何金蓬 彭利果 張明鑫 陳波
1.國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站 2.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量) 4.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制與能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5.中國(guó)石油西南油氣田公司儲(chǔ)氣庫(kù)管理處 6.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦
自我國(guó)第一座地下儲(chǔ)氣庫(kù)—大張坨儲(chǔ)氣庫(kù)于1998年開(kāi)建以來(lái),截至2022年4月,我國(guó)共建成投產(chǎn)了地下儲(chǔ)氣庫(kù)38座(見(jiàn)表1),設(shè)計(jì)總庫(kù)容量589.5×108m3,設(shè)計(jì)總工作氣量258.1×108m3[1]。目前,在建儲(chǔ)氣庫(kù)有溫吉桑儲(chǔ)氣庫(kù)群、驢駒河儲(chǔ)氣庫(kù)、江漢油田儲(chǔ)氣庫(kù)、孤家子儲(chǔ)氣庫(kù)等,預(yù)計(jì)2022年底溫吉桑儲(chǔ)氣庫(kù)群溫西一庫(kù)等部分井將投產(chǎn)。
表1 我國(guó)已建儲(chǔ)氣庫(kù)統(tǒng)計(jì)表序號(hào)區(qū)域/省份儲(chǔ)氣庫(kù)(庫(kù)群)配套管道設(shè)計(jì)庫(kù)容量/108m3設(shè)計(jì)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(guó)寺中衛(wèi)-貴陽(yáng)線42.622.8清溪川氣東送管線3.51.94遼寧雙6秦皇島-沈陽(yáng)線41.316.0雷615.33.45京津冀京58庫(kù)群(京58、永22、京51)陜京線16.87.56京津冀蘇橋庫(kù)群(蘇1、蘇4、蘇20、蘇49、顧辛莊)陜京一線-陜京三線67.423.3
續(xù)表1序號(hào)區(qū)域/省份儲(chǔ)氣庫(kù)(庫(kù)群)配套管道設(shè)計(jì)庫(kù)容量/108m3設(shè)計(jì)工作氣量/108m37京津冀板南庫(kù)群(白6、白8、板G1)陜京線7.84.38京津冀大張坨庫(kù)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(guó)石油、中國(guó)石化、港華燃?xì)飧?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(jì)南線5.93.0文23榆林-濟(jì)南線104.240.3衛(wèi)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(jì)38座589.5258.1
2020年我國(guó)天然氣消費(fèi)量已達(dá)到3 200×108m3,根據(jù)我國(guó)天然氣發(fā)展規(guī)劃,預(yù)計(jì)到2030年,我國(guó)的天然氣消費(fèi)量將達(dá)到5 500×108m3[2]。國(guó)家發(fā)改能源規(guī)〔2018〕637號(hào)《關(guān)于加快儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)和完善儲(chǔ)氣調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制的意見(jiàn)》明確規(guī)定“天然氣銷售企業(yè)應(yīng)當(dāng)?shù)?020年擁有不低于其年合同銷售量10%的儲(chǔ)氣能力”。以此計(jì)算,預(yù)計(jì)到2030年地下儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)峰需求將超過(guò)550×108m3。根據(jù)中國(guó)石油調(diào)峰長(zhǎng)期規(guī)劃,2030年中國(guó)石油的天然氣調(diào)峰需求將達(dá)到395×108m3,調(diào)峰缺口將達(dá)到115×108m3[3-6]。結(jié)合油氣資源、鹽礦資源分布的特點(diǎn),對(duì)適合建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)的油氣藏、含水層和鹽穴進(jìn)行篩選評(píng)價(jià),預(yù)計(jì)未來(lái)可在全國(guó)形成東北、華北、西北、西南、中西部和中東部六大儲(chǔ)氣中心,工作氣量潛力將超過(guò)600×108m3[1]。
根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)井口工藝特點(diǎn)和高效調(diào)配需求,其計(jì)量系統(tǒng)宜滿足寬壓力運(yùn)行、注采同管雙向計(jì)量、能適應(yīng)天然氣氣體中攜帶凝析底層水及巖屑雜質(zhì)、具有節(jié)能功效等(見(jiàn)表2)[6-7]。由于儲(chǔ)氣庫(kù)在采氣初期,氣體中攜帶凝析底層水及巖屑雜質(zhì)等[8-10],影響流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度,容易造成氣量計(jì)量誤差,當(dāng)流量計(jì)承載靜壓差較大時(shí),易導(dǎo)致常用靶式流量計(jì)的阻流件卡阻、損壞或脫落。
表2 儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣井口流量計(jì)特性需求注采工況條件及工藝要求流量計(jì)特性需求注氣、采氣計(jì)量使用一套計(jì)量裝置正反雙向計(jì)量采出氣中常攜帶出油、水、固體顆粒等雜質(zhì)[9]內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,耐臟污不易積液、堵塞,無(wú)可動(dòng)部件,計(jì)量性能不受影響節(jié)能,降低注氣過(guò)程能耗,減少不必要的壓力損失壓損小,優(yōu)選無(wú)阻流件結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期連續(xù)不間斷運(yùn)行操作維護(hù)簡(jiǎn)單,較高的重復(fù)性和穩(wěn)定性注氣采氣壓力10~42MPa,溫度40~60℃耐高壓、耐高溫系統(tǒng)安全,流程內(nèi)不應(yīng)有易脫落的阻流件,無(wú)泄漏點(diǎn)內(nèi)部無(wú)易脫落部件,宜一體化結(jié)構(gòu)站場(chǎng)內(nèi)有壓縮機(jī)組振動(dòng)耐振、抗噪聲、適應(yīng)氣流脈動(dòng)
針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)井口計(jì)量特點(diǎn),目前普遍采用靶式流量計(jì)、均速管流量計(jì)(差壓式流量計(jì))、管道式超聲流量計(jì)、夾裝式超聲流量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)井口天然氣計(jì)量(見(jiàn)表3),各流量計(jì)的工作原理不同,在儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)使用中有各自的優(yōu)勢(shì)及短板。
表3 國(guó)內(nèi)主要儲(chǔ)氣庫(kù)井口計(jì)量所用流量計(jì)統(tǒng)計(jì)表儲(chǔ)氣庫(kù)所用流量計(jì)流量計(jì)性能金壇靶式流量計(jì)(雙向)性能穩(wěn)定,誤差一般劉莊靶式流量計(jì)(雙向)由于現(xiàn)場(chǎng)氣體含油含水,工況較復(fù)雜,導(dǎo)致誤差較大京58靶式流量計(jì)(單向)誤差偏大蘇橋靶式流量計(jì)(雙向)故障率高,誤差符合要求雙6靶式流量計(jì)(單向)故障率高,誤差符合要求相國(guó)寺5臺(tái)超聲流量計(jì)(雙向)8臺(tái)靶式流量計(jì)(雙向)靶式流量計(jì)誤差大穩(wěn)定性差,超聲流量計(jì)驗(yàn)證中呼圖壁外夾持式超聲流量計(jì)(單向或雙向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求陜224均速管流量計(jì)(單向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求文23超聲流量計(jì)(雙向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求文96超聲流量計(jì)(雙向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求大張坨均速管流量計(jì)(單向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求板876均速管流量計(jì)(單向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求板中北南6臺(tái)靶式流量計(jì)(雙向)25個(gè)均速管流量計(jì)(單向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求板808均速管流量計(jì)(單向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求板828靶式流量計(jì)(單向)故障率高,誤差符合計(jì)量要求板南超聲流量計(jì)(雙向)性能穩(wěn)定,誤差符合計(jì)量要求
目前,國(guó)內(nèi)天然氣實(shí)流檢定裝置最高壓力僅為10 MPa,而儲(chǔ)氣庫(kù)井口天然氣壓力往往在10 MPa以上,最高可達(dá)42 MPa(見(jiàn)表4)[11-13]。由于在高壓、低壓條件下,不同流量計(jì)的計(jì)量特性不同,因此,儲(chǔ)氣庫(kù)井口天然氣流量計(jì)僅能在廠內(nèi)做干標(biāo)測(cè)試來(lái)判定其計(jì)量準(zhǔn)確度,而不能按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行壓力進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試,面臨計(jì)量準(zhǔn)確度無(wú)法評(píng)價(jià)的技術(shù)問(wèn)題。
儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)初期使用靶式流量計(jì),時(shí)常出現(xiàn)流量計(jì)靶板脫落等情況,導(dǎo)致計(jì)量準(zhǔn)確率較低。因此,陸續(xù)使用了管道式和外夾式超聲流量計(jì)。為了比較其計(jì)量性能,2015-2018年,將上述3種流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。
2.3.1靶式流量計(jì)與外夾式超聲流量計(jì)對(duì)比
2018年12月15日-16日,相儲(chǔ)22井采氣測(cè)試,同時(shí)安裝外夾式超聲流量計(jì),與靶式流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖1)。
從圖1的對(duì)比數(shù)據(jù)看,在4個(gè)不同產(chǎn)量的情況下,隨著采氣量的增加,外夾式超聲流量計(jì)與靶式流量計(jì)的計(jì)量偏差也逐級(jí)增加,最大偏差率達(dá)到42.8%。
2.3.2靶式流量計(jì)與管道式超聲流量計(jì)對(duì)比
從2015年11月15日開(kāi)始,儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)入第2次調(diào)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(jì)與各注采井靶式流量計(jì)的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖2)。
從圖2可看出,此生產(chǎn)階段集注站管道式超聲流量計(jì)瞬時(shí)流量相對(duì)于各注采井靶式流量計(jì)瞬時(shí)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(chǔ)氣庫(kù)注氣生產(chǎn)。在此期間,使用集注站管道式超聲流量計(jì)與各注采井靶式流量計(jì)的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)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(jì)瞬時(shí)流量)平穩(wěn)在730×104m3/d,各注采井靶式流量計(jì)瞬時(shí)流量之和約為540×104m3/d,偏差達(dá)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(jì)與外夾式超聲流量計(jì)對(duì)比
2014年9月28日-29日, 相儲(chǔ)3井采氣能力測(cè)試期間,對(duì)外夾式超聲流量計(jì)與集注站內(nèi)管道式超聲流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4)。
根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,外夾式超聲流量計(jì)與管道式超聲流量計(jì)計(jì)量之間偏差約1.2×104m3/d,偏差率約4%,管道式超聲流量計(jì)與外夾式超聲流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)相對(duì)接近。
5臺(tái)流量計(jì)在流量點(diǎn)700 m3/h、550 m3/h、330 m3/h、75 m3/h、32 m3/h的校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可知:不同類型超聲流量計(jì)在不同壓力條件下的計(jì)量特性不同,隨著壓力的升高,超聲流量計(jì)計(jì)量相對(duì)偏差有的存在正偏,有的存在負(fù)偏;受超聲流量計(jì)探頭性能的影響,有的超聲流量計(jì)經(jīng)低壓測(cè)試后,具備代表此流量計(jì)在一定高壓范圍的計(jì)量性能,但在遠(yuǎn)超過(guò)檢定壓力范圍的情況下,其計(jì)量性能將發(fā)生變化;J4高壓超聲流量計(jì)不適合于低壓校準(zhǔn)測(cè)試;差壓流量計(jì)在不同壓力條件下計(jì)量重復(fù)性較好。
表5 儲(chǔ)氣庫(kù)井口流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果序號(hào)流量計(jì)壓力/MPa正向流量示值誤差/%正向重復(fù)性/%反向流量示值誤差/%反向重復(fù)性/%1J1槽道流量計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)9.0-1.34~0.160.29-3.06~-1.990.205J5超聲流量計(jì)4.0-1.43~-0.660.079.0-1.80~-1.220.54
為了提高儲(chǔ)氣庫(kù)井口天然氣計(jì)量準(zhǔn)確度,以指導(dǎo)生產(chǎn),優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),科學(xué)評(píng)價(jià)注采效果,提高天然氣注采率,在2019~2020年,系統(tǒng)性地建立了儲(chǔ)氣庫(kù)井口高壓天然氣測(cè)試平臺(tái)與評(píng)價(jià)方法,有效地評(píng)價(jià)了5臺(tái)流量計(jì)的計(jì)量性能特性。
選擇了相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)相儲(chǔ)3井作為測(cè)試平臺(tái),通過(guò)對(duì)其每個(gè)壓力等級(jí)下的最大合理注氣量和最大合理采氣量進(jìn)行計(jì)算,確定了流量計(jì)的流量范圍為30~581 m3/h,壓力等級(jí)為42 MPa。儲(chǔ)氣庫(kù)井口高壓天然氣測(cè)試平臺(tái)工藝如圖5所示,建立有儲(chǔ)氣庫(kù)配套計(jì)量工藝、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳至控制室,各流量計(jì)壓力、差壓、溫度、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等自動(dòng)存儲(chǔ)與分析。
儲(chǔ)氣庫(kù)井口注采數(shù)據(jù)處理方法:儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)參考值取多臺(tái)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)流校準(zhǔn)后串聯(lián)流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)階段累計(jì)流量平均值;從流量計(jì)每秒瞬時(shí)流量相對(duì)偏差、流量計(jì)階段(300 s及1天)累計(jì)流量相對(duì)偏差、流量計(jì)逐階段累計(jì)流量相對(duì)偏差、工況流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)相對(duì)偏差4個(gè)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如圖6所示,儲(chǔ)氣庫(kù)井口流量計(jì)計(jì)量性能評(píng)價(jià)方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)J1槽道流量計(jì)在整個(gè)注氣過(guò)程中的每秒相對(duì)偏差、每300 s相對(duì)偏差、對(duì)應(yīng)差壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,最后實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)計(jì)量性能的客觀評(píng)價(jià)。
3.4.1測(cè)試對(duì)象
根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)常用流量計(jì),優(yōu)選出具有代表性的5種流量計(jì)(見(jiàn)表6),其中有2種屬于差壓式流量計(jì),3種屬于超聲流量計(jì)。
表6 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試流量計(jì)序號(hào)流量計(jì)特點(diǎn)(分類)1J1槽道流量計(jì)采用紡錘體結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)的差壓式流量計(jì)2J2均速管流量計(jì)一體化結(jié)構(gòu)(均速管、三閥組、溫壓補(bǔ)償、變送器)的差壓式流量計(jì)3J3超聲流量計(jì)插入式國(guó)產(chǎn)高壓儲(chǔ)氣庫(kù)超聲流量計(jì)4J4超聲流量計(jì)插入式國(guó)產(chǎn)高壓儲(chǔ)氣庫(kù)超聲流量計(jì)5J5超聲流量計(jì)非接觸式、外夾式超聲流量計(jì)
3.4.2流量計(jì)計(jì)量性能評(píng)價(jià)效果
通過(guò)建立的儲(chǔ)氣庫(kù)井口高壓天然氣測(cè)試平臺(tái)及計(jì)量性能評(píng)價(jià)方法,在注采條件下對(duì)5種待測(cè)流量計(jì)進(jìn)行了測(cè)試,其計(jì)量性能如下。
3.4.2.1 注氣條件
運(yùn)行工況:壓力為22~25 MPa、溫度為24~58 ℃、流量為0~181 m3/h。日累計(jì)流量(標(biāo)況)為(0~1)×106m3。在日累計(jì)流量高于2×105m3時(shí),5臺(tái)流量計(jì)日累計(jì)流量示值誤差保持相對(duì)穩(wěn)定;日累計(jì)流量低于2×105m3(流量計(jì)流量拐點(diǎn)下)時(shí),5臺(tái)流量計(jì)日累計(jì)流量示值誤差存在明顯波動(dòng),J2均速管流量計(jì)日累計(jì)流量相對(duì)偏差最大可達(dá)約12%(見(jiàn)圖7)。
階段累計(jì)注氣量約2.8×107m3,J1槽道流量計(jì)流量相對(duì)偏差為-0.43%,J2均速管流量計(jì)相對(duì)偏差為4.67%,J3超聲流量計(jì)相對(duì)偏差為-4.37%,J4超聲流量計(jì)相對(duì)偏差為6.04%,J5超聲流量計(jì)相對(duì)偏差為-5.31%(見(jiàn)圖8)。
3.4.2.2 采氣條件
運(yùn)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(tái)流量計(jì)每5 min累計(jì)標(biāo)況流量范圍為3 115.21~5 020.35 m3,且其相對(duì)偏差保持相對(duì)穩(wěn)定,相對(duì)偏差范圍為-4%~4%(見(jiàn)圖9)。
階段累計(jì)采氣量約5.0×107m3,5臺(tái)流量計(jì)逐日累計(jì)流量相對(duì)參考值的偏差為-2%~2%。J1槽道流量計(jì)相對(duì)偏差為-1.70%~-1.12 %,J2均速管流量計(jì)相對(duì)偏差為-0.68%~2.93%,J3超聲流量計(jì)相對(duì)偏差為-1.88%~-0.24%,J4超聲流量計(jì)相對(duì)偏差為0.83%~1.82%,J5超聲流量計(jì)相對(duì)偏差為-1.21%~-0.89%(見(jiàn)圖10)。
(1)建立儲(chǔ)氣庫(kù)井口高壓天然氣測(cè)試平臺(tái),形成儲(chǔ)氣庫(kù)井口流量計(jì)計(jì)量性能評(píng)價(jià)方法,能有效地評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)高壓井口流量計(jì)的計(jì)量性能。
(2)儲(chǔ)氣庫(kù)井口天然氣直接從井口采出,壓力可達(dá)10~42 MPa,溫度可達(dá)24~60 ℃,攜帶有微量的油、水、固體顆粒等雜質(zhì),對(duì)天然氣流量計(jì)量提出了較高的要求。常用靶式流量計(jì)對(duì)天然氣中雜質(zhì)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(shù)據(jù)看,針對(duì)相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)氣質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)工藝條件(主要是水含量小、凝析油少、節(jié)流閥無(wú)噪聲干擾),經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室天然氣實(shí)流校準(zhǔn),5個(gè)流量計(jì)的累計(jì)注氣偏差為-5.31%~6.04%,累計(jì)采氣偏差為-1.70%~1.82%,均符合GB 50349-2015《氣田集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》中“井口計(jì)量設(shè)施的允許偏差為±7.0%”的要求。其中,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)驗(yàn)證,J1槽道流量計(jì)、J2均速管流量計(jì)、J3超聲流量計(jì)滿足±5%范圍,滿足了現(xiàn)場(chǎng)管理的期望限值。
(1)儲(chǔ)氣庫(kù)井口天然氣注采氣量運(yùn)行工況流量建議高于流量拐點(diǎn)(工況流量32 m3/h,或標(biāo)況流量約2.0×105m3/d),以保證現(xiàn)場(chǎng)注采氣計(jì)量準(zhǔn)確性。
(2)建議儲(chǔ)氣庫(kù)井口流量計(jì)經(jīng)過(guò)天然氣實(shí)流校準(zhǔn)后使用,以滿足計(jì)量偏差為±5%的要求。
(3)氣流較大波動(dòng)、強(qiáng)信號(hào)干擾對(duì)均速管流量計(jì)有明顯的不利影響,應(yīng)注意克服。