摘要：元壩氣田是中石化成功開發(fā)的第二個(gè)大型酸性氣田。在氣田開發(fā)中，克服傳統(tǒng)計(jì)量裝置在高含硫氣體計(jì)量存在的問題，實(shí)行準(zhǔn)確計(jì)量關(guān)乎開發(fā)的成敗。外夾式超聲波流量計(jì)能有效的解決酸性氣田計(jì)量中存在的問題，除常規(guī)計(jì)量影響因素外，計(jì)量管段附著的水珠、沉積的單質(zhì)硫?qū)τ?jì)量的準(zhǔn)確性也影響較大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中實(shí)際問題，分析問題原因，找出了解決計(jì)量不準(zhǔn)的切實(shí)可行的措施，明確下一步攻關(guān)的方向，值得高含硫氣田開發(fā)借鑒。
前言
元壩氣田是中石化繼普光氣田之后，成功開發(fā)的第二個(gè)酸性整裝大型氣藏。氣田分一二期不同時(shí)間投運(yùn)，2014年12月一期試采工程第一口井建成投產(chǎn)，2016年二期滾動(dòng)工程各個(gè)井陸續(xù)投產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)氣田滿負(fù)荷運(yùn)行生產(chǎn)，目前凈化氣年生產(chǎn)能力為34億方。氣田天然氣中硫化氫含量2.7～8.44%（體積含量，下同），平均為5.44%；二氧化碳含量3.12-15.5%，屬于高含硫化氫，中含二氧化碳?xì)馓铩?br />
在氣田開發(fā)中，同其他氣田一樣，準(zhǔn)確的計(jì)量天然氣、水（部分井產(chǎn)水）的產(chǎn)量，對(duì)于氣井產(chǎn)能評(píng)價(jià)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析、油氣井配產(chǎn)、生產(chǎn)制度調(diào)整、調(diào)剖堵水、措施維護(hù)等起著決定性的作用，甚至關(guān)乎一口井的生死存亡。
1元壩氣田計(jì)量存在的問題
在已有的天然氣計(jì)量中，以孔板節(jié)流為代表的計(jì)量裝置需與氣體直接接觸，在元壩氣田采氣井的運(yùn)用中存在以下問題：
（1）含水的高酸性環(huán)境中，酸性氣體對(duì)計(jì)量材料的腐蝕性較強(qiáng)，傳統(tǒng)計(jì)量孔板容易因腐蝕而出現(xiàn)計(jì)量孔徑變大，從而使得計(jì)量不準(zhǔn)；
（2）改變計(jì)量裝置材質(zhì)，使用鎳基材料雖能有效解決腐蝕問題，但整個(gè)計(jì)量裝置（包括前后管段、高孔閥、孔板等）所需費(fèi)用大，經(jīng)濟(jì)上不劃算；
（3）安裝接觸式計(jì)量裝置，增加了流程焊接、連接點(diǎn)的數(shù)量，特別是高孔閥的壓板及密封材料、放空閥、排污閥等地方，容易出現(xiàn)因密封不嚴(yán)、腐蝕而導(dǎo)致高含硫天然氣的泄漏，增加開采安全風(fēng)險(xiǎn)；
（4）高含硫天然氣開采中容易析出單質(zhì)硫，特別是在流態(tài)發(fā)生變化、產(chǎn)生輕微節(jié)流處的孔板后更易于聚集單質(zhì)硫，改變流速及流態(tài)，影響計(jì)量準(zhǔn)確性。
2外夾式超聲波流量計(jì)在元壩的運(yùn)用
為解決上述開發(fā)中的突出問題，元壩氣田采集輸系統(tǒng)采用了外夾式超聲波流量計(jì)來計(jì)量酸性天然氣、含硫氣田水。
外夾式超聲波流量計(jì)是采取措施把發(fā)射、接頭探頭固定在測(cè)試管外壁，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量進(jìn)行測(cè)量的計(jì)量裝置。該裝置安裝在一長段直、光滑、內(nèi)外表面無缺陷的直管段上。裝置主要包括探頭、電纜、自動(dòng)積算顯示儀等元器件，探頭通過電纜與流量積算儀連接，并連接有外接電源。探頭加工成與管道表面一致的弧形，能高度吻合的緊貼在管道外壁上。該裝置有溫度、壓力的自動(dòng)補(bǔ)償功能，能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況自動(dòng)調(diào)整計(jì)算流量時(shí)的參數(shù)變化。
超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理是在管道兩側(cè)布置一組（單聲道）或多組探頭（雙通道或多通道），通過發(fā)射聲波，在另一側(cè)接收聲波的原理來進(jìn)行氣體流量測(cè)量的。氣體壓力越高，聲波傳播速度越快，接收探頭接收到信號(hào)的時(shí)間越短；氣體流速越快，聲波發(fā)生偏移越大，探頭接收到信號(hào)的時(shí)間越長。
測(cè)量時(shí)，為減小探頭與測(cè)量管外壁之間空氣對(duì)測(cè)量精度的影響，在探頭與被測(cè)管道外壁間添加了降噪膜，并涂上液體耦合劑，大大減小了測(cè)量誤差。
外夾式超聲波流量計(jì)由于安裝在酸性氣體的管道外壁，測(cè)量元件不直接與酸性氣體接觸，有效解決了傳統(tǒng)流量測(cè)量在酸性氣田中遇到的突出問題。
3計(jì)量準(zhǔn)確性的影響因素
超聲波流量計(jì)發(fā)射探頭發(fā)送的信號(hào)源到接收探頭依次經(jīng)過帶有耦合劑的發(fā)射端降噪膜、發(fā)射端管壁、流動(dòng)的氣體、接收端管壁、帶有耦合劑的接收端降噪膜。結(jié)合元壩氣田實(shí)際情況，存在下列影響因素：
（1）探頭加工弧度與測(cè)量管段的吻合度
超聲波流量計(jì)測(cè)量氣體流量時(shí)，探頭夾持在測(cè)量管段的外壁上。探頭加工成與管段相同的弧形，加工精度越高，與被測(cè)量管段越吻合，探頭與管壁之間的間歇越小，對(duì)聲波傳播的影響越小，計(jì)量越準(zhǔn)確，反之則計(jì)量越不準(zhǔn)確。
（2）降噪膜和耦合劑
超聲波流量計(jì)的發(fā)射探頭、接收探頭無論加工精度如何與測(cè)量管段外壁吻合，其安裝接觸間實(shí)在存在氣體間隔。安裝降噪膜和耦合劑后，探頭與管壁間將充滿液體和固體，聲波在液體固體中的傳播速度遠(yuǎn)大于在氣體中的傳播速度，因此，安裝充滿耦合劑的降噪膜后將減小計(jì)量誤差。
耦合劑為液體，在使用中不可避免出現(xiàn)干燥，變質(zhì)，再加上降噪膜有可能存在損壞等原因，都有可能影響計(jì)量計(jì)量精度，為此，需適時(shí)檢查耦合劑、降噪膜，必要時(shí)進(jìn)行更換安裝。
（3）測(cè)量段管線固有特性
與其他測(cè)量一樣，要求測(cè)量段管線精度高，管段平直、光滑，內(nèi)外壁無缺陷，滿足測(cè)量要求。另外，針對(duì)高含硫氣體，要求測(cè)量管段材質(zhì)抗硫，不存在因腐蝕而出現(xiàn)影響氣體流態(tài)，進(jìn)而影響計(jì)量準(zhǔn)確性的現(xiàn)象出現(xiàn)。
（4）測(cè)量點(diǎn)的位置
要使得測(cè)量更加準(zhǔn)確，需盡可能保證被測(cè)量氣體在管道內(nèi)的流動(dòng)保持層流狀態(tài)，因此，測(cè)量點(diǎn)需遠(yuǎn)離彎頭、三通、大小頭等地方，處于一相對(duì)較長的直的管段上，必要時(shí)可以采取安裝整流器等輔助設(shè)置來使氣體為層流狀態(tài)。
（5）流經(jīng)水珠影響
元壩氣田與其他氣田一樣，氣田產(chǎn)水。雖然計(jì)量前經(jīng)過分離，但分離不徹底的液滴、天然氣中未分離的微小液滴顆粒隨氣流流經(jīng)計(jì)量管段，會(huì)形成新的液滴附著在管壁上，并形成流動(dòng)的液滴。當(dāng)液滴流經(jīng)至主超聲波傳遞的通道上時(shí)，不僅改變聲波傳遞的速度，還改變主聲波傳遞的方向，使得接收探頭提前接收到信號(hào)或根本接收不到信號(hào)，影響計(jì)量精度。
（6）析出單質(zhì)硫的影響
元壩高含硫氣田開發(fā)實(shí)踐證明，管道內(nèi)易析出單質(zhì)硫。析出的單質(zhì)硫附著在管壁上，減小氣體流經(jīng)通道，使得接收探頭接收到信號(hào)的時(shí)間變短；不規(guī)則的硫沉積，改變氣體流動(dòng)狀態(tài)，使得氣體從層流變?yōu)槲闪鳎徊灰?guī)則硫沉積量及厚度，改變超聲波傳播方向，有可能導(dǎo)致接收探頭無法接收到超聲波信號(hào)。綜合影響的結(jié)果，計(jì)量出現(xiàn)較大偏差。
4運(yùn)用中存在的問題
元壩氣田一期試采工程2014年12月開始投產(chǎn)，外夾式超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)安裝位置有2種：13口井站的安裝在多相流計(jì)量分離器撬塊的氣相出口豎直管線上；集輸總站安裝水平管道上。通過對(duì)超聲波流量計(jì)的調(diào)試，運(yùn)行，各計(jì)量裝置相繼投用。在計(jì)量過程中，井站出現(xiàn)下述突出問題：
（1）13口井站計(jì)量不正常，數(shù)據(jù)時(shí)有時(shí)無，變化異常；
（2）13口井站計(jì)量數(shù)據(jù)上下波動(dòng)幅度大，最大數(shù)據(jù)超過對(duì)應(yīng)井產(chǎn)氣能力的2-3倍（一般采用測(cè)試試采制度生產(chǎn)，以測(cè)試穩(wěn)定產(chǎn)能評(píng)價(jià)）。
（3）部分井站在使用一段時(shí)間后接收不到超聲波信號(hào)，無法實(shí)行計(jì)量。
5解決措施及效果
（1）改變安裝位置，計(jì)量相對(duì)準(zhǔn)確、可靠
針對(duì)元壩氣田一期試采工程出現(xiàn)的計(jì)量問題，結(jié)合集氣總站運(yùn)用的實(shí)際效果，反復(fù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，整改，分析，認(rèn)為管壁上附著、流動(dòng)的水珠有可能對(duì)測(cè)量產(chǎn)生較大影響。豎直測(cè)量管的水珠呈360度隨機(jī)分布、流動(dòng)，一旦流經(jīng)發(fā)射、接收探頭處，影響計(jì)量精度。若采用水平安裝，發(fā)射、接收探頭安裝在側(cè)面，附著、流動(dòng)的水珠在探頭的位置的數(shù)量、幾率將成倍的減小，從而可使得影響變小。
在2015年、2016年對(duì)一期試采工程的13口井進(jìn)行了外夾式超聲波流量計(jì)安裝位置的更換，改豎直安裝為水平安裝，效果明顯。
二期滾動(dòng)工程在一期試采工程的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了超聲波流量計(jì)的安裝位置，改豎直安裝位置為水平安裝位置。通過運(yùn)行表明，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性大幅度提高，基本能反應(yīng)各井的真實(shí)產(chǎn)能。
（2）移動(dòng)探頭位置，成功找到丟失信號(hào)
超聲波流量計(jì)，按照原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，通過模擬、計(jì)算，發(fā)射、接收探頭位置相對(duì)固定，在相應(yīng)位置安裝發(fā)射、接收探頭，能準(zhǔn)確接收到發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波。但在元壩氣田運(yùn)用中，一些井站在不同生產(chǎn)時(shí)間，出現(xiàn)信號(hào)丟失的現(xiàn)象。通過分析判斷，并試探性采用移動(dòng)探頭位置，成功找到超聲波信號(hào)的最佳接收點(diǎn)，并恢復(fù)計(jì)量。
（3）采購便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量核查
為使得各井的流量計(jì)量貼合氣井生產(chǎn)實(shí)際，廠購買了便攜式超聲波流量計(jì)，不定時(shí)對(duì)井站產(chǎn)量進(jìn)行便攜式測(cè)量，并與固定式超聲波流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷計(jì)量準(zhǔn)確性，并及時(shí)對(duì)可能存在的計(jì)量差較大、信號(hào)丟失等問題進(jìn)行診斷、解決。
6結(jié)論及建議
（1）外夾式超聲波流量計(jì)在高含硫氣田中用于氣體流量計(jì)量，能解決常規(guī)計(jì)量裝置在高含硫氣田計(jì)量中存在的計(jì)量不準(zhǔn)、設(shè)備腐蝕等問題。
（2）高含硫氣田超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響因素較多，包括探頭吻合度，降噪膜和耦合劑的運(yùn)用、測(cè)量管特性、含硫氣體析出的水珠、高含硫氣體析出并沉積的單質(zhì)硫等。
（3）超聲波流量計(jì)安裝在水平位置的計(jì)量準(zhǔn)確性高于安裝在豎直位置時(shí)的計(jì)量準(zhǔn)確性。
（4）針對(duì)高含硫氣田計(jì)量管段，下一步將開展如何監(jiān)測(cè)析出硫?qū)τ?jì)量準(zhǔn)確性的影響程度，如何采取措施（包括溶硫劑溶硫、機(jī)械除硫）來清除管線內(nèi)沉積的硫，進(jìn)而提高計(jì)量的準(zhǔn)確性。
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