[導(dǎo)讀] 美國(guó)的煤層氣生產(chǎn)者在煤層氣計(jì)量方面面臨的挑戰(zhàn)主要包括：在煤層氣井口進(jìn)行準(zhǔn)確的氣體流量測(cè)量的同時(shí)，在測(cè)量系統(tǒng)的兩端要保持一個(gè)低的差壓值；要妥善處理流量計(jì)測(cè)量管段中的濕氣體問(wèn)題等。差壓式V錐流量計(jì)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的流動(dòng)調(diào)整能力，可測(cè)濕氣體，能在低差壓下測(cè)量煤層氣等顯著優(yōu)點(diǎn)，已在美國(guó)的煤層氣工業(yè)開(kāi)采中得到了大量的應(yīng)用。管徑逐步遞增的配管設(shè)計(jì)方案不僅為煤層氣生產(chǎn)帶來(lái)巨大效益，而且可以防止各井之間的交叉影響或者通常因某個(gè)單向閥有故障造成氣體反注到附近的氣井中。

 

    近年來(lái)，各個(gè)國(guó)家都在通過(guò)增加煤層甲烷（以下簡(jiǎn)稱CBM）的開(kāi)采而使傳統(tǒng)的能源供給得以增加，在世界各地的薄煤層中都很容易采集到CBM。目前俄羅斯、印度和澳大利亞都正在重新考察這種有效能源。CBM生產(chǎn)者在能源計(jì)量方面所面臨的挑戰(zhàn)主要包括：在煤礦井口進(jìn)行準(zhǔn)確的氣體流量測(cè)量的同時(shí)，在測(cè)量系統(tǒng)的兩端要保持一個(gè)低的差壓值；妥善處理流量計(jì)測(cè)量管段中的濕氣體問(wèn)題等。筆者根據(jù)在此領(lǐng)域多年的工作經(jīng)驗(yàn)，特別是關(guān)于使用差壓式流量計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹利用一種差壓式V錐流量計(jì)進(jìn)行煤層氣計(jì)量的情況，在這種流量計(jì)中使用雙V錐體作為發(fā)生差壓的一次傳感器。

 

    一、氣體測(cè)量的基本方法和情況

 

    1.氣體測(cè)量的基本方法

 

    目前使用2種對(duì)煤層氣的計(jì)量方法并且已獲得認(rèn)可。一種是單井測(cè)量法（圖12a），它帶有小的儀表外殼（防凍箱）；另一種是多股氣流的計(jì)量系統(tǒng)（圖12b），它具有較大的豆莢式計(jì)量系統(tǒng)室和多個(gè)計(jì)量管道。

 

    2.氣體測(cè)量的基本情況

 

    采用口徑為2in3和3in的流量計(jì)，V錐或孔板（由多個(gè)孔板組成的豆莢式計(jì)量系統(tǒng)）；被測(cè)的體積流量：250～1000MSCF/（d•井）；通常要求的準(zhǔn)確度：±1.5%，重復(fù)性：±0.1%；氣井的生產(chǎn)壽命通常為5～10a（從啟動(dòng)、投運(yùn)開(kāi)始計(jì)算）。

 

 

 

圖1　2種計(jì)量方法的測(cè)量裝置圖（勞倫斯，2000）

 

    二、配管的新概念和壓力降

 

    對(duì)于相當(dāng)?shù)偷木跉怏w壓力，例如只有34.475kPa，決定性的一條是要使壓力降和差壓式流量計(jì)所產(chǎn)生的差壓盡可能地達(dá)到最小值。由于由系統(tǒng)中的摩擦阻力和差壓損失所造成的對(duì)流量計(jì)和管線的固有約束，在獲得最佳生產(chǎn)中有一個(gè)最好的平衡點(diǎn)。

 

    目前的解決方案是采用一種所謂依次逐步遞增管徑的配管方法，以便獲得最大的生產(chǎn)量，同時(shí)此方案還有助于防止井之間交叉影響或者通常因某個(gè)單向閥有故障造成氣體反注到附近的氣井中。采用V錐流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是它的壓損小，即壓力恢復(fù)較高，在相同的差壓下，V錐的壓力恢復(fù)比典型的孔板節(jié)流裝置要高出20%，還有V錐流量計(jì)能在小差壓下工作，并獲得很好的準(zhǔn)確度。

 

    在懷俄明州在多個(gè)井上，在相似的地質(zhì)條件下曾作過(guò)一系列的試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在相同的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)，單個(gè)的井口計(jì)量系統(tǒng)會(huì)比采用多孔板的豆莢式計(jì)量系統(tǒng)生產(chǎn)出更多的氣體。在一些情況下高出15%～20%。

 

    三、V錐流量計(jì)的測(cè)量原理

 

    V錐體能重新分布V錐流量計(jì)環(huán)形喉部?jī)啥说乃俣绕拭?。如圖2所示，V錐流量計(jì)的主要組成部分是在一個(gè)帶壓管道（封閉管道的精密測(cè)量管）內(nèi)的中心軸線上同軸安裝的平截頭圓錐體形的差壓發(fā)生器（即產(chǎn)生差壓的V錐體）和在其下游的另一個(gè)平截頭圓錐體（即負(fù)責(zé)壓力恢復(fù)的下游V錐體）。

 

 

 

圖2　V錐流量計(jì)節(jié)流裝置示意圖

 

    通過(guò)在上游管壁上開(kāi)取壓口測(cè)得產(chǎn)生差壓V錐體上游的壓力p1；下游圓錐體尾部的壓力（p2）是通過(guò)一個(gè)內(nèi)孔通道系統(tǒng)而獲得的（圖2）；這樣，通過(guò)2個(gè)取壓口可以獲得2個(gè)平截頭圓錐體界面兩端的壓力差（差壓）。這種取壓方式可以確保在封閉管道的中心處測(cè)得V錐體下游的壓力p2（目前有某些結(jié)構(gòu)緊湊型儀表是通過(guò)管壁取壓來(lái)測(cè)量p2）。這種利用中心孔來(lái)采集下游壓力具有比傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)優(yōu)越的一系列優(yōu)點(diǎn)：①流動(dòng)調(diào)整功能強(qiáng)；②較大的量程比（如果管道中的壓力足夠，量程比約為10∶1）；③靜態(tài)混合功能；④可測(cè)濕氣體（有一定優(yōu)勢(shì)）。

 

    四、V錐流量計(jì)流量方程式中的數(shù)學(xué)常數(shù)

 

    將一般性的質(zhì)量連續(xù)性方程式用于這種差壓式流量計(jì)就會(huì)得出以下公式：

 

    

 

    式中：

 

    

 

    只要以下2個(gè)條件成立，則可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)上的幾何相似性將是顯然的。

 

    （1）2個(gè)平截頭圓錐體的角度和長(zhǎng)度與原始的V錐體相似。

 

    （2）所有的比率數(shù)據(jù)與原始V錐流量計(jì)的比率數(shù)據(jù)組相同。同時(shí)V錐體與測(cè)量管道有很好的同軸度。

 

    只要幾何相似性的事實(shí)成立，則在設(shè)計(jì)中容許使用式（1）所示的V錐流量計(jì)的流量方程式。

 

    為修正氣體密度的變化，以上公式需要引入ε系數(shù)，根據(jù)M.Reader Harris和Robert Peters在NEL的研究工作，得出了如下的ε系數(shù)方程式：

 

    

 

    在許多流量計(jì)算機(jī)中都采用此ε系數(shù)的方程式，很多在市場(chǎng)上可買到的小型流量計(jì)算機(jī)中更是采用該ε公式作為標(biāo)準(zhǔn)。

 

    五、流動(dòng)調(diào)整的效能與結(jié)果

 

    利用同軸安裝在一個(gè)封閉管道中的V錐體，通過(guò)對(duì)速度分布的重新分布（整形）容易取得流動(dòng)調(diào)整效能。在一個(gè)相當(dāng)寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)都能產(chǎn)生此功能，并且似乎是當(dāng)遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)時(shí)，這種流動(dòng)調(diào)整效能就更顯著。所謂過(guò)渡區(qū)是指在這個(gè)Re區(qū)間流型會(huì)發(fā)生改變（通常是指Re為8000～10000）。

 

    為展示流動(dòng)調(diào)整功能，2005年在圣安東尼奧的氣體研究院西南分院（SWRI），曾對(duì)一個(gè)4in的V錐流量計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)將不在同一平面的雙彎頭安裝在V錐流量計(jì)的上游和下游。將流動(dòng)調(diào)整的效果與基線的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖3、4示出了不在同一平面的雙彎頭和流量計(jì)的安裝圖及測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)。從圖3可以看出：氣流從裝置經(jīng)單彎頭后先流經(jīng)孔板，然后經(jīng)不在同一平面的雙彎頭后流入V錐流量計(jì)，再經(jīng)不在同一平面雙彎頭及單彎頭流回裝置。

 

 

 

圖3　不在同一平面雙彎頭測(cè)試時(shí)的安裝照片圖

 

 

 

圖4　測(cè)試數(shù)據(jù)表明有±0.5%的離散度圖

 

    曾經(jīng)設(shè)想在V錐體的后部發(fā)生的是小漩渦。隨著計(jì)算機(jī)化的流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的出現(xiàn)，可以清楚地看到情況似乎并不全是這樣（如圖5所示）。

 

 

 

圖5　以前的假設(shè)圖

 

 

 

 

 

 

 

圖6　V錐體周圍的速度向量、新CFD所展示的流線與尾流圖

 

    如圖6所示，新的假設(shè)是：V錐體就類似于一個(gè)船一樣會(huì)產(chǎn)生尾流，然而漩渦是相當(dāng)大的，其長(zhǎng)度為V錐體直徑的2～3倍，而且經(jīng)由V錐體的圓周有大量的漩渦。人們想像差壓（Δp）的低噪聲信號(hào)可能是由于在孔口的中心軸線的界面處發(fā)生相位的互相抵消（圖6、7）。

 

 

 

圖7 V錐流量計(jì)測(cè)試圖

 

    在圖62a中，通過(guò)示出的速度向量表明在V錐流量計(jì)的環(huán)形喉部的流動(dòng)調(diào)整作用。圖5中示出的邊界層說(shuō)明V錐流量計(jì)有自保護(hù)功能。以前關(guān)于V錐體的下游是小漩渦的設(shè)想并沒(méi)有導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)程序直觀地預(yù)示流體流線所發(fā)生的變化并看到一些差別。圖6（a）、（b）、（c）展示了應(yīng)用Abacus CFD軟件所得出的結(jié)果。

 

    V錐流量計(jì)能夠產(chǎn)生這種低噪聲信號(hào)的能力是它能夠在低差壓下使煤層甲烷氣井正常運(yùn)行和進(jìn)行測(cè)量的關(guān)鍵和基礎(chǔ)（圖8）。在一個(gè)深度為188m的煤層甲烷氣的井口處，CBM氣體的壓力僅有34.475kPa。這意味著在差壓式流量計(jì)的兩個(gè)取壓口之間能被利用的差壓僅為15～20in水柱。事實(shí)是：V錐流量計(jì)所產(chǎn)生的是一個(gè)加在差壓計(jì)上的很小的信號(hào)。V錐流量計(jì)能測(cè)量氣體很小的流量，此流量相應(yīng)所產(chǎn)生的差壓值可以低到1in水柱。

 

 

 

圖8　V錐流量計(jì)所產(chǎn)生的典型的低噪聲信號(hào)圖

 

    而孔板流量計(jì)則是典型的高幅值、低頻率的噪聲信號(hào)，其起因是差壓取壓點(diǎn)處，特別是孔板下游處的大漩渦（圖9）。根據(jù)SIFFT在20世紀(jì)90年代初的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于一些小口徑的孔板流量計(jì)，孔板節(jié)流裝置所產(chǎn)生的疊加在差壓平均值上的波動(dòng)信號(hào)，其幅值高達(dá)1in水柱，而在一些薄煤層和接近完成的CBM氣井的井口處，可能利用的壓力也就這么大（圖9）。

 

 

 

圖9　孔板流量計(jì)所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)

 

    六、安裝條件和濕氣體

 

    通常情況下，V錐節(jié)流裝置的整套裝置可以是較短的（如圖12a所示）。由于CBM氣井內(nèi)水柱的影響，導(dǎo)致V錐節(jié)流裝置的測(cè)量管內(nèi)一直處于濕度恒定不變的狀態(tài)，而對(duì)于孔板這將造成很大的測(cè)量難題，其原因是在孔板前會(huì)積水。還應(yīng)該注意到在孔板的下游，在低壓取壓孔附近會(huì)發(fā)生液體的團(tuán)狀流動(dòng)，這將造成相當(dāng)大的測(cè)量誤差，如圖10所示。

 

 

 

圖10　孔板流量計(jì)測(cè)量濕氣體的測(cè)量誤差圖（Sveedman，1997年）

 

    以前的研究已經(jīng)證實(shí)：V錐流量計(jì)沒(méi)有這種負(fù)的屬性。當(dāng)液體的質(zhì)量分量為5%時(shí)，V錐流量計(jì)仍能在原處正常工作，同時(shí)對(duì)流出系數(shù)Cd影響也很小。當(dāng)V錐體的直徑較小時(shí)（例如β=0.75時(shí)）；V錐體將有較小的機(jī)會(huì)接觸到液體，因而不太容易引發(fā)測(cè)量誤差。使用V錐流量計(jì)時(shí)，沒(méi)有積液，這是有助于在井口保持準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵因素。

 

    在CBM氣井生產(chǎn)的早期階段，如果使用一個(gè)低壓損的流量計(jì)，氣井就不太可能被阻塞。

 

    七、管徑逐步遞增的配管設(shè)計(jì)

 

    將接到氣體壓縮機(jī)的管道的管徑逐步增大，能為CBM生產(chǎn)帶來(lái)巨大效益。開(kāi)始時(shí)采用3in的管徑，然后隨著供氣管線的延伸，管徑將逐步增大為4in、6in、8in和10in。這樣從每一口井可減少系統(tǒng)中的壓力降，有助于保持一個(gè)較高的生產(chǎn)水平來(lái)為買方供氣。

 

    從使用孔板節(jié)流裝置和傳統(tǒng)的單一管徑的接管方式，到現(xiàn)在采用V錐流量計(jì)的單個(gè)井口測(cè)量法再加上這種管徑遞增的接管方式，可以提高生產(chǎn)水平的15%～20%。這都說(shuō)明了采用新方法的正確性，再加上如前所述的避免了由于止回閥故障而造成局部井被倒灌（注氣）的現(xiàn)象，則為采用此新方法增加了一條更充分的理由。

 

    在相類似直徑的接管上，每口井基本上都能連接它自己的一組集氣管并且隨著氣田的開(kāi)發(fā)（發(fā)展），沿著流程越往下走就采用更大一些直徑的管道，這樣將有助于減少煤層的傾角，提升和促進(jìn)CBM的生產(chǎn)。

 

    較小的管徑會(huì)增大摩阻的影響，而增大管道的摩擦力與阻力將減少在流量計(jì)上可以利用的差壓值。本方案是逐步增大管徑，無(wú)疑對(duì)生產(chǎn)和計(jì)量都是有利的（圖11）。典型的單個(gè)CBM氣井井口的單一配管體系如圖12所示。

 

 

 

圖11　管內(nèi)徑逐級(jí)遞增的配管概念圖

 

 

 

圖12　單個(gè)CBM氣井井口的單一配管體系圖

 

    在過(guò)去曾采用離心式抽氣機(jī)來(lái)從井口抽出CBM氣。正確選定流量計(jì)的安裝地點(diǎn)十分重要，通常都將流量計(jì)裝在壓縮機(jī)的上游，同時(shí)使用一個(gè)絕對(duì)壓力變送器。為防止由流量計(jì)產(chǎn)生的熱量將水變成水蒸氣，從而造成差壓誤差和流量測(cè)量誤差，應(yīng)正確選定儀表的地址和位置