非分離式計量技術在頁巖氣地面測試中的應用研究

李 然，劉興華，謝 奎

1中國石油浙江油田公司天然氣勘探開發事業部 2中國石油川慶鉆探工程有限公司試修公司

0 引言

頁巖氣作為一種新興能源，是一種儲量高、清潔、低碳的非常規天然氣，在能源消費中占有越來越重要的地位，不過其開采技術還不成熟，仍有許多需要攻克的技術難點，其中包括兩相流的有效計量問題[1-2]。目前基本采用分離式計量方式，利用兩相流體中各相的密度差異，通過物理方法將氣液進行分離，之后通過單相儀器儀表和計量罐進行計量，該系統笨重,體積較大，安裝周期長，給工藝流程設計和施工都增加了很大難度,綜合成本高。隨著我國頁巖氣開采力度的加大和在“降本增效”的大背景下，非分離式的兩相流量計越發凸顯它獨特的優勢，在降低成本的同時實現采輸工藝優化，不過頁巖氣井排采存在流量變化大、含砂量大、含水量高等特點，因此將非分離式兩相流量計成功應用在頁巖氣采輸階段，仍需解決一系列問題。

美國和加拿大在多相流計量方面主流使用的多相流量計以文丘里與放射源聯合計量技術為主[3]，這套方案基本能夠滿足氣田對流量計量精度的要求，但是由于放射源存在潛在的風險，安全管理難度大，很難在國內推廣。

近年來，隨著我國在人工智能等領域的突破，深度學習算法和多傳感器融合技術在多相流的計量領域獲得廣泛應用[4]。本文提出一種將文丘里與電容層析成像技術相結合，配合深度學習算法對兩相流進行精確計量并能實現實時顯示流動狀態的技術方案，開展了非分離式計量技術在頁巖氣排采中的應用研究，通過現場比對試驗，充分驗證了技術的可行性和適應性，為解決頁巖氣開采中的兩相流計量難題，提供了技術支持。

1 計量原理

1.1 測量方法設計

非分離式兩相計量技術的核心特征在于將電容層析成像技術與文丘里相結合，應用多級差壓技術獲取總流量，通過電容層析成像技術獲得流型和含氣率，最后通過深度學習算法將獲得的參數進行修正，最終實現對不同流型的兩相流動提供精確測量。

1.2 多級差壓文丘里技術

利用伯努利方程和連續性方程，文丘里管能夠對單相流進行準確的計量，具體計算公式如下[5]：

(1)

式中：W—質量流量，kg/h；ε—流體可膨脹系數;Cd—流出系數;β—節流系數，即文丘里管節流孔徑和管道孔徑之比；D—文丘里管節流孔徑，mm；Δp—單相流體通過節流裝置后的壓差，kPa；ρ—單相流體密度，kg/m3。

對于氣液兩相流來說，其在管道中流動時兩相的速度基本是不相等的，通過節流裝置時的差壓Δp由節流裝置的節流作用和兩相之間的摩擦作用共同組成，因此導致差壓值比相同流量的單相流體單獨流過時偏大，相應的計算出的流量也大于實際流量，這一現象被稱為“虛高”[6-7]，為了能夠得到通過文丘里管的實際流量，分別引入Lockhart-Martinelli參數(L-M參數)X和無量綱虛高修正參數φ，其表達式為[8-9]：

(2)

(3)

式中：Wtp—虛高流量，kg/h;W—實際流量，kg/h；Δptp—兩相流通過文丘里管產生的差壓，kPa;Δp—單相流通過文丘里管產生的差壓，kPa；Wl—液相流量,kg/h;Wg—氣相流量，kg/h；ρg—氣相密度，kg/m3；ρl—液相密度，kg/m3。

根據Chisholm[10]等人的研究，虛高修正系數φ和L-M參數存在如下關系:

(4)

式中：C—根據試驗數據擬合的系數。

將式(1)和式(4)聯立得到：

(5)

式中：Z—與截面含氣率相關的無量綱參數，截面含氣率可以通過電容層析成像信號進行擬合。

1.3 電容層析成像技術

電容層析成像技術(Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT)是一種非侵入式的斷層層析成像技術[11]，其主要工作原理為：不同的物質具有不同的介電常數，當被測物質內部的介質分布發生變化時，就會引起介電常數的變化，同時造成分布在被測物質表面的電容傳感器陣列極板間的電容值變化，通過圖像重建算法進行求解，得到被測物質內介電常數的變化情況。其結構如圖1所示。

圖1 電磁層析成像原理

圖1(a)兩相流量計中的電磁成像結構，8個電極板結構均勻分布在管道表面，圖1(b)管道成像區域經三角有限元劃分后的敏感場分布，其和電容、介電常數有如下關系[12-13]：

Δε=(JTJ+αI)-1JTΔC

(6)

式中：Δε—介質電學屬性分布的變化量；T—轉置矩陣；J—敏感場分布矩陣；α—Tikhonov正則化系數；I—單位矩陣；ΔC—被測區域電容值的變化量。

根據圖像重建算法得到的管道內流體分布情況如圖1(c)所示，同時也可以得到相對應截面含氣率γ的計算公式為[14-15]：

(7)

式中：M—被測區域的像素數；fj—第j個像素的灰度值；Aj—第j個像素的截面面積；A—傳感器的總截面面積。

通過聯立式(5)和式(7)可以求出氣相和液相流量，同時電學層析成像技術對兩相流的流動狀態進行實時監測，能夠根據流動狀態及產量的變化準確識別頁巖氣井的生產異常，對于產量變化較大的井能夠根據流型和深度學習算法對兩相流模型進行補償，從而保證較高的計量精度。

2 試驗研究

2.1 試驗過程

本次氣液兩相流量計(見圖2)選擇在威遠頁巖氣區塊某井區的WH12平臺和WH38平臺進行試驗，兩處平臺的頁巖氣井分別處于開采的初期和末期，具有完全不同的測試井況，從而保證氣液兩相流量計測量結果的可靠性，參與測試的設備參數如表1所示。

圖2 氣液兩相流量計

表1 設備參數

頁巖氣井在開采初期氣相和液相產量波動都很大，在開采中末期產量基本趨于穩定，因此為了試驗兩相流量計的可靠性,本次選擇的兩個平臺的4口井主要以處于開采初期的井為主，每口井的歷史產量變化范圍如表2所示。

表2 測試井歷史信息

在兩相流量計的測試試驗過程中，需要對氣液各相產量進行實時計量和井口流動狀態實時展示，同時技術人員會將氣液分離后再進行計量的各相產量作為標準值與兩相流量計的計量結果進行比較并計算相對偏差，每天分別在整點記錄氣相和液相累積值，本次測試試驗在WH12平臺和WH38平臺分別記錄了15 d和30 d的數據。

兩相流量計的測試試驗標準如下：

(1)在完成設備的調試后，開始記錄數據，使用孔板式流量計計量分離后的氣相累計流量，使用電磁流量計計量液相累計流量，將該氣、液流量數據作為計量標準值。

(2)氣液兩相流量計在記錄時間段內對參測井同時計量，并產生此時間段參測井的氣、液累計流量及溫度、壓力等參數，作為測量值。

(3)氣液兩相流量計數據與現有計量設施數據進行比對，通過式(8)分別計算出各相相對偏差。

(8)

2.2 試驗結果分析

測試結果表明，針對不同頁巖氣井的單井計量和多井混合計量，氣液兩相流量計的測量值均能與標準值達到較好的一致性，驗證了氣液兩相流量計的計量精度及適用性。

圖3、圖4為WH12-6井氣相和液相日產量的變化趨勢，除測試的第一天和最后一天，液相和氣相產量變化相對比較平穩，符合頁巖氣井開采中期的產量特征。WH12-6井15 d日氣相偏差全部小于5%，液相偏差小于5%的數據占93.33%。

圖3 2020年WH12-6井氣相日產量趨勢圖

圖4 2020年WH12-6井液相日產量趨勢圖

圖5、圖6分別為WH38平臺氣相和液相日產量的變化趨勢，從中可以看出，在整個測試周期內，氣相和液相的日產量一直波動較大，同時由于部分時間段采用多井混合計量方式，更是加劇了產量的波動，符合頁巖氣井開采初期的特點。

圖5 2020年WH38平臺氣相日產量趨勢圖

圖6 2020年WH38平臺液相日產量趨勢圖

WH38平臺3口井在測試期間除了單井計量外，還進行了多井混合計量。30 d混合計量氣相日產量相對偏差小于5%的數據占總樣本96.67%，液相日產量相對偏差小于5%的數據占總樣本95.36%。

圖7、圖8為WH12-6和WH38平臺井氣相、液相日產量偏差，盡管兩處平臺的井況和產量存在較大差異，但是計量誤差的波動范圍基本一致，說明兩相流量計面對不同的井況都能夠保證統一的精度。

圖7 2020年WH12平臺氣相和液相日產量偏差

圖8 2020年WH38平臺氣相和液相日產量偏差

本次試驗測試同時驗證了電學層析成像技術在流動可視化方面的應用，如圖9所示。圖中紅色部分代表液相，藍色部分代表氣相，介于紅色和藍色之間的顏色代表氣液混合物。從圖9中可以得到以下結論：氣液兩相在管道內大部分時間不是均勻流動，由于氣相和液相的速度和密度差異，液相基本貼著管壁流動，氣相沿著管道軸心流動，因此電學層析成像技術對管壁及液相的流動變化更為敏感，實現了兩相流動過程的可視化，為現場人員識別氣井段塞流、判定生產異常、直觀了解流動狀態提供了新的技術手段。

圖9 流動狀態可視化效果圖

3 結論

本次研究把非分離式的氣液兩相流量計引入頁巖氣的生產計量中，首次將長頸喉文丘里技術和電學層析成像技術相結合應用到生產一線，通過現場測試試驗和適應性分析，得出如下結論：

(1)采用文丘里多級差壓技術和電磁層析技術的非分離式氣液兩相流量計具有可靠性高、適用性廣的特點，在頁巖氣井處于高、中、低產液階段，測試結果穩定，計量精度較高，可適用于頁巖氣測試試采全作業周期，值得推廣使用。

(2)氣液兩相流量計提供頁巖氣多井組平臺單井秒級實時氣液流量、溫度、壓力等生產關鍵參數，為頁巖氣田動態生產安全管理提供可靠依據。

(3)氣液兩相流量計具有操作簡單、維護方便、成本低廉、無人值守的特點，能夠替代現有體積龐大、造價昂貴的測試分離器，簡化了工藝管線和管匯，從而為頁巖氣地面測試流程的優化完善提供技術支撐。