致密砂岩气计量的旋进漩涡流量计设计及应用

董广河，范 旭，曹海彬

（1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452；2.浙江理工大学，浙江 杭州 310018）

致密砂岩气是非常规天然气的一种，随着经济的增长，能源需求越来越重要，非常规天然气必将成为新一代环保、高效的优质替代能源。当前致密气计量系统现状为大部分地区采气过程中无准确监测，部分地区有温度和压力的监测，流量计量还不普遍，数据监测现状为人工现场巡逻，定时现场抄表。主要原因有以下几个方面：企业还没意识到要对致密气产量进行准确计量；没有合适的计量装置；致密砂岩气矿区分布偏远，地势复杂，交通不便，生产管理困难。

因致密砂岩气含气、水和泥沙，实为以气体为主的气液固三相流[1]，产气量变化大，含液比和含固比均高于煤层气[2]，且压力高，现有流量计种类中还没有哪一种产品能完全适用于该工况。根据当前对能源开采和产产量评估的要求，需要研发一种能适合以上工况，且具有无线远传功能的新型流量计。当前，现有气体流量计以涡轮流量计、旋进漩涡流量计、涡街流量计、罗茨流量计、超声波流量计为主流，涡轮流量计和罗茨流量计核心部件为转子，且对介质洁净度要求非常高[3]，不适用于本工况，超声波流量计内部无部件，但对流体流态非常敏感，且超声波遇不同密度的介质发生反射和折射，无法测量，涡街流量计和旋进漩涡流量计均为振动式速度流量计，无转动部件，涡街流量计通过测量旋涡分离产生的振动频率来测量流速，高压多相流工况旋涡分离不规律，且信号不稳定，无法持续测量；旋进漩涡流量计通过测量螺旋进动的流体产生的振动频率来测量流体流量，一定程度上较为适合。

1 结构设计

1.1 设计原理

致密砂岩气开采过程为正压开采，井下压力范围为0MPa～20MPa，井上流量计处压力范围为0MPa～6MPa，且压力波动较大；致密砂岩气井采出的流体含气、水和少量泥沙，为以气体为主的气液固三相流，气液固体积比难以准确估计，液固两相的存在会磨损流量计流道，导致计量精度降低，介质流量范围宽，且断断续续，有时没有气体排出，有气体排出时，最大流量约为300Nm3/h，持续时间短。

鉴于以上复杂工况，采用旋进漩涡流量计原理即流体螺旋进动产生振动信号的原理来设计新型旋进漩涡流量计，结构如图1所示。整体结构包括一次仪表和二次仪表，一次仪表安装在管道上与流体发生作用，主要零部件组成为壳体、起旋器、消旋器、温度传感器、压力传感器、流量传感器，一次仪表内部无转动部件，尤其适用于介质工况复杂，含少量液体和固体混合物的场合。

图1 耐高压耐磨流量计一次仪表的结构

二次仪表安装在一次仪表上方，主要结构为防护外壳内部固定含嵌入式软件程序的电路板组，内设LCD显示屏。

计量原理为：当流体进入流量计时，在起旋器的作用下，被强制围绕中心线旋转，产生漩涡流，漩涡流在壳体内部螺旋进动，到达壳体收缩段突然节流后，使漩涡流加速，当通过扩散段时，漩涡中心沿一锥形螺旋线进动。此时，由两个压电传感器检测到的漩涡流进动频率信号经前置电路放大、滤波、整形后转换为两路与流速成正比的脉冲信号，即为流量信号，其与温度、压力传感器检测到的信号一起送入二次仪表进行温压补偿运算，并把关键流体监控参数如流量、总量、温度、压力等直接显示于LCD屏上，就地显示，并可根据传输需求进行物联网传输到控制中心。

1.2 耐高压耐磨损结构设计

通过一次仪表结构设计提高了致密砂岩气计量的旋进漩涡流量计的耐高压、耐磨损性能。首先，从材料上保证，承压部件和过流部件均选用不锈钢材料06Cr19Ni10或00Cr12Ni12Mo2，其次，在一次仪表结构设计上保证壳体的承压能力，壳体壁厚设计过程中，根据公称压力6.3MPa设计，考虑腐蚀、磨损余量选取足够的安全系数，以保证壳体的耐高压、耐腐蚀和耐磨性。

通过对旋进漩涡流量计主要过流部件之一起旋器，进行创新设计，减轻介质对流道的磨损程度，从而避免计量精度的降低，其结构采用直叶片（1）与芯轴（2）成一定角度α设计，叶片数量设计为6片绕芯轴中轴线均布，使得入口流体产生稳定旋涡流，角度α小于30°时，流体旋转强度不足以产生规则振动信号，角度α大于60°时，流量计进出口之间产生的压损较大，也会导致振动频率测不准，根据不同流量范围，角度α设置为30°～60°之间为最佳，既能保证计量精度又能减轻固相对起旋器的冲击磨损。叶片与芯轴的安装方式为焊接。该结构既能满足计量精度要求，更适用于多相流高压工况。

2 传输方式设计

二次仪表在流量积算，体积修正功能的基础上增加物联网传输模块，将流量计监测的数据通过物联网无线传输到控制中枢站，由中枢站将数据传送到总控制中心也可以直接传输到总控制中心。二次仪表内部传输通讯芯片采用高性能工业级GPRS嵌入式芯片，传输功率低，功耗低，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗。通过嵌入式软件程序控制数据发送时间间隔，不发送数据时采用休眠模式，因此通讯模块非常省电。

二次仪表的CPU选用TI公司的MSP430单片机，该单片机是一个特别强调低功耗的单片机品种，很适合用于采用电池供电的长时间工作场合，大大提高电池的使用寿命，启动时间快，设置ESD保护，抗干扰力强，低电压供电，低功耗单片机的使用直接保证二次仪表整体功耗低。为充分降低功耗，对二次仪表的硬件电路及软件方案均做低功耗处理，最终流量计静态电流约190uA，峰值发射电流约500mA；峰值接收电流约45mA，唤醒无线通讯的时间间隔为10min。

据估算，采用物联网传输模块并进行低功耗设计的二次仪表仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,其它设备难以保证。整体功耗降低有利于供电系统的改善，可使用电池供电或太阳能供电，无需布电缆，既节约能源又减少了施工成本，减少故障发生率，延长整体工作时间有利于开采现场的科学管理。

3 结论

致密砂岩气计量的旋进漩涡流量计的耐高压耐磨损结构设计解决了致密气计量问题，保证计量精度的同时，更适用于致密气开采的高压、多相流、断续流的工况。物联网无线数据传输通讯方式的采用及二次仪表的低功耗设计，解决了原有的485通讯传输距离短，需挖沟、埋电缆的问题，节省施工成本，更减少了因挖沟、埋线导致工程车通行压坏线路造成的二次检修问题。致密砂岩气开采过程现场应用案例表明，经耐高压耐磨损及低功耗物联网传输设计的旋进漩涡流量计的应用，有利于致密气的开采量的评估及开采过程的数字化、信息化管理，具有重要推广意义。