儲氣庫井口天然氣計量影響特性研究

何金蓬 彭利果 張明鑫 陳波

1.國家石油天然氣大流量計量站成都分站 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.國家市場監管重點實驗室(天然氣質量控制和能量計量) 4.中國石油天然氣集團公司天然氣質量控制與能量計量重點實驗室 5.中國石油西南油氣田公司儲氣庫管理處 6.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

1 我國天然氣儲氣庫概況

自我國第一座地下儲氣庫—大張坨儲氣庫于1998年開建以來，截至2022年4月，我國共建成投產了地下儲氣庫38座(見表1)，設計總庫容量589.5×108m3，設計總工作氣量258.1×108m3[1]。目前,在建儲氣庫有溫吉桑儲氣庫群、驢駒河儲氣庫、江漢油田儲氣庫、孤家子儲氣庫等，預計2022年底溫吉桑儲氣庫群溫西一庫等部分井將投產。

表1 我國已建儲氣庫統計表序號區域/省份儲氣庫(庫群)配套管道設計庫容量/108m3設計工作氣量/108m31新疆呼圖壁西氣東輸二線107.045.12陜西陜224陜京線8.73.33西南相國寺中衛-貴陽線42.622.8清溪川氣東送管線3.51.94遼寧雙6秦皇島-沈陽線41.316.0雷615.33.45京津冀京58庫群(京58、永22、京51)陜京線16.87.56京津冀蘇橋庫群(蘇1、蘇4、蘇20、蘇49、顧辛莊)陜京一線-陜京三線67.423.3

續表1序號區域/省份儲氣庫(庫群)配套管道設計庫容量/108m3設計工作氣量/108m37京津冀板南庫群(白6、白8、板G1)陜京線7.84.38京津冀大張坨庫群(大張坨、板876、板中北、板中南、板808、板828)陜京線69.030.39江蘇金壇(中國石油、中國石化、港華燃氣各1座)西氣東輸一線43.026.710江蘇劉莊西氣東輸冀寧線4.62.511吉林雙坨子中俄東線10.75.3孤西3.00.312東北四站朝515.23.6喇嘛甸7.61.013河南文96榆林-濟南線5.93.0文23榆林-濟南線104.240.3衛1110.14.3文13西、白919.410.014湖北江漢(一期)川氣東送管線1.40.815山東永215.02.4合計38座589.5258.1

2020年我國天然氣消費量已達到3 200×108m3，根據我國天然氣發展規劃，預計到2030年，我國的天然氣消費量將達到5 500×108m3[2]。國家發改能源規〔2018〕637號《關于加快儲氣設施建設和完善儲氣調峰輔助服務市場機制的意見》明確規定“天然氣銷售企業應當到2020年擁有不低于其年合同銷售量10%的儲氣能力”。以此計算，預計到2030年地下儲氣庫的調峰需求將超過550×108m3。根據中國石油調峰長期規劃，2030年中國石油的天然氣調峰需求將達到395×108m3，調峰缺口將達到115×108m3[3-6]。結合油氣資源、鹽礦資源分布的特點，對適合建設儲氣庫的油氣藏、含水層和鹽穴進行篩選評價，預計未來可在全國形成東北、華北、西北、西南、中西部和中東部六大儲氣中心，工作氣量潛力將超過600×108m3[1]。

2 儲氣庫井口計量技術現狀

2.1 儲氣庫井口天然氣計量特點及常用流量計

根據儲氣庫井口工藝特點和高效調配需求，其計量系統宜滿足寬壓力運行、注采同管雙向計量、能適應天然氣氣體中攜帶凝析底層水及巖屑雜質、具有節能功效等(見表2)[6-7]。由于儲氣庫在采氣初期，氣體中攜帶凝析底層水及巖屑雜質等[8-10]，影響流量計的測量準確度，容易造成氣量計量誤差，當流量計承載靜壓差較大時，易導致常用靶式流量計的阻流件卡阻、損壞或脫落。

表2 儲氣庫天然氣井口流量計特性需求注采工況條件及工藝要求流量計特性需求注氣、采氣計量使用一套計量裝置正反雙向計量采出氣中常攜帶出油、水、固體顆粒等雜質[9]內部結構簡單,耐臟污不易積液、堵塞,無可動部件,計量性能不受影響節能,降低注氣過程能耗,減少不必要的壓力損失壓損小,優選無阻流件結構長期連續不間斷運行操作維護簡單,較高的重復性和穩定性注氣采氣壓力10～42MPa,溫度40～60℃耐高壓、耐高溫系統安全,流程內不應有易脫落的阻流件,無泄漏點內部無易脫落部件,宜一體化結構站場內有壓縮機組振動耐振、抗噪聲、適應氣流脈動

針對儲氣庫井口計量特點，目前普遍采用靶式流量計、均速管流量計(差壓式流量計)、管道式超聲流量計、夾裝式超聲流量計來實現井口天然氣計量(見表3)，各流量計的工作原理不同，在儲氣庫現場使用中有各自的優勢及短板。

表3 國內主要儲氣庫井口計量所用流量計統計表儲氣庫所用流量計流量計性能金壇靶式流量計(雙向)性能穩定,誤差一般劉莊靶式流量計(雙向)由于現場氣體含油含水,工況較復雜,導致誤差較大京58靶式流量計(單向)誤差偏大蘇橋靶式流量計(雙向)故障率高,誤差符合要求雙6靶式流量計(單向)故障率高,誤差符合要求相國寺5臺超聲流量計(雙向)8臺靶式流量計(雙向)靶式流量計誤差大穩定性差,超聲流量計驗證中呼圖壁外夾持式超聲流量計(單向或雙向)性能穩定,誤差符合計量要求陜224均速管流量計(單向)性能穩定,誤差符合計量要求文23超聲流量計(雙向)性能穩定,誤差符合計量要求文96超聲流量計(雙向)性能穩定,誤差符合計量要求大張坨均速管流量計(單向)性能穩定,誤差符合計量要求板876均速管流量計(單向)性能穩定,誤差符合計量要求板中北南6臺靶式流量計(雙向)25個均速管流量計(單向)性能穩定,誤差符合計量要求板808均速管流量計(單向)性能穩定,誤差符合計量要求板828靶式流量計(單向)故障率高,誤差符合計量要求板南超聲流量計(雙向)性能穩定,誤差符合計量要求

2.2 儲氣庫井口天然氣流量計量值溯源現狀

目前，國內天然氣實流檢定裝置最高壓力僅為10 MPa，而儲氣庫井口天然氣壓力往往在10 MPa以上，最高可達42 MPa(見表4)[11-13]。由于在高壓、低壓條件下，不同流量計的計量特性不同，因此，儲氣庫井口天然氣流量計僅能在廠內做干標測試來判定其計量準確度，而不能按照現場實際運行壓力進行校準測試，面臨計量準確度無法評價的技術問題。

2.3 儲氣庫井口天然氣流量計應用現狀

儲氣庫建設初期使用靶式流量計，時常出現流量計靶板脫落等情況，導致計量準確率較低。因此，陸續使用了管道式和外夾式超聲流量計。為了比較其計量性能，2015-2018年，將上述3種流量計計量數據進行了對比。

2.3.1靶式流量計與外夾式超聲流量計對比

2018年12月15日-16日，相儲22井采氣測試，同時安裝外夾式超聲流量計，與靶式流量計計量數據進行對比(見圖1)。

從圖1的對比數據看，在4個不同產量的情況下，隨著采氣量的增加，外夾式超聲流量計與靶式流量計的計量偏差也逐級增加，最大偏差率達到42.8%。

2.3.2靶式流量計與管道式超聲流量計對比

從2015年11月15日開始，儲氣庫進入第2次調峰采氣。截至2016年1月10日，在此期間使用集注站管道式超聲流量計與各注采井靶式流量計的瞬時流量數據進行對比(見圖2)。

從圖2可看出，此生產階段集注站管道式超聲流量計瞬時流量相對于各注采井靶式流量計瞬時流量之和的平均偏差為375×104m3/d，平均偏差率為38%。

2015年2月-11月，儲氣庫注氣生產。在此期間,使用集注站管道式超聲流量計與各注采井靶式流量計的瞬時流量數據進行對比(見圖3)。

從圖3可看出，2015年4月底-5月初，注氣量(集注站管道式超聲流量計瞬時流量)平穩在730×104m3/d，各注采井靶式流量計瞬時流量之和約為540×104m3/d，偏差達到190×104m3/d，平均偏差率為27%。2015年6月底-10月底，偏差率增大至40%。

2.3.3管道式超聲流量計與外夾式超聲流量計對比

2014年9月28日-29日, 相儲3井采氣能力測試期間，對外夾式超聲流量計與集注站內管道式超聲流量計計量數據進行對比(見圖4)。

根據數據對比分析，外夾式超聲流量計與管道式超聲流量計計量之間偏差約1.2×104m3/d，偏差率約4%，管道式超聲流量計與外夾式超聲流量計計量數據相對接近。

3 儲氣庫井口流量計計量性能評價

3.1 儲氣庫井口流量計實驗室校準結果

5臺流量計在流量點700 m3/h、550 m3/h、330 m3/h、75 m3/h、32 m3/h的校準結果見表5。從表5可知：不同類型超聲流量計在不同壓力條件下的計量特性不同，隨著壓力的升高，超聲流量計計量相對偏差有的存在正偏,有的存在負偏；受超聲流量計探頭性能的影響，有的超聲流量計經低壓測試后，具備代表此流量計在一定高壓范圍的計量性能，但在遠超過檢定壓力范圍的情況下,其計量性能將發生變化；J4高壓超聲流量計不適合于低壓校準測試；差壓流量計在不同壓力條件下計量重復性較好。

表5 儲氣庫井口流量計實驗室校準結果序號流量計壓力/MPa正向流量示值誤差/%正向重復性/%反向流量示值誤差/%反向重復性/%1J1槽道流量計4.0-0.25～0.720.08-1.49～0.630.199.0-0.90～0.740.03-1.34～0.780.032J2均速管流量計4.0-0.38～0.590.03-1.86～0.100.039.0-2.09～0.260.34-2.76～1.061.163J3超聲流量計4.0-2.09～-0.390.09-2.49～-0.700.119.0-2.09～0.260.34-0.52～0.520.314J4超聲流量計9.0-1.34～0.160.29-3.06～-1.990.205J5超聲流量計4.0-1.43～-0.660.079.0-1.80～-1.220.54

3.2 建立儲氣庫井口高壓天然氣測試平臺

為了提高儲氣庫井口天然氣計量準確度，以指導生產，優化運行參數，科學評價注采效果，提高天然氣注采率，在2019～2020年，系統性地建立了儲氣庫井口高壓天然氣測試平臺與評價方法，有效地評價了5臺流量計的計量性能特性。

選擇了相國寺儲氣庫相儲3井作為測試平臺，通過對其每個壓力等級下的最大合理注氣量和最大合理采氣量進行計算，確定了流量計的流量范圍為30～581 m3/h，壓力等級為42 MPa。儲氣庫井口高壓天然氣測試平臺工藝如圖5所示，建立有儲氣庫配套計量工藝、數據采集系統，實現了計量數據實時遠傳至控制室,各流量計壓力、差壓、溫度、瞬時流量、累計流量等自動存儲與分析。

3.3 形成儲氣庫井口流量計計量性能評價方法

儲氣庫井口注采數據處理方法：儲氣庫現場參考值取多臺經實驗室實流校準后串聯流量計的現場階段累計流量平均值；從流量計每秒瞬時流量相對偏差、流量計階段(300 s及1天)累計流量相對偏差、流量計逐階段累計流量相對偏差、工況流量點對應相對偏差4個維度進行數據分析。如圖6所示，儲氣庫井口流量計計量性能評價方法能實現對J1槽道流量計在整個注氣過程中的每秒相對偏差、每300 s相對偏差、對應差壓等數據進行大數據統計分析，最后實現對流量計計量性能的客觀評價。

3.4 儲氣庫井口流量計計量性能評價效果

3.4.1測試對象

根據儲氣庫常用流量計，優選出具有代表性的5種流量計(見表6)，其中有2種屬于差壓式流量計，3種屬于超聲流量計。

表6 實驗室測試流量計序號流量計特點(分類)1J1槽道流量計采用紡錘體結構工藝技術的差壓式流量計2J2均速管流量計一體化結構(均速管、三閥組、溫壓補償、變送器)的差壓式流量計3J3超聲流量計插入式國產高壓儲氣庫超聲流量計4J4超聲流量計插入式國產高壓儲氣庫超聲流量計5J5超聲流量計非接觸式、外夾式超聲流量計

3.4.2流量計計量性能評價效果

通過建立的儲氣庫井口高壓天然氣測試平臺及計量性能評價方法，在注采條件下對5種待測流量計進行了測試，其計量性能如下。

3.4.2.1 注氣條件

運行工況:壓力為22～25 MPa、溫度為24～58 ℃、流量為0～181 m3/h。日累計流量(標況)為(0～1)×106m3。在日累計流量高于2×105m3時，5臺流量計日累計流量示值誤差保持相對穩定；日累計流量低于2×105m3(流量計流量拐點下)時，5臺流量計日累計流量示值誤差存在明顯波動，J2均速管流量計日累計流量相對偏差最大可達約12%(見圖7)。

階段累計注氣量約2.8×107m3，J1槽道流量計流量相對偏差為-0.43%，J2均速管流量計相對偏差為4.67%，J3超聲流量計相對偏差為-4.37%，J4超聲流量計相對偏差為6.04%，J5超聲流量計相對偏差為-5.31%(見圖8)。

3.4.2.2 采氣條件

運行工況壓力為8.33～21.62 MPa、溫度為23.52～34.25 ℃、流量為0～425.92 m3/h。采氣階段5臺流量計每5 min累計標況流量范圍為3 115.21～5 020.35 m3，且其相對偏差保持相對穩定，相對偏差范圍為-4%～4%(見圖9)。

階段累計采氣量約5.0×107m3，5臺流量計逐日累計流量相對參考值的偏差為-2%～2%。J1槽道流量計相對偏差為-1.70%～-1.12 %，J2均速管流量計相對偏差為-0.68%～2.93%，J3超聲流量計相對偏差為-1.88%～-0.24%，J4超聲流量計相對偏差為0.83%～1.82%，J5超聲流量計相對偏差為-1.21%～-0.89%(見圖10)。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)建立儲氣庫井口高壓天然氣測試平臺，形成儲氣庫井口流量計計量性能評價方法，能有效地評價儲氣庫高壓井口流量計的計量性能。

(2)儲氣庫井口天然氣直接從井口采出，壓力可達10～42 MPa，溫度可達24～60 ℃，攜帶有微量的油、水、固體顆粒等雜質，對天然氣流量計量提出了較高的要求。常用靶式流量計對天然氣中雜質要求較低，壓損小，但誤差較大，且故障率高。

(3)從注采氣條件數據看，針對相國寺儲氣庫氣質與現場工藝條件(主要是水含量小、凝析油少、節流閥無噪聲干擾)，經過實驗室天然氣實流校準，5個流量計的累計注氣偏差為-5.31%～6.04%，累計采氣偏差為-1.70%～1.82%，均符合GB 50349-2015《氣田集輸設計規范》中“井口計量設施的允許偏差為±7.0%”的要求。其中，經過現場比對驗證，J1槽道流量計、J2均速管流量計、J3超聲流量計滿足±5%范圍，滿足了現場管理的期望限值。

4.2 建議

(1)儲氣庫井口天然氣注采氣量運行工況流量建議高于流量拐點(工況流量32 m3/h，或標況流量約2.0×105m3/d)，以保證現場注采氣計量準確性。

(2)建議儲氣庫井口流量計經過天然氣實流校準后使用，以滿足計量偏差為±5%的要求。

(3)氣流較大波動、強信號干擾對均速管流量計有明顯的不利影響，應注意克服。