在變送器前安裝過濾器；安裝時注意流體方向，不得反向安裝。

表3 流量計(jì)安裝前后3天數(shù)據(jù)對比表

表4 流量計(jì)抽樣檢查統(tǒng)計(jì)表

表4 流量計(jì)抽樣檢查統(tǒng)計(jì)表（續(xù)）