中国储气库井口计量现状及建议

杨紫晴，王念榕，王月，刘烨，巴玺立，文韵豪

1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.辽河油田（盘锦）储气库有限公司

0 引言

储气库注采气井口计量在储气库注采循环中是一项至关重要的工艺环节［1］，准确的井口计量能有效指导生产，优化运行参数，科学评价注采效果，提高天然气注采率。储气库计量有如下特点：储气库压力和气量变化频次多，具有“反复注采”的特点，对计量设备的抗疲劳能力要求高；中国储气库产量变化大（天然气瞬时流量上下限可达 40:1），压力变化范围大（单井采出气压力变化范围可达8～32 MPa），对计量设备适应性有较高要求；储气库采气期流体介质组成各异，凝析气藏或油藏型储气库含天然气、凝析油或黑油、游离水；气藏型储气库含天然气、游离水，对计量设备提出较高要求。

自大张坨储气库建成以来，单井注采气流量计选型一直是储气库建设过程的难点。本文从介绍中国储气库井口计量工艺现状入手，通过总结储气库井口流量计类型及使用过程中的适应性和优缺点，并结合储气库井口流量计国产化现状给出相关建议。

1 井口计量工艺

1.1 国内井口计量工艺

从 2000年大张坨储气库建成，2021年中国已建储气库38座，其中中国石油天然气集团有限公司20座，国家石油天然气管网集团有限公司 11座，中国石油化工集团有限公司6座，港华燃气集团有限公司1座，总库容达666.03×108m3。已建储气库类型主要有凝析气藏型、气藏型、油藏型、盐穴型等，不同类型储气库采出气成分不同，采取的集输工艺与井口工艺也有差别。中国部分已建储气库采取的集输工艺及井口工艺见表1［2］。

表1 中国部分已建储气库集输工艺及井口工艺

储气库注采集输工艺包括注采合一和注采分开两种，集输工艺的选择应综合考虑注采规模、管道压力、管道长度、采出物油水含量、设备与管材、运行管理等方面，对注采管道同管、异管进行技术经济比选。在注采输送气量接近、注采管道压力接近时，采用注采管道合一建设可降低投资成本。但受无缝钢管生产能力限制，当注气设计输量大于800×104m3/d时，注采合一管道需采用双管，与注、采分开设置相比，并不能减少管道数量；当注气设计输量大于1 000×104m3/d时，注采合一的经济性优势不明显。

储气库井口工艺包括防止水合物生成工艺、注缓蚀剂工艺、调节计量工艺。

根据采气特性，防止水合物生成工艺分为注醇+节流和注醇+节流+加热两类。气藏型或凝析气藏型地下储气库井口采用节流注水合物抑制剂不加热工艺。油藏型地下储气库采出井流物中携带地层中残存的原油，井口采用加热节流与注水合物抑制剂相结合的工艺［3］，如双6储气库、双台子储气库。

当采出流体介质中含有腐蚀性介质（CO2，Cl-，H2S）时，需采取腐蚀监测及控制措施，如双6、苏桥、雷61、文23等储气库。

储气库井口计量工艺对评价区域地层储存天然气能力和采出能力有重要意义。由于储气库各区块地质情况不完全相同，需对每口注采井进行井口注气和采气计量。根据不同的气藏类型和集输工艺，有注采合一计量和注采分开计量两种方式，采用的流量计有单向、双向两种。

注气管道所输介质为经过处理的洁净天然气，使用单相流量计进行注气计量即可。

储气库采气计量受储气库类型、采出流体介质影响较大。对于采出气较洁净的储气库，如气藏型储气库［4］、采出气含微量油凝析气藏或油藏型储气库，可采用双向流量计对注气和采气流量计量，工艺流程简单（见图1）。

图1 双向计量工艺流程示意图

对于采出流体介质较复杂的储气库，如采出气含油量较高的凝析气藏或油藏型储气库，根据地质专业要求，需要计量油、气、水三相流量。目前，中国采用分离计量工艺对每口采气井进行轮换计量，即在集注站或丛式井场内设置1台两相或三相计量分离器将油、气、水分离后计量［5-6］（见图2）。苏桥储气库、大张坨储气库均采用上述注采分开计量、采气管道分离计量的工艺。

图2 采气分离计量流程示意图

1.2 国外井口计量工艺

国外对于枯竭油气藏改建的储气库多为有计划地实施，即天然气并不采空，各采气井直接转换为储气库用的注采井，各单井的油、气、水产量基本上已经确定，单井携液量小。

国外储气库常用注采合一双向计量的计量工艺，使用的流量计多为超声波流量计，部分采用差压式流量计。西班牙Castor储气库、德国Eneco储气库、白俄罗斯 Moyzr储气库等均使用超声波流量计，Total（道达尔）公司 TIGF储气库采用文丘里流量计双向不分离计量工艺，Shell（壳牌）公司Norg储气库采用质量流量计双向不分离计量工艺，井口集注工艺简单［7］。

1.3 国内外工艺差异

对于气藏型及含油量较少的凝析气藏或油藏型储气库，国内外均采用注采双向计量工艺。对于含油量较高的凝析气藏或油藏型储气库，国外已研制出双向多相流量计，而中国尚未研制出储气库用双向多相流量计，目前均采用注采分开，采出气分离计量工艺，分离计量工艺占地面积大，流程复杂，国产双向多相井口流量计亟待攻关。

2 井口流量计类型及其应用

2.1 井口流量计类型

按计量原理不同，油气田常用的 5类流量计分别为速度式流量计、变面积式流量计、容积式流量计、差压式流量计和质量流量计（见表2）。其中，变面积式流量计、容积式流量计、质量流量计、差压式中的文丘里流量计，以及速度式中的涡街、电磁和涡轮流量计不满足储气库高压和高流速的计量要求，差压式流量计中孔板流量计量程比不满足储气库计量的量程比要求。

表2 流量计评价结果统计［5］

满足储气库高压力、高量程比计量要求的有均速管流量计、靶式流量计、槽道式流量计、插入式超声波流量计、外夹式超声波流量计。各流量计结构与特点如下。

（1）均速管流量计包括阿牛巴流量计和威力巴流量计，测量元件构造简单，测量准确度等级一般为1级，流量范围最大可做到12:1。

（2）靶式流量计靠压敏电阻应变片，将流体冲击靶杆产生的微小形变转化为流速，可双向计量，灵敏度高，测量准确度等级为1级，直径可做到 0.012 5～1.5 m，量程比为 15:1［8］。

（3）槽道式流量计通过测量流经纺锤体压力降计算天然气流量。量程比为30:1，安装简单，可双向测量、准确度较高。但纺锤体与管壁之间的通道过窄，当采出气含液黏度过高时会出现堵塞情况。

（4）超声波流量计按声波探头的设置方式分为插入式超声波流量计和外夹式超声波流量计［9］，通过顺流和逆流情况下信号传输时差计算出介质流量。超声波流量计内部没有可动部件，维修时不影响生产，需要前后15倍直径以上长度的直管段，测量准确度高（双声道准确度1级）、可靠性强、压力损失小，量程比为100:1，可用于双向计量。

（5）外夹式超声波流量计与插入式超声波流量计原理相同。与插入式相比外夹式超声波流量计有如下优点：探头不直接接触介质，无压损；安装便利无需在高压管道上进行开口，尤其适用于大直径管道的计量。但外夹式超声波流量计在管径与壁厚比超过10:1时，计量准确度难以保证。

2.2 应用情况

中国储气库用于注采双向计量设备有超声波流量计、外夹式超声波流量计、靶式流量计及槽道式流量计［9］。

靶式流量计从最早的大港到后期呼图壁等储气库均大量使用。但在长期的现场运行中暴露了此项技术的不足［10］。一方面，靶式流量计计量原件靶杆为可动部件，采出物固体颗粒、机械杂质、积液对计量靶杆冲击影响大，当瞬时流量超过设计最大值后，易造成靶杆疲劳断裂。如，某储气库用靶式流量计在6个注采周期内靶杆出现58次断裂，累计产生维修费超100×104元。另一方面，靶式流量计计量值与下载或外输量偏差较大。鉴于靶式流量计在前期储气库项目中使用效果不佳，目前已不推荐在储气库井口计量中使用。

槽道式流量计安装简单，没有前后直管段的要求，2019年以来应用于双坨子、双6、呼图壁等储气库。使用过程中易出现流量计堵塞、引压管冻堵现象，分析可知，槽道式流量计不适用于在采出气含液黏度过高及寒冷地区使用。槽道式流量计没有长周期应用案例，还需各种工况试验。

插入式超声波流量计及外夹式超声流量计内部没有可动部件，维修时不影响生产，广泛用于中国气藏型和含微量油型储气库井口双向计量，在现场长期运行中，积累了使用经验：在使用过程中需注意外界声学、噪声影响；外夹式流量计需确保换能器定位牢固、避免测量误差，超声波流量计适用于大管径气体流量的高准确度计量、实际使用过程中效果良好［11］。

中国早期储气库注气计量使用阿牛巴和威力巴流量计，在使用过程中管道内残留的焊渣、积水多次造成引压管堵塞。鉴于均速管流量计占地面积大，使用效果不佳，目前储气库井口计量中已不推荐使用。

综上，推荐采用超声波流量计用于储气库井口计量。

3 流量计国产化现状

目前，中国已初步生产出应用于储气库双向计量的产品。国产超声波流量计、外夹式超声波流量计和槽道式流量计已在中国多个储气库应用，国产流量计应用情况见表3。

表3 国产流量计应用情况

国产插入式超声波流量计已用于文 23、黄草峡、金坛、苏桥、相国寺、铜锣峡等储气库，在采出气含液量低于 3%时有较高的计量准确度和稳定性，但当含液量超过 3%～5%后误差较大，流量计准确度和可靠性难以保证。与进口超声波流量计相比，国产超声波流量计价格便宜10%，后期服务费和配件费低于进口厂商一半的价格。

国产外夹式超声波流量计已用于双台子储气库、双6储气库。虽然外夹式超声波流量计已实现国产化，但准确度没有进口流量计高，且单台价格与国外相比高出50%，还需进一步降低成本。

国产槽道式流量计由南京航空航天大学自主研发，价格略低于同规格国产插入式超声波流量计，国外储气库无此类流量计应用实例。

4 建议

中国早期储气库多使用靶式流量计进行双向计量。在长期运行中，靶式流量计靶杆易疲劳断裂，不推荐在储气库井口计量中使用。

槽道式流量计安装简单，可双向测量、准确度较高。但当储气库采出气含液黏度过高或应用地区较为寒冷时，纺锤体与管壁之间的通道极易发生堵塞。槽道式流量计适用性仍待提高，需经各种工况试验后才可推广。

超声波流量计计量准确度高，含液量对准确度影响小，维修时不影响生产。对于气藏及含少量油的凝析气或油藏型，推荐采用超声波流量计双向计量。当采出气含硫时会对超声波探头造成腐蚀，建议采用外夹式超声波流量计对含硫采出气进行计量。

中国已实现超声波流量计、外夹式超声波流量计国产化。但国产外夹式超声波流量计比国外价格较高，国产插入式超声波流量计也无明显价格优势，流量计投资仍较高。因此，研发低成本流量计，节约流量计投资是目前攻关方向［12］。

中国目前对含油量较高凝析气藏或油藏型储气库计量采用分离计量方式，计量装置占地面积大、投资及运维成本高。国外已采用双向多相流量计对含油储气库计量。中国尚未研发出双向多相流量计，进口双向多相流量计投资高、供货周期长、运维成本高，引进难度大。研制一体化储气库双向多相流量计，实现注采合一的双向多相流计量，简化井场工艺是未来流量计攻关方向。

目前，气田已开展了虚拟计量研究应用，实现了井口数字化计量，很大程度提高了计量和管理水平。虚拟计量同样适用于储气库井口计量，建议尽快发展储气库虚拟计量技术，实现储气库数字化计量。