非分离式计量技术在页岩气地面测试中的应用研究

李 然，刘兴华，谢 奎

1中国石油浙江油田公司天然气勘探开发事业部 2中国石油川庆钻探工程有限公司试修公司

0 引言

页岩气作为一种新兴能源，是一种储量高、清洁、低碳的非常规天然气，在能源消费中占有越来越重要的地位，不过其开采技术还不成熟，仍有许多需要攻克的技术难点，其中包括两相流的有效计量问题[1-2]。目前基本采用分离式计量方式，利用两相流体中各相的密度差异，通过物理方法将气液进行分离，之后通过单相仪器仪表和计量罐进行计量，该系统笨重,体积较大，安装周期长，给工艺流程设计和施工都增加了很大难度,综合成本高。随着我国页岩气开采力度的加大和在“降本增效”的大背景下，非分离式的两相流量计越发凸显它独特的优势，在降低成本的同时实现采输工艺优化，不过页岩气井排采存在流量变化大、含砂量大、含水量高等特点，因此将非分离式两相流量计成功应用在页岩气采输阶段，仍需解决一系列问题。

美国和加拿大在多相流计量方面主流使用的多相流量计以文丘里与放射源联合计量技术为主[3]，这套方案基本能够满足气田对流量计量精度的要求，但是由于放射源存在潜在的风险，安全管理难度大，很难在国内推广。

近年来，随着我国在人工智能等领域的突破，深度学习算法和多传感器融合技术在多相流的计量领域获得广泛应用[4]。本文提出一种将文丘里与电容层析成像技术相结合，配合深度学习算法对两相流进行精确计量并能实现实时显示流动状态的技术方案，开展了非分离式计量技术在页岩气排采中的应用研究，通过现场比对试验，充分验证了技术的可行性和适应性，为解决页岩气开采中的两相流计量难题，提供了技术支持。

1 计量原理

1.1 测量方法设计

非分离式两相计量技术的核心特征在于将电容层析成像技术与文丘里相结合，应用多级差压技术获取总流量，通过电容层析成像技术获得流型和含气率，最后通过深度学习算法将获得的参数进行修正，最终实现对不同流型的两相流动提供精确测量。

1.2 多级差压文丘里技术

利用伯努利方程和连续性方程，文丘里管能够对单相流进行准确的计量，具体计算公式如下[5]：

(1)

式中：W—质量流量，kg/h；ε—流体可膨胀系数;Cd—流出系数;β—节流系数，即文丘里管节流孔径和管道孔径之比；D—文丘里管节流孔径，mm；Δp—单相流体通过节流装置后的压差，kPa；ρ—单相流体密度，kg/m3。

对于气液两相流来说，其在管道中流动时两相的速度基本是不相等的，通过节流装置时的差压Δp由节流装置的节流作用和两相之间的摩擦作用共同组成，因此导致差压值比相同流量的单相流体单独流过时偏大，相应的计算出的流量也大于实际流量，这一现象被称为“虚高”[6-7]，为了能够得到通过文丘里管的实际流量，分别引入Lockhart-Martinelli参数(L-M参数)X和无量纲虚高修正参数φ，其表达式为[8-9]：

(2)

(3)

式中：Wtp—虚高流量，kg/h;W—实际流量，kg/h；Δptp—两相流通过文丘里管产生的差压，kPa;Δp—单相流通过文丘里管产生的差压，kPa；Wl—液相流量,kg/h;Wg—气相流量，kg/h；ρg—气相密度，kg/m3；ρl—液相密度，kg/m3。

根据Chisholm[10]等人的研究，虚高修正系数φ和L-M参数存在如下关系:

(4)

式中：C—根据试验数据拟合的系数。

将式(1)和式(4)联立得到：

(5)

式中：Z—与截面含气率相关的无量纲参数，截面含气率可以通过电容层析成像信号进行拟合。

1.3 电容层析成像技术

电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)是一种非侵入式的断层层析成像技术[11]，其主要工作原理为：不同的物质具有不同的介电常数，当被测物质内部的介质分布发生变化时，就会引起介电常数的变化，同时造成分布在被测物质表面的电容传感器阵列极板间的电容值变化，通过图像重建算法进行求解，得到被测物质内介电常数的变化情况。其结构如图1所示。

图1 电磁层析成像原理

图1(a)两相流量计中的电磁成像结构，8个电极板结构均匀分布在管道表面，图1(b)管道成像区域经三角有限元划分后的敏感场分布，其和电容、介电常数有如下关系[12-13]：

Δε=(JTJ+αI)-1JTΔC

(6)

式中：Δε—介质电学属性分布的变化量；T—转置矩阵；J—敏感场分布矩阵；α—Tikhonov正则化系数；I—单位矩阵；ΔC—被测区域电容值的变化量。

根据图像重建算法得到的管道内流体分布情况如图1(c)所示，同时也可以得到相对应截面含气率γ的计算公式为[14-15]：

(7)

式中：M—被测区域的像素数；fj—第j个像素的灰度值；Aj—第j个像素的截面面积；A—传感器的总截面面积。

通过联立式(5)和式(7)可以求出气相和液相流量，同时电学层析成像技术对两相流的流动状态进行实时监测，能够根据流动状态及产量的变化准确识别页岩气井的生产异常，对于产量变化较大的井能够根据流型和深度学习算法对两相流模型进行补偿，从而保证较高的计量精度。

2 试验研究

2.1 试验过程

本次气液两相流量计(见图2)选择在威远页岩气区块某井区的WH12平台和WH38平台进行试验，两处平台的页岩气井分别处于开采的初期和末期，具有完全不同的测试井况，从而保证气液两相流量计测量结果的可靠性，参与测试的设备参数如表1所示。

图2 气液两相流量计

表1 设备参数

页岩气井在开采初期气相和液相产量波动都很大，在开采中末期产量基本趋于稳定，因此为了试验两相流量计的可靠性,本次选择的两个平台的4口井主要以处于开采初期的井为主，每口井的历史产量变化范围如表2所示。

表2 测试井历史信息

在两相流量计的测试试验过程中，需要对气液各相产量进行实时计量和井口流动状态实时展示，同时技术人员会将气液分离后再进行计量的各相产量作为标准值与两相流量计的计量结果进行比较并计算相对偏差，每天分别在整点记录气相和液相累积值，本次测试试验在WH12平台和WH38平台分别记录了15 d和30 d的数据。

两相流量计的测试试验标准如下：

(1)在完成设备的调试后，开始记录数据，使用孔板式流量计计量分离后的气相累计流量，使用电磁流量计计量液相累计流量，将该气、液流量数据作为计量标准值。

(2)气液两相流量计在记录时间段内对参测井同时计量，并产生此时间段参测井的气、液累计流量及温度、压力等参数，作为测量值。

(3)气液两相流量计数据与现有计量设施数据进行比对，通过式(8)分别计算出各相相对偏差。

(8)

2.2 试验结果分析

测试结果表明，针对不同页岩气井的单井计量和多井混合计量，气液两相流量计的测量值均能与标准值达到较好的一致性，验证了气液两相流量计的计量精度及适用性。

图3、图4为WH12-6井气相和液相日产量的变化趋势，除测试的第一天和最后一天，液相和气相产量变化相对比较平稳，符合页岩气井开采中期的产量特征。WH12-6井15 d日气相偏差全部小于5%，液相偏差小于5%的数据占93.33%。

图3 2020年WH12-6井气相日产量趋势图

图4 2020年WH12-6井液相日产量趋势图

图5、图6分别为WH38平台气相和液相日产量的变化趋势，从中可以看出，在整个测试周期内，气相和液相的日产量一直波动较大，同时由于部分时间段采用多井混合计量方式，更是加剧了产量的波动，符合页岩气井开采初期的特点。

图5 2020年WH38平台气相日产量趋势图

图6 2020年WH38平台液相日产量趋势图

WH38平台3口井在测试期间除了单井计量外，还进行了多井混合计量。30 d混合计量气相日产量相对偏差小于5%的数据占总样本96.67%，液相日产量相对偏差小于5%的数据占总样本95.36%。

图7、图8为WH12-6和WH38平台井气相、液相日产量偏差，尽管两处平台的井况和产量存在较大差异，但是计量误差的波动范围基本一致，说明两相流量计面对不同的井况都能够保证统一的精度。

图7 2020年WH12平台气相和液相日产量偏差

图8 2020年WH38平台气相和液相日产量偏差

本次试验测试同时验证了电学层析成像技术在流动可视化方面的应用，如图9所示。图中红色部分代表液相，蓝色部分代表气相，介于红色和蓝色之间的颜色代表气液混合物。从图9中可以得到以下结论：气液两相在管道内大部分时间不是均匀流动，由于气相和液相的速度和密度差异，液相基本贴着管壁流动，气相沿着管道轴心流动，因此电学层析成像技术对管壁及液相的流动变化更为敏感，实现了两相流动过程的可视化，为现场人员识别气井段塞流、判定生产异常、直观了解流动状态提供了新的技术手段。

图9 流动状态可视化效果图

3 结论

本次研究把非分离式的气液两相流量计引入页岩气的生产计量中，首次将长颈喉文丘里技术和电学层析成像技术相结合应用到生产一线，通过现场测试试验和适应性分析，得出如下结论：

(1)采用文丘里多级差压技术和电磁层析技术的非分离式气液两相流量计具有可靠性高、适用性广的特点，在页岩气井处于高、中、低产液阶段，测试结果稳定，计量精度较高，可适用于页岩气测试试采全作业周期，值得推广使用。

(2)气液两相流量计提供页岩气多井组平台单井秒级实时气液流量、温度、压力等生产关键参数，为页岩气田动态生产安全管理提供可靠依据。

(3)气液两相流量计具有操作简单、维护方便、成本低廉、无人值守的特点，能够替代现有体积庞大、造价昂贵的测试分离器，简化了工艺管线和管汇，从而为页岩气地面测试流程的优化完善提供技术支撑。