摘要：元壩氣田是中石化成功開發的第二個大型酸性氣田。在氣田開發中，克服傳統計量裝置在高含硫氣體計量存在的問題，實行準確計量關乎開發的成敗。外夾式超聲波流量計能有效的解決酸性氣田計量中存在的問題，除常規計量影響因素外，計量管段附著的水珠、沉積的單質硫對計量的準確性也影響較大。結合現場運用中實際問題，分析問題原因，找出了解決計量不準的切實可行的措施，明確下一步攻關的方向，值得高含硫氣田開發借鑒。
前言
元壩氣田是中石化繼普光氣田之后，成功開發的第二個酸性整裝大型氣藏。氣田分一二期不同時間投運，2014年12月一期試采工程第一口井建成投產，2016年二期滾動工程各個井陸續投產，從而實現氣田滿負荷運行生產，目前凈化氣年生產能力為34億方。氣田天然氣中硫化氫含量2.7～8.44%（體積含量，下同），平均為5.44%；二氧化碳含量3.12-15.5%，屬于高含硫化氫，中含二氧化碳氣田。
在氣田開發中，同其他氣田一樣，準確的計量天然氣、水（部分井產水）的產量，對于氣井產能評價、生產動態分析、油氣井配產、生產制度調整、調剖堵水、措施維護等起著決定性的作用，甚至關乎一口井的生死存亡。
1元壩氣田計量存在的問題
在已有的天然氣計量中，以孔板節流為代表的計量裝置需與氣體直接接觸，在元壩氣田采氣井的運用中存在以下問題：
（1）含水的高酸性環境中，酸性氣體對計量材料的腐蝕性較強，傳統計量孔板容易因腐蝕而出現計量孔徑變大，從而使得計量不準；
（2）改變計量裝置材質，使用鎳基材料雖能有效解決腐蝕問題，但整個計量裝置（包括前后管段、高孔閥、孔板等）所需費用大，經濟上不劃算；
（3）安裝接觸式計量裝置，增加了流程焊接、連接點的數量，特別是高孔閥的壓板及密封材料、放空閥、排污閥等地方，容易出現因密封不嚴、腐蝕而導致高含硫天然氣的泄漏，增加開采安全風險；
（4）高含硫天然氣開采中容易析出單質硫，特別是在流態發生變化、產生輕微節流處的孔板后更易于聚集單質硫，改變流速及流態，影響計量準確性。
2外夾式超聲波流量計在元壩的運用
為解決上述開發中的突出問題，元壩氣田采集輸系統采用了外夾式超聲波流量計來計量酸性天然氣、含硫氣田水。
外夾式超聲波流量計是采取措施把發射、接頭探頭固定在測試管外壁，實現對氣體流量進行測量的計量裝置。該裝置安裝在一長段直、光滑、內外表面無缺陷的直管段上。裝置主要包括探頭、電纜、自動積算顯示儀等元器件，探頭通過電纜與流量積算儀連接，并連接有外接電源。探頭加工成與管道表面一致的弧形，能高度吻合的緊貼在管道外壁上。該裝置有溫度、壓力的自動補償功能，能根據現場實際工況自動調整計算流量時的參數變化。
超聲波流量計的測量原理是在管道兩側布置一組（單聲道）或多組探頭（雙通道或多通道），通過發射聲波，在另一側接收聲波的原理來進行氣體流量測量的。氣體壓力越高，聲波傳播速度越快，接收探頭接收到信號的時間越短；氣體流速越快，聲波發生偏移越大，探頭接收到信號的時間越長。
測量時，為減小探頭與測量管外壁之間空氣對測量精度的影響，在探頭與被測管道外壁間添加了降噪膜，并涂上液體耦合劑，大大減小了測量誤差。
外夾式超聲波流量計由于安裝在酸性氣體的管道外壁，測量元件不直接與酸性氣體接觸，有效解決了傳統流量測量在酸性氣田中遇到的突出問題。
3計量準確性的影響因素
超聲波流量計發射探頭發送的信號源到接收探頭依次經過帶有耦合劑的發射端降噪膜、發射端管壁、流動的氣體、接收端管壁、帶有耦合劑的接收端降噪膜。結合元壩氣田實際情況，存在下列影響因素：
（1）探頭加工弧度與測量管段的吻合度
超聲波流量計測量氣體流量時，探頭夾持在測量管段的外壁上。探頭加工成與管段相同的弧形，加工精度越高，與被測量管段越吻合，探頭與管壁之間的間歇越小，對聲波傳播的影響越小，計量越準確，反之則計量越不準確。
（2）降噪膜和耦合劑
超聲波流量計的發射探頭、接收探頭無論加工精度如何與測量管段外壁吻合，其安裝接觸間實在存在氣體間隔。安裝降噪膜和耦合劑后，探頭與管壁間將充滿液體和固體，聲波在液體固體中的傳播速度遠大于在氣體中的傳播速度，因此，安裝充滿耦合劑的降噪膜后將減小計量誤差。
耦合劑為液體，在使用中不可避免出現干燥，變質，再加上降噪膜有可能存在損壞等原因，都有可能影響計量計量精度，為此，需適時檢查耦合劑、降噪膜，必要時進行更換安裝。
（3）測量段管線固有特性
與其他測量一樣，要求測量段管線精度高，管段平直、光滑，內外壁無缺陷，滿足測量要求。另外，針對高含硫氣體，要求測量管段材質抗硫，不存在因腐蝕而出現影響氣體流態，進而影響計量準確性的現象出現。
（4）測量點的位置
要使得測量更加準確，需盡可能保證被測量氣體在管道內的流動保持層流狀態，因此，測量點需遠離彎頭、三通、大小頭等地方，處于一相對較長的直的管段上，必要時可以采取安裝整流器等輔助設置來使氣體為層流狀態。
（5）流經水珠影響
元壩氣田與其他氣田一樣，氣田產水。雖然計量前經過分離，但分離不徹底的液滴、天然氣中未分離的微小液滴顆粒隨氣流流經計量管段，會形成新的液滴附著在管壁上，并形成流動的液滴。當液滴流經至主超聲波傳遞的通道上時，不僅改變聲波傳遞的速度，還改變主聲波傳遞的方向，使得接收探頭提前接收到信號或根本接收不到信號，影響計量精度。
（6）析出單質硫的影響
元壩高含硫氣田開發實踐證明，管道內易析出單質硫。析出的單質硫附著在管壁上，減小氣體流經通道，使得接收探頭接收到信號的時間變短；不規則的硫沉積，改變氣體流動狀態，使得氣體從層流變為紊流；不規則硫沉積量及厚度，改變超聲波傳播方向，有可能導致接收探頭無法接收到超聲波信號。綜合影響的結果，計量出現較大偏差。
4運用中存在的問題
元壩氣田一期試采工程2014年12月開始投產，外夾式超聲波流量計設計安裝位置有2種：13口井站的安裝在多相流計量分離器撬塊的氣相出口豎直管線上；集輸總站安裝水平管道上。通過對超聲波流量計的調試，運行，各計量裝置相繼投用。在計量過程中，井站出現下述突出問題：
（1）13口井站計量不正常，數據時有時無，變化異常；
（2）13口井站計量數據上下波動幅度大，最大數據超過對應井產氣能力的2-3倍（一般采用測試試采制度生產，以測試穩定產能評價）。
（3）部分井站在使用一段時間后接收不到超聲波信號，無法實行計量。
5解決措施及效果
（1）改變安裝位置，計量相對準確、可靠
針對元壩氣田一期試采工程出現的計量問題，結合集氣總站運用的實際效果，反復進行現場試驗，整改，分析，認為管壁上附著、流動的水珠有可能對測量產生較大影響。豎直測量管的水珠呈360度隨機分布、流動，一旦流經發射、接收探頭處，影響計量精度。若采用水平安裝，發射、接收探頭安裝在側面，附著、流動的水珠在探頭的位置的數量、幾率將成倍的減小，從而可使得影響變小。
在2015年、2016年對一期試采工程的13口井進行了外夾式超聲波流量計安裝位置的更換，改豎直安裝為水平安裝，效果明顯。
二期滾動工程在一期試采工程的基礎上，優化了超聲波流量計的安裝位置，改豎直安裝位置為水平安裝位置。通過運行表明，數據的穩定性、準確性大幅度提高，基本能反應各井的真實產能。
（2）移動探頭位置，成功找到丟失信號
超聲波流量計，按照原理，結合現場情況，通過模擬、計算，發射、接收探頭位置相對固定，在相應位置安裝發射、接收探頭，能準確接收到發射探頭發出的超聲波。但在元壩氣田運用中，一些井站在不同生產時間，出現信號丟失的現象。通過分析判斷，并試探性采用移動探頭位置，成功找到超聲波信號的最佳接收點，并恢復計量。
（3）采購便攜式超聲波流量計進行流量核查
為使得各井的流量計量貼合氣井生產實際，廠購買了便攜式超聲波流量計，不定時對井站產量進行便攜式測量，并與固定式超聲波流量計計量數據進行對比分析，判斷計量準確性，并及時對可能存在的計量差較大、信號丟失等問題進行診斷、解決。
6結論及建議
（1）外夾式超聲波流量計在高含硫氣田中用于氣體流量計量，能解決常規計量裝置在高含硫氣田計量中存在的計量不準、設備腐蝕等問題。
（2）高含硫氣田超聲波流量計計量準確性的影響因素較多，包括探頭吻合度，降噪膜和耦合劑的運用、測量管特性、含硫氣體析出的水珠、高含硫氣體析出并沉積的單質硫等。
（3）超聲波流量計安裝在水平位置的計量準確性高于安裝在豎直位置時的計量準確性。
（4）針對高含硫氣田計量管段，下一步將開展如何監測析出硫對計量準確性的影響程度，如何采取措施（包括溶硫劑溶硫、機械除硫）來清除管線內沉積的硫，進而提高計量的準確性。
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