苏里格气田柱塞气举井气液两相计量试验研究*

桂 捷 张春涛 郭风军 张 沂 曾 萍 王 惠

(1.中国石油长庆油田公司油气工艺研究院 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室3.中国石油长庆油田公司第一采气厂)

0 引 言

苏里格气田为典型“三低”气田，因低成本开发模式，气井采用井间串接、井口简易孔板流量计计量湿气，单井无液相计量，且气相测量误差较大[1]。为核实气井气液产量并掌握气井出液规律，现场采用分离计量装置定期对部分井进行气液两相计量测试[2-3]，成本高，无法长时间、大面积应用。气井生产中后期普遍需采取排水采气措施，柱塞气举技术因排水效果好，自动化程度高，已成为苏里格气田排水采气主体技术并进行大规模应用[4-5]。柱塞气举井生产中，存在运行参数设置不合理、柱塞系统发生各类故障等情况，导致无法有效排除井筒积液；因无实时产液数据，无法及时精确进行工况诊断及调参，影响排水采气效果。现场急需一种低成本气液两相不分离在线计量技术。

近10余年国内外开展了大量气液两相不分离计量技术研究[6-14]，根据其测量原理主要分为以下三类：第一类是节流式流量计结合相含率传感器组合测量，如兰州海默公司的“文丘里+伽马射线”气液两相流量计，该类技术测量精度相对较高，但装置成本高，在海上平台有一定应用，在国内陆地气田主要开展气井气液两相移动测试服务；第二类是采用不同节流件测量两个或多个差压，根据不同差压与含液体积分数组合测量，如天津大学的双差压式气液两相流量计，该类技术还处于试验完善阶段；第三类是采用不同类型单相流量计组合测量，如节流式流量计与超声波流量计组合，节流式流量计与涡街流量计组合等。

为解决气井气液两相计量问题，中国石油长庆油田公司油气工艺研究院研发了一种涡街节流式气液两相流量计。通过试验表明，该流量计测量数据能准确反应气井生产过程中气液流量变化规律，可有效指导柱塞气举井工况诊断及制度优化，保证排水采气效果。

1 技术分析

1.1 结构

涡街节流式气液两相流量计结构见图1。在测量管中，涡街流量计旋涡发生体同时作为节流式流量计节流元件，实现两种流量计测量管一体化设计，保证了两种流量计在同一压力和温度系统下测量，同时降低了该气液两相流量计整体长度；旋涡发生体为三角柱结构，流体通过后在其后产生旋涡；将测量温度信号的热电阻和测量旋涡频率信号的压电芯片一体化封装，组成频率温度传感器，避免单独开孔安装温度传感器探头对旋涡频率测量的影响，且减少管道开孔，测量管结构见图2。差压流量变送器在EJA110E型差压传感器基础上二次开发，内置流量计算模块，通过取压管同时测量差压和静压，并接收频率温度变送器信号，实现气液两相流量计算及显示。

1—测量管；2—频率温度变送器；3—取压阀；4—差压流量变送器；5—信号线；6—取压管。

图2 测量管结构图

1.2 测量原理

涡街流量计通过测量旋涡发生体后的旋涡频率信号实现流量测量，节流式流量计通过测量节流件前后的差压实现流量测量，将两种流量计组合同时测量湿气，理论上可实现湿气气液混合流体密度的测量，再根据已知的气液单相密度可得出气液两相流量[15]。因管道中气液两相流体存在流速差，所以得出的气液流量与实际流量不一致，但能反映变化趋势。采用室内空气-水两相流试验平台对理论模型测量结果进行试验修正，建立气液两相流量测量修正模型，见式(1)和式(2)。该气液两相流量计的测量精度理论上取决于修正系数的准确度，由于室内试验介质及工况与气井现场介质及工况存在差异，所以测量模型直接应用于气井现场可能会导致测量误差增大。

(1)

(2)

式中：qv为涡街流量计测量流体体积流量，m3/h；ql、qg分别为液相体积流量和气相体积流量，m3/h；kl、kg分别为液相和气相体积流量修正系数，无量纲；ρ、ρl、ρg分别为流体平均密度、液相密度和气相密度，kg/m3。

流体平均密度计算式为：

(3)

式中：C为流出系数，无量纲；ε为膨胀系数，无量纲；AD为测量管内截面积，m2；Ad为旋涡发生体处流通面积，m2；Δp为差压，MPa。

2 室内试验

2.1 试验平台与流程

平台试验介质为空气和水，设计运行压力1.6 MPa，实际运行压力为1.2 MPa以下；空气流量调节范围0～700 m3/h，采用孔板流量计作为标准表计量，准确度为1.5级；水流量调节范围0～8 m3/h，采用科氏质量流量计作为标准表计量，准确度1.0级；气液两相流量计长度为650 mm，测量管内径为25 mm。试验流程为：空气、水单独计量后混合，混合液流经气液两相流量计计量，测试一段时间内两相流量计测量的气液累计流量误差。试验平台流程见图3。

图3 室内空气-水两相流试验平台流程图

2.2 试验步骤

通过快速调节水流量调节阀模拟柱塞气举井出液工况开展室内试验。试验过程为：首先将空气流量调节至一固定值，然后快速调节水流量调节阀，使水流量快速增大后快速减小，期间系统压力在0.6～1.0 MPa波动，累计持续4 min左右，记录这期间孔板流量计的累计气量和质量流量计的累计水量，根据气液两相流量计的累计气量和累计水量，计算气液两相流量计测量误差。共测试了空气流量在200、400和600 m3/h，水流量在0～5 000 L/h和0～8 000 L/h时的6种不同工况，其中空气200 m3/h、水0～8 000 L/h工况下的气水瞬时流量变化情况如图4所示。

图4 空气200 m3/h、水0～8 000 L/h工况下气液两相流量的变化曲线

2.3 试验结果及分析

试验结果见表1。由表1可看出：空气累计流量误差均在4%以内，且全为负误差；水累计流量误差均在6%内，且全为正误差。测试误差较小原因为，该气液两相流量计测量修正模型是在该试验平台工况覆盖内试验得出，如超出该试验平台工况范围，该气液两相流量计误差可能会增大。

表1 气液两相流量计室内试验结果统计表

3 现场试验

3.1 试验目的

为验证该气液两相流量计在柱塞气举井测量性能，2019—2020年在苏里格气田苏东南区块柱塞气举井开展了6口井的现场试验。现场与室内试验的气液两相流量计规格型号一致。

3.2 试验流程

试验流程见图5，将井口原孔板流量计与外输闸阀之前直管段拆除，用3根高压软管串联涡街节流式气液两相流量计和分离计量装置，以分离计量装置为标准装置，来考量气液两相流量计测量误差。分离计量装置为多管束旋流分离器[3]，气液分离后气相采用旋进旋涡流量计计量，精度1.5级。液相采用磁浮子液位计测量液位，精度1 mm，折合体积0.2 L。气液分离计量后混合外输至采气管线。

图5 气液两相流量计现场试验流程

3.3 试验结果与分析

现场试验结果表明，该气液两相流量计气量测量误差均在5%内，5口井液量测量误差在25%内，1口井因产液太少液量误差大。试验结果见表2。

表2 气液两相流量计现场试验结果统计表

以靖56-56井试验为例。2019年8月在该井开展现场试验，生产制度为关2开4，生产油压2.8 MPa左右，日产气20 000 m3左右，日产液500 L左右，共测试了3个开井生产周期，气液两相流量计计量气液流量曲线见图6，测试数据见表3。

图6 靖56-56井气液瞬时流量曲线

从图6及表3可以看出：柱塞气举井生产特征明显，分为3个阶段；第一阶段，开井后柱塞上行段，该阶段气井基本不出液，瞬时气量下降较快，气液两相流量计气量测量误差基本在5%以内；第二阶段，柱塞到达井口排液段，基本为段塞流，持续时间1～2 min，瞬时液量最大能达10 000 L/h以上，该阶段气液两相流量计液量测量误差均在20%内，因累计气量基数小，气量测量误差大于5%，但对整个生产周期累计气量误差影响不大；第三阶段，排液后气井续流阶段，该阶段依靠气井自身能量携液，气井出液时瞬时液量很小，气液两相流量计测量气量误差小于5%，液量误差较大，最大达-35.9%。测试的每个开井生产周期，累计气量误差均在5%内，累计液量误差均在25%内。

表3 靖56-56井气液两相流量计测试情况统计表

由图6瞬时液量曲线可以看出，瞬时液量出现短暂大液量段，基本为段塞流，表明柱塞到达井口并顺利排除液塞，可判定柱塞生产制度合理、运行正常。

3.4 误差原因分析

通过分析，气液两相流量计现场试验液量测量误差较大的原因主要有：①气井产出湿气介质与室内试验流体介质成分及物性差异大；②因室内试验平台条件限制，试验流体流量和压力等工况无法覆盖现场气井实际生产工况；③气井出液中凝析油含率变化大，即密度变化大，而流量计输入液体密度为区块产液平均密度；④低含液率工况下流体平均密度与气相密度差值很小，导致液量相对误差大。

气液两相流量计测量曲线能准确反应柱塞气举井出液规律，通过瞬时液量曲线观察是否出现4 000 L/h以上大液量段，可有效判断柱塞运行工况，为柱塞井工况诊断及制度优化提供准确依据。

4 结论与建议

(1)因室内空气-水两相流试验平台工况及介质与现场气井生产工况及介质的差异性，该流量计通过该试验平台得出的测量模型直接应用于气井现场，会导致测量误差增大。下一步可利用中压天然气-水两相流测试平台，对该流量计测量模型进行测试校准；同时加强气井产液取样分析，提高流量计输入液相密度准确性，降低该流量计气井现场测量误差。

(2)柱塞气举井瞬时液量变化范围大，但生产特征明显，该流量计能较准确地计量柱塞到达井口排液段液相流量，且产液计量曲线能准确反应柱塞气举井生产规律，通过判断液相测量曲线是否出现大液量段，可有效评价柱塞气举井生产是否正常。

(3)建议将柱塞气举井气液两相计量数据与其他运行参数有效结合，提高工况诊断及调参准确性，提升柱塞气举井精细化、智能化管理水平。