摘 要:凝析气田普遍具有高含盐、高含蜡、高凝点特性,凝析气气质特性较为复杂,给气田天然气计量仪表选型、使用及维护带来较大困难,在此以雅克拉-大涝坝凝析气田为例,从凝析气气质特性、计量仪表工作环境、仪表特性等多个角度分析,探讨适合凝析气田天然气不同计量要求的计量技术。
关键词:凝析气田;天然气;计量;涡轮;涡街;旋进旋涡;孔板;超声波;智能
凝析气田天然气生产一般包括凝析气开采、凝析气中间处理、干气产品交接三个过程,因此天然气计量可分为凝析气田单井湿气计量、中间处理站内部计量和干气产品交接计量三级计量。由于计量精度跨度范围大、计量量程比要求高,同时凝析气田普遍具有高含盐、高含蜡、高凝点特性,天然气介质物性复杂(含水、含蜡、含盐等),给凝析气田天然气计量仪表选型及使用维护带来了较大困难。
1 常规天然气计量技术概况
目前国内天然气流量普遍以体积计量为依据,对应的体积流量计量器具依据工作原理可分为容积式、速度式、差压式。
在常规天然气矿场集输与处理过程中,常用的容积式天然气计量仪表主要有旋叶式流量计、罗茨式流量计,旋叶式流量计因转子与壳体的间隙很小、对气质的洁净度要求高,因此油田使用较少;罗茨式流量计受流体密度、粘度影响小,对流体状态、速度无特殊要求,因此在大庆、塔里木轮南油田单井湿气计量中应用较多。
速度式计量仪表在天然气计量中主要有涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计,此类流量计测量范围广、结构简单、校验方便、可实现温度和压力补偿、可智能检测和远程传输,在国内油气田天然气计量中应用范围很广,但由于此类流量计对气体质量要求比较苛刻,对水份、灰尘等无机杂质的抗干扰能力弱,目前在单井湿气计量中其精度普遍较差。
差压式计量仪表主要有临界速度流量计、双波纹差压流量计、标准孔板流量计。临界速度流量计和双波纹差压流量计在边缘单井湿气计量中应用较多,临界速度流量计计量方法简单,实际上是一种简易孔板流量计,测量的是孔板上游与大气的差压,从而计算湿气流量,该计量仪表因计量精度低且对大气有污染及造成工业浪费,目前已很少使用;标准孔板流量计因其高精度和成熟的工艺技术,国内外使用率都很高,国内大口径输气管线天然气交接也多采用标准孔板流量计,近年来,随着自动化、智能化、远程化技术在标准孔板流量计上的推广应用,该流量计应用前景将更加广阔。常规流量计性能对比见表1。
2 凝析气田天然气计量技术探讨
凝析气田天然气计量包括凝析气田单井湿气计量、中间处理站内部天然气计量和干气产品交接计量三级计量。
2·1 凝析气田单井湿气计量技术
凝析气田单井湿气计量工艺通常采取两相分离间歇式计量,即多口生产井共用一台计量装置,平均每口井单独计量约8~12小时,并折算出全天天然气产量,实现对所有生产井的计量。计量仪表主要有临界速度流量计、双波纹差压流量计、涡轮流量计、涡街流量计等,由于临界速度流量计计量精度低、污染、浪费严重,已基本不再使用,目前应用较多的是涡轮和涡街流量计。
雅克拉、大涝坝凝析气田单井油气采取一级布站方式生产,井口油气水混合物管输进天然气中间处理站油气分离后计量,单井湿气计量仪表均选用涡街流量计。该计量仪表为在流体管道内插入一根非线型的柱装物,当气体流经并达到一定雷诺数范围内,柱装物的下游随即产生两列不对称而有规律的交替漩涡,漩涡的频率与流速成正比,通过检出器、放大器和转换器即可获得天然气的流量。它在量程比、精度、压损、安装、读取等方面均具有较强优势,但凝析气田湿气的一些特性导致该计量仪表出现较大误差。
(1)单井湿气流量变化范围大(一台仪表一般计量8~12口井),随着单井计量周期而大幅度的变化,从而产生脉动流,其随机脉动压力将会对涡街发生体产生随机冲击,从而影响测量精度。雅克拉、大涝坝气田单井湿气流量变化范围见表2。
(2)因凝析气田单井湿气产量波动范围较大,部分单井天然气产量已经超出仪表量程,造成仪表计量不准确。从表2可见,大涝坝气田单井天然气最大流量是最小流量的5. 7倍,雅克拉气田单井天然气最大流量是最小流量的12. 9倍,雅克拉气田的单井涡街流量计量程为8000~22000m3/h,而单井天然气最小产量仅为1000m3/h,因此小流量单井产量已超出仪表最小量程8000m3/h,计量误差增大。
(3)凝析气田单井采、输生产中经常出现断续流,流体的不连续性易引起流量计安装管道的振动,如果仪表的抗振动性能较差,将影响仪表的计量精度,目前国外同类仪表在抗振动性能上做的较好。
(4)因涡街流量计有漩涡检测元件,因此对介质的洁净度要求较高,而凝析气田天然气通常含沙粒、有机盐、蜡、CO2、H2O等杂质,长时间运行后, CO2、H2O、无机盐对检测元件造成腐蚀,沙粒对其造成磨损,蜡粘附在检测元件表面,从而产生测量误差,此现象在大涝坝气田表现尤为突出(大涝坝气田井口产出物含盐量775. 61mg/l、含蜡量16. 74%、H2O含量3%~60%,CO2含量0. 85% )。
(5)凝析气田的开发层系不同,其单井产出物的温度、压力均有所差别,雅克拉、大涝坝气田单井温度变化波动一般在±15℃。而当介质的温度、压力发生变化时,气体的体积也随之发生变化,从而使仪表测量发生变化,目前涡街流量计已普遍增加了温度、压力补偿器,但补偿系数设置和补偿器性能的好坏对计量精度影响很大。
2·2 凝析气田中间处理站内部天然气计量技术
雅克拉、大涝坝凝析气田分别建设了两座天然气处理站(中间处理站),主要以回收天然气中的较重组分、产生液化气和轻烃为目的。处理站内部气量计量(天然气、液化气)对装置效率分析、工艺参数调整技术指导、装置能耗分析都起到相当重要的作用,因此其计量精度要求也较高(一般不低于1% )。大涝坝天然气处理站内部天然气计量仪表有涡街流量计和涡轮流量计,雅克拉天然气处理站内天然气计量仪表有涡街流量计、涡轮流量计、孔板流量计、旋进漩涡流量计,下面就其使用情况进行探讨。
(1)涡街流量计应用
大涝坝天然气处理站进站天然气总计量仪表选用的是涡街流量计,使用中其误差主要表现在杂质、CO2、H2O、无机盐、蜡对检测元件的腐蚀、磨损、粘附引起的测量误差。目前使用情况较差,建议选用不与介质直接接触的超声波流量计或抗污染能力较强的孔板流量计。
其余涡街流量计使用点计量的天然气(液化气)气质干净、供气平稳(扰动小),因此计量准确度较高,是较为理想的流量计。
(2)旋进漩涡流量计应用
雅克拉天然气处理站燃料用气计量仪表选用了旋进漩涡流量计,该流量计的工作原理为:当气体沿轴向进入流量计入口,螺旋锥体强迫流体旋转,形成漩涡流经文丘利管旋进、节流、加速,在中心轴线处形成告诉旋转涡核,到了扩散器因压力的变化产生回流,使涡核转折偏离轴线,形成锥旋线进动,其螺旋漩涡进动频率于流速即流量成正比,从而计算出流量。由于雅克拉站燃料气气质干净、流量稳定,因此该流量计使用情况较好。
(3)涡轮流量计应用
雅克拉站不合格液化气产品回炼计量和大涝坝站液化气装车外运计量选用了涡轮流量计。该流量计利用气体推动流量计转子转动,通过检测转子转动次数来计量气体流量,具有结构简单、测量范围大(可达到15: 1至25: 1)、准确度较高等优点。现场使用情况较好,但由于其为体积式流量计,在大涝坝天然气处理站装车计量中不能直接读取质量(需将体积用密度转换成质量,受密度大小制约,而密度无在线检测),因此给产品装车带来一定麻烦(车的准载量一般以吨计),存在装车过满或装车不足现象,建议大涝坝站液化气、轻烃装车外运采用质量流量计。
(4)孔板差压流量计应用
雅克拉天然气处理站进站总计量仪表和分子筛再生气流量计量仪表选用了孔板差压流量计。孔板流量计是以流量守恒定律和流动连续性方程为基础,当气体流经节流装置时,流速在孔板处形成局部收缩,从而使流速增加,静压力降低,在孔板前后产生静压力差,从而通过测量孔板前后压差来实现天然气计量的流量计。该流量计虽然具有量程比小、前后直管段要求长、占地较大等缺点,但由于其高精度、价格便宜、使用方便等优点在国内使用较广。在雅克拉天然气处理站进站天然气总计量中也避免了类似于大涝坝站涡街流量计因杂物造成计量精度下降等现象,因此,雅克拉站天然气总计量数据要比大涝坝天然气总计量数据的准确度高。
2·3 干气产品交接计量技术
雅克拉、大涝坝天然气处理站与下游交接的天然气是经过分子筛脱水干燥后的干气,气质干净、气源稳定,因此仪表选型范围较宽。大涝坝干气产品交接计量仪表选用了标准孔板流量计,雅克拉站干气产品交接计量仪表选用了超声波流量计。孔板流量计在国内外已成熟应用,超声波流量计因无需与介质直接接触的优点而逐渐受到用户的亲睐,它是由超声波转换器将电能转换成超声波能量,以一定的方式发射并穿过被测流体,接收器接受到的超声波信号,供显示积算仪显示和积算,实现流量的检测。但由于超声波流量计的发展历史较短,仪表检定标准、检定机构还不健全,给仪表检定、校验带来较大不便。
3 结论与建议
(1)凝析气田天然气的计量难点主要集中在单井湿气上,在仪表设计选型时应考虑脉动流、量程比、断续流扰动、气质特性及温度、压力干扰等因素。抗脏污、抗扰动能力强的孔板流量计和非接触性仪表(超声波流量计)应该是该类计量的首选仪表;
(2)对于已用在单井湿气计量上的具有检测元件的流量计(如:涡街流量计、涡轮流量计)可优化操作减少计量误差。针对单井天然气流量变化范围大,易产生脉动流的问题,可延长单井计量时间,待气流平稳后再计量;针对凝析气田单井产量波动范围大,个别单井流量超量程情况,可考虑多口井集中计量;针对断续流对管线振动造成的计量误差,可考虑在流量计前端增加整流器或对流量计增加稳定装置,减少振动引起的计量误差;优化计量仪表清洗周期可减少介质不洁净引起的计量误差;同时应根据现场经验摸索优化温度、压力补偿系数,减少单井温度差造成的计量误差。
(3)对于均能满足生产的计量仪表,应根据仪表性价比、安装条件等因素优化选型。如旋进漩涡流量计和涡街流量计都适用于气质干净、计量精度较高的气田内部计量,但旋进漩涡流量计的前直管段要求(10D)比涡街流量计的前直管段要求(20D)低、量程比较涡街流量计宽,涡街流量计前可无过滤器,而旋进漩涡流量计前需安装过滤器,因此,两种流量计各有千秋,选型需依据现场安装条件和仪表性价比决定。
(4)凝析气田中间处理站内部天然气气质干净、气量平稳(少扰动)、精度要求适中,天然气计量仪表可优选具有数据集成、积算、远传等智能功能的涡街流量计、旋进漩涡流量计、涡轮流量计。
(5)干气产品交接计量仪表选型可优选计量精度高、操作方便、抗污能力强、检定方便的孔板流量计。非接触式的超声波流量计是继孔板流量计之后的第二选择,但需解决其检定较困难的问题。
参考文献
[1]钱成文等.国外天然气的计量与检定技术.油气储运·2005·24(6): 38~42·
[2]宋艾玲等.天然气流量计量现状与发展.计量技术·2005·
[3]王术明.油田湿气流量计应用分析及发展动态.天津科技,2004(4)·
[4]尹梅.天然气流量计量及仪表选型.自动化与仪器仪表·1001~9227(2001)04~0047~05·
[5]尚长印.天然气流量计量的发展和计量器具选型.油气储运.2005·
[6]长庆气田单井计量工艺.石油规划设计, 2001·12(4): 13~14·
作者简介:叶帆,男,工程师。工作单位:中石化西北油田分公司雅克拉采气厂。羊东明,付秀勇,中石化西北油田分公司雅克拉采气厂。
