[導讀] 美國的煤層氣生產者在煤層氣計量方面面臨的挑戰主要包括：在煤層氣井口進行準確的氣體流量測量的同時，在測量系統的兩端要保持一個低的差壓值；要妥善處理流量計測量管段中的濕氣體問題等。差壓式V錐流量計獨特的結構使其具有較強的流動調整能力，可測濕氣體，能在低差壓下測量煤層氣等顯著優點，已在美國的煤層氣工業開采中得到了大量的應用。管徑逐步遞增的配管設計方案不僅為煤層氣生產帶來巨大效益，而且可以防止各井之間的交叉影響或者通常因某個單向閥有故障造成氣體反注到附近的氣井中。

 

    近年來，各個國家都在通過增加煤層甲烷（以下簡稱CBM）的開采而使傳統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生產者在能源計量方面所面臨的挑戰主要包括：在煤礦井口進行準確的氣體流量測量的同時，在測量系統的兩端要保持一個低的差壓值；妥善處理流量計測量管段中的濕氣體問題等。筆者根據在此領域多年的工作經驗，特別是關于使用差壓式流量計的經驗，重點介紹利用一種差壓式V錐流量計進行煤層氣計量的情況，在這種流量計中使用雙V錐體作為發生差壓的一次傳感器。

 

    一、氣體測量的基本方法和情況

 

    1.氣體測量的基本方法

 

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

 

    2.氣體測量的基本情況

 

    采用口徑為2in3和3in的流量計，V錐或孔板（由多個孔板組成的豆莢式計量系統）；被測的體積流量：250～1000MSCF/（d•井）；通常要求的準確度：±1.5%，重復性：±0.1%；氣井的生產壽命通常為5～10a（從啟動、投運開始計算）。

 

 

 

圖1　2種計量方法的測量裝置圖（勞倫斯，2000）

 

    二、配管的新概念和壓力降

 

    對于相當低的井口氣體壓力，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所產生的差壓盡可能地達到最小值。由于由系統中的摩擦阻力和差壓損失所造成的對流量計和管線的固有約束，在獲得最佳生產中有一個最好的平衡點。

 

    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量，同時此方案還有助于防止井之間交叉影響或者通常因某個單向閥有故障造成氣體反注到附近的氣井中。采用V錐流量計的優點是它的壓損小，即壓力恢復較高，在相同的差壓下，V錐的壓力恢復比典型的孔板節流裝置要高出20%，還有V錐流量計能在小差壓下工作，并獲得很好的準確度。

 

    在懷俄明州在多個井上，在相似的地質條件下曾作過一系列的試驗。通過試驗發現：在相同的地質區域內，單個的井口計量系統會比采用多孔板的豆莢式計量系統生產出更多的氣體。在一些情況下高出15%～20%。

 

    三、V錐流量計的測量原理

 

    V錐體能重新分布V錐流量計環形喉部兩端的速度剖面。如圖2所示，V錐流量計的主要組成部分是在一個帶壓管道（封閉管道的精密測量管）內的中心軸線上同軸安裝的平截頭圓錐體形的差壓發生器（即產生差壓的V錐體）和在其下游的另一個平截頭圓錐體（即負責壓力恢復的下游V錐體）。

 

 

 

圖2　V錐流量計節流裝置示意圖

 

    通過在上游管壁上開取壓口測得產生差壓V錐體上游的壓力p1；下游圓錐體尾部的壓力（p2）是通過一個內孔通道系統而獲得的（圖2）；這樣，通過2個取壓口可以獲得2個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得V錐體下游的壓力p2（目前有某些結構緊湊型儀表是通過管壁取壓來測量p2）。這種利用中心孔來采集下游壓力具有比傳統的差壓式流量計優越的一系列優點：①流動調整功能強；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靜態混合功能；④可測濕氣體（有一定優勢）。

 

    四、V錐流量計流量方程式中的數學常數

 

    將一般性的質量連續性方程式用于這種差壓式流量計就會得出以下公式：

 

    

 

    式中：

 

    

 

    只要以下2個條件成立，則可以認為結構上的幾何相似性將是顯然的。

 

    （1）2個平截頭圓錐體的角度和長度與原始的V錐體相似。

 

    （2）所有的比率數據與原始V錐流量計的比率數據組相同。同時V錐體與測量管道有很好的同軸度。

 

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

 

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

 

    

 

    在許多流量計算機中都采用此ε系數的方程式，很多在市場上可買到的小型流量計算機中更是采用該ε公式作為標準。

 

    五、流動調整的效能與結果

 

    利用同軸安裝在一個封閉管道中的V錐體，通過對速度分布的重新分布（整形）容易取得流動調整效能。在一個相當寬的雷諾數范圍內都能產生此功能，并且似乎是當遠離過渡區時，這種流動調整效能就更顯著。所謂過渡區是指在這個Re區間流型會發生改變（通常是指Re為8000～10000）。

 

    為展示流動調整功能，2005年在圣安東尼奧的氣體研究院西南分院（SWRI），曾對一個4in的V錐流量計進行了測試，測試時將不在同一平面的雙彎頭安裝在V錐流量計的上游和下游。將流動調整的效果與基線的數據進行比較。圖3、4示出了不在同一平面的雙彎頭和流量計的安裝圖及測試結果的數據。從圖3可以看出：氣流從裝置經單彎頭后先流經孔板，然后經不在同一平面的雙彎頭后流入V錐流量計，再經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試時的安裝照片圖

 

 

 

圖4　測試數據表明有±0.5%的離散度圖

 

    曾經設想在V錐體的后部發生的是小漩渦。隨著計算機化的流體動力學（CFD）的出現，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，新的假設是：V錐體就類似于一個船一樣會產生尾流，然而漩渦是相當大的，其長度為V錐體直徑的2～3倍，而且經由V錐體的圓周有大量的漩渦。人們想像差壓（Δp）的低噪聲信號可能是由于在孔口的中心軸線的界面處發生相位的互相抵消（圖6、7）。

 

 

 

圖7 V錐流量計測試圖

 

    在圖62a中，通過示出的速度向量表明在V錐流量計的環形喉部的流動調整作用。圖5中示出的邊界層說明V錐流量計有自保護功能。以前關于V錐體的下游是小漩渦的設想并沒有導致錯誤的結果，利用現代計算機程序直觀地預示流體流線所發生的變化并看到一些差別。圖6（a）、（b）、（c）展示了應用Abacus CFD軟件所得出的結果。

 

    V錐流量計能夠產生這種低噪聲信號的能力是它能夠在低差壓下使煤層甲烷氣井正常運行和進行測量的關鍵和基礎（圖8）。在一個深度為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的兩個取壓口之間能被利用的差壓僅為15～20in水柱。事實是：V錐流量計所產生的是一個加在差壓計上的很小的信號。V錐流量計能測量氣體很小的流量，此流量相應所產生的差壓值可以低到1in水柱。

 

 

 

圖8　V錐流量計所產生的典型的低噪聲信號圖

 

    而孔板流量計則是典型的高幅值、低頻率的噪聲信號，其起因是差壓取壓點處，特別是孔板下游處的大漩渦（圖9）。根據SIFFT在20世紀90年代初的研究結果發現：對于一些小口徑的孔板流量計，孔板節流裝置所產生的疊加在差壓平均值上的波動信號，其幅值高達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　孔板流量計所產生的噪聲信號

 

    六、安裝條件和濕氣體

 

    通常情況下，V錐節流裝置的整套裝置可以是較短的（如圖12a所示）。由于CBM氣井內水柱的影響，導致V錐節流裝置的測量管內一直處于濕度恒定不變的狀態，而對于孔板這將造成很大的測量難題，其原因是在孔板前會積水。還應該注意到在孔板的下游，在低壓取壓孔附近會發生液體的團狀流動，這將造成相當大的測量誤差，如圖10所示。

 

 

 

圖10　孔板流量計測量濕氣體的測量誤差圖（Sveedman，1997年）

 

    以前的研究已經證實：V錐流量計沒有這種負的屬性。當液體的質量分量為5%時，V錐流量計仍能在原處正常工作，同時對流出系數Cd影響也很小。當V錐體的直徑較小時（例如β=0.75時）；V錐體將有較小的機會接觸到液體，因而不太容易引發測量誤差。使用V錐流量計時，沒有積液，這是有助于在井口保持準確測量結果的關鍵因素。

 

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

 

    七、管徑逐步遞增的配管設計

 

    將接到氣體壓縮機的管道的管徑逐步增大，能為CBM生產帶來巨大效益。開始時采用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中的壓力降，有助于保持一個較高的生產水平來為買方供氣。

 

    從使用孔板節流裝置和傳統的單一管徑的接管方式，到現在采用V錐流量計的單個井口測量法再加上這種管徑遞增的接管方式，可以提高生產水平的15%～20%。這都說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發（發展），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CBM的生產。

 

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

 

 

 

圖11　管內徑逐級遞增的配管概念圖

 

 

 

圖12　單個CBM氣井井口的單一配管體系圖

 

    在過去曾采用離心式抽氣機來從井口抽出CBM氣。正確選定流量計的安裝地點十分重要，通常都將流量計裝在壓縮機的上游，同時使用一個絕對壓力變送器。為防止由流量計產生的熱量將水變成水蒸氣，從而造成差壓誤差和流量測量誤差，應正確選定儀表的地址和位置