淺析粉煤灰對煤層氣井計量的影響

張宏廷，劉 猛，謝保豹

中石油煤層氣有限責任公司工程技術研究院 （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出氣中所含的水、粉煤灰等雜質會一起流經計量閥組，進入采氣匯管后輸送到集氣站進行除水、除塵、壓縮[1]。在生產過程中，水氣、粉煤灰對流量計的準確計量產生一定的影響，進而影響煤層氣井地產的準確性。以煤層氣普遍使用的旋進漩渦流量計為例，研究煤層氣開采攜帶出的粉煤灰對該類型流量計計量的影響，為流量計的選型提供了可靠的數據保障。

1 旋進旋渦流量計工作原理

旋進旋渦流量計流量傳感器的流通剖面類似文丘利管的型線。在入口側安放一組螺旋型導流葉片，當流體進入流量傳感器時，導流葉片迫使流體產生劇烈的旋渦流。當流體進入擴散段時，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉，形成陀螺式的渦流進動現象[2]。該進動頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉進動頻率就能在較寬的流量范圍內獲得良好的線性度。信號經前置放大器放大、濾波、整形轉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行計算處理，最后在液晶顯示屏上顯示出測量結果(瞬時流量、累積流量及溫度、壓力數據)，如圖1所示。

圖1 旋進旋渦流量計原理圖

2 旋渦流量計計量精度影響因素

2.1 氣中含水對計量精度的影響

由于煤層氣中含有水分，濕氣計量目前仍是國際難點，準確計量存在難度。雖然流量計在干燥氣體中檢定合格，在實際現場使用條件下仍存在誤差。相關實驗結果表明，旋渦流量計在體積含氣率大于99%的濕天然氣，液相（水或凝析烴）體積含率低于0.5%的氣體中產生0～6%的正誤差（表1）。

2.2 粉煤灰對計量精度的影響

通過磨損試驗，隨著旋渦葉片被磨損厚度的增加，流量計的線性度變差，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]，經旋渦發生體加速后，粉塵顆粒對流量計計量腔體和測量探頭出現磨損情況，損壞流量計及計量腔，導致出現較大的計量誤差。

表1 各類流量計在煤層氣的誤差統計表 /%

2.3 較大雜質顆粒對計量精度的影響

現場施工和運行過程中，較大的雜質顆粒在不能通過葉片間距時，會堵塞到葉片之間，對流量計精度產生較大的影響。

通過試驗數據，隨著進氣通道被堵塞的數量不同，在6個通道堵塞4個以內時，相對誤差呈現正增長；而在通道只剩2個或1個，相對誤差變成負值。

2.4 LUM旋渦流量計現場試驗

LUM流量計屬于簡易智能旋進旋渦流量計，工作原理與旋渦流量計相同。從2017年11月20日在韓城區塊安裝第一臺流量計開始，到2018年2月為止共安裝5臺該型號流量計。目前已安裝的5臺流量計除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 試驗用流量計安裝位置統計

1）上述單井原安裝流量計為普通旋渦流量計，數據采集至上位機，在數據庫進行計算，計算公式如下（由于未采集單井井口產氣溫度，所有非智能流量計的溫度按照20℃計算）。

式中：Q標況為該管線氣體在標準狀況下的瞬時氣量，m3/h；Q工況為該管線內氣體在實際工作狀態下的瞬時氣量，m3/h；P管壓為該管線內氣體的壓力（不含大氣壓），MPa。

2）一般帶溫壓補償的標準狀況下流量計算公式如下：

式中：Q標況為該管線氣體在標準狀況下的瞬時氣量，m3/h；Q工況為該管線內氣體在實際工作狀態下的瞬時氣量，m3/h；P管壓為該管線內氣體的壓力（不含大氣壓），MPa；P大氣為標準大氣壓，MPa；T為管線內氣體溫度，℃。

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

3）數據分析。更換流量計前后3天數據對比（表3）。經過分析認為：①LUM智能旋渦流量計具有溫壓補償功能，瞬時標況計算相對準確。僅溫度補償一項[4-5]，在2018年2月份氣候條件下，智能旋渦流量計較普通流量計多6%左右。此外，該流量計壓力值測量單位為kPa，自動化系統壓力數據采集的單位為MPa，計量精度上有差異，也是導致計量誤差偏大的因素。②HC1-36氣量波動較大，尤其是更換流量計前后。從單井數據庫查詢，2017年11月該井換流量計前平均流量2 700 m3，換流量計后一般流量為3 000 m3，差值為+11.1%。③2018年6月生產數據（表4）。上述4口井從2018年6月28日～6月30日生產數據抽樣結果看，數據平穩變化不大，性能穩定。

3 結論

1）煤層氣生產過程中攜帶的粉煤灰等物質對單井的地產計量確實存在不小的影響，但選用具有溫壓補償功能的流量計，瞬時標況計算相對準確。

2）實際生產過程中流量計壓力值測量單位為kPa，自動化系統壓力數據采集的單位為MPa，在計量精度上的差異也是影響產量計算的因素。

3）選用LUM簡易旋進旋渦流量計價格大約是1.2萬元，比智能旋進旋渦流量計便宜1萬元左右，比普通旋渦流量計貴一倍，可以替代單井流量計和管壓壓變。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）流量計安裝要規范。流量計的安裝應盡可能遠離振動源，所用介質是不帶顆粒、不帶水滴、不帶粘污物的純凈氣體，否則應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 流量計安裝前后3天數據對比表

表4 流量計抽樣檢查統計表

表4 流量計抽樣檢查統計表（續）