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1、利用差压式V锥流量计测量煤层甲烷作者：Philip A. Lawrence菲利普劳伦斯译者：孙延祚1.0 内容提要近年来，在世界范围内通过增加煤层甲烷的开采而使传统的能源供给得以增加。在世界各地的薄煤层中都很容易采集到这种煤层甲烷。（以下简称CBM）。目前在俄罗斯、印度和澳大利亚都正在重新再考察这种有效的能源。在世界各地都已发现这种清洁能源产品的一些主要的矿源。CBM生产者所体验的一些挑战是要在煤矿井口进行准确的气体流量测量的同时，在测量系统的两端要保持一个低的差压值，挑战还包括在流量计的测量管段中的湿气体问题，对它也要求妥善处理。本文作者在此领域已工作了九年多，本文将介绍本文作者的一些实验数
2、据和经验。特别是关于使用差压式流量计的经验，在这种差压式流量计中使用双V锥体作为发生差压的一次传感器。2.0 煤层甲烷（CBM）；“这种东西到底是什么？”天然气的主要成分就是一种被称为甲烷（CH4）的物质。煤层甲烷（CBM）就是存在于薄煤层中的甲烷。CBM的产生是非常不同的，因此虽然销售和使用它就如同传统的天然气一样，CBM却是以一种非传统的方式产生的。发生CBM是基于以下两个不同的过程：或者是一个由于微生物（细菌）的作用而引发的生物过程；或者是一个由于随着煤层深度增加热量增加而引发的热过程。通常是以下情况：薄煤层被水所浸透。借助于水的压力，甲烷被包容和保存在煤之中。目前，从煤和煤层所获得的天
3、然气约占世界天然气总产量的7%。3.0 在美国，CBM都在什么地方？根据阿拉巴马州CBM协会的资料，在美国，纬度低于48度的土地中，有13%的土地的下面都有煤。其中的一些煤矿都含有甲烷，其存在的形式或者是以如我们所知的传统的天然气的形式，或者是以CBM的形式存在。根据美国地质调查，落基山脉区域具有广阔的煤矿层，该煤矿层估计具有30至58万亿（即301012到581012）立方英尺（TCF）的可回收的煤层甲烷（CBM）。在令人惊叹的同时应该指出：以上的贮量仅为落基山脉区域天然气总贮量184万亿立方英尺（TCF）的13。（Decker 2001）。在落基山脉区域内，未开采的CBM矿源在怀俄明州和蒙
4、大拿州的Powder河流域有，在怀俄明州、科罗拉多州和犹他州的大绿河流域也存在。科罗拉多州和犹他州的“UintaPiceance”河流域、科罗拉多州和新墨西哥州的San Juan河流域正在成为被关注的区域。在蒙大拿和怀俄明州的Powder河流域的下面估计可能有24TCF（万亿立方英尺）的可回收CBM的矿源。（Decker 2001）。初步估算：在未来的8年到10年中，在落基山脉区域内就将要钻3万个煤矿的CBM气井。这是一个关于该能源生产地的具有重大意义的数目，它将在未来的几十年中辅助美国经济。为满足该地区税收和风险管理的需要，首先就要求有准确的测量。美国主要CBM储备地址如图1所示。*图1表明
5、美国CBM主要储备地址的分布图在Powder河流域甲烷气的估算总量在变化并且经常被重新估算。为估算从薄煤层中可回收的CBM气体的总量有几种算法，所有这些算法都有变化的准确度。根据2001年美国地质调查的结果，在Powder河流域可回收的CBM气体的总量是在8.24 TCF到22.42 TCF之间。（注：TCF万亿立方英尺）。仅在怀俄明州的Powder河流域，由怀俄明油气保护委员会估算的可回收的CBM气的总量就有31.8 TCF。蒙大拿州矿业与地质局和美国能源部曾分别对蒙大拿州Powder河流域中的可回收的CBM气体作过估算，估算结果为0.8至1.0 TCF。关于在蒙大拿州的Powder河流域中
6、开发煤层甲烷气的环境影响说明书中报告有2.5 TCF的可回收气体。在方程式中一个主要术语是钻井和完成气井中“可回收”的投资，但它们并不一定意味着就真有如此巨大的利润与回报。然而，如在各个气井之间保持正确的间隔，并且在管道敷设中采用正确的设计理念（例如，逐步增大管径），这样就会使各个气井都能更短地被连接到生产管线。如能做到以上各点似乎就有更好的机会产生某些可回收的利润与回报。4.0 我们有多少？为估算从薄煤层可回收的甲烷气量，通常采用以下两种流行的算法：为估算甲烷的储量，有一种方法是对薄煤层进行钻孔，然后从煤层中取出芯子。利用从这个煤芯子中回收到的甲烷气量来估算每单位体积煤中所含的气量。如果有许
7、多煤芯子被钻探出来，而且观测到有甲烷气被释放出来，人们就能估算在该地区可以回收的气体总量。此法的局限性有：（a）在测量气体释放物之前，可能会有对煤芯子的干扰；（b）此法价格高；（c）并不是所有有CBM开发潜力的地区都已钻探过。第二种方法是基于该地区的煤的已知资料和CBM开发的可行性分析资料，通过一系列计算而进行估算的方法。例如，蒙大拿州矿产与地质局就是利用了以下的资料来估算Powder河流域中可回收CBM气的总量：1 薄煤层将具有有利的储量，如果每吨煤产生5070立方英尺气。2 如果薄煤层有20英尺厚或更厚些，每吨煤可产生50立方英尺气，则将CBM抽出是经济的。3 煤层甲烷仅存在于下述地区：在
8、该地区薄煤层中的水的主要化学成分是碳酸氢钠，而且该薄煤层是被水淹没得足够深，从而可保持有足够的水压力，以便保持气体在煤中而不会释放出来。这种气井会有测量问题，本文在后面将讨论这些问题。关于在Powder河流域内开发CBM项目的环境影响说明书是根据在该区域内所报告的煤的总吨位乘以每吨煤50立方英尺甲烷来估算CBM的总量。在进行上述估算时，不管薄煤层的厚度及其深度或它是否接近矿脉的露头。5.0 甲烷是如何被抽出的？由于CBM是由于薄煤层中的地下水而移动，抽出CBM的工作包括有将煤层中的水泵出的操作，这样可以降低水压，从而使甲烷气得以从煤层中逸出。CBM在水中的溶解度很低，当水的压力减小时，它就会很
9、容易地分离出来，容许通过管道从井中抽出而与水分离。水会从薄煤层流向井中所钻的孔这样就促使气体流向井中。生产者试图不从薄煤层抽出水，而是以一种非控制的方式设法降低煤层中水的压力，特别是就在煤层的顶部设法降低水的压力。然而有时水位会降到煤层之中，此时的方法是在获得最大产气量与因井被抽水到某种程度而使生产量下降这两者之间寻找平衡点。水是通过裂缝而流入薄煤层的，如果是一个完好形成的裂缝体系并且有足够的水供水泵泵出，同时产生一个经济性明显而又可行的供水体系，此时，这个薄煤层可以是一个蓄（含）水层。在Powder河流域薄煤层是地域连续的地质构造，它具有蓄水层的特性，此特性等同于甚至优于砂石岩的蓄水特性。因
10、此，常是打水井的目标地。在怀俄明的一些地方，水是纯净的，可以饮用。在含有大量杂质的其他地区，这可能会造成环境问题。典型的CBM气井的采气法。使用车载的钻探装置（采用的是一套便携式水力钻探设备）钻了一口简单的井，如图2所示。采用这种车载装置有助于较快地完成一个工作周期并且以低成本，方便地转移该套设备。用于一口全功能的生产气井的成本约为8万5千美元，而每口井钻探的完成成本约为3万5千美元。这种生产CBM气的气井深度可以在400英尺到1000英尺之间。 图2典型的煤层甲烷气井纵剖面图图2中的各名词的译注如下：Sump集水坑；Submersible Pump潜水泵；Coal煤层；Shallow Wat
11、er Sand薄层含水砂；Carbonaceous shale碳质页岩；Clay Stone粘土岩；Ground Level地平面；Cement to Surface表面为水泥；Gamma Ray Type Log射线型测井记录仪；Gas to compressor通往压缩机的气体；Annulus环形空间；Tubing较细的管道；Casing套管；Water水。在地面上装有一套井口多支管装置，它带有两套管道返回系统，具体包括：（a） 抽水管线，在其顶端有计量仪表，在其底部有变速式潜水泵；（b） 抽气管线，该管线或者带有井口就地计量的单个流量计，或者接至一个侧向（横向）管道，通过它连接到一个由多
12、个流量计组成的计量系统（豆荚式计量系统）和豆荚式计量系统室。只要创造一个作用于井下水柱的分压降就能造成CBM气体的正常生产条件。通过从井筒中用泵抽水，气体就会被释放出来而进入井的空穴中，然后该气体就会通过气体管路进入流量计量系统或进入单个的井口流量计。被抽出的水会自然地流回井筒，即通过当地地层中的含水层而流回到井中。随着小型可编程控制器（PLC）的进步，已能使此方法成功地具有液位监测与控制功能。为了具有此功能，采用了底部带孔的变速驱动的水泵以及液位传感技术。6.0 测量的基本原理目前使用两种计量方法并且已在本地获得认可。一种是单井测量法，它带有小的仪表外壳（防冻箱），另一种是多股气流的计量系统
13、，它具有较大的豆荚式计量系统室，和多个计量管道。7.0 为什么在井口进行测量？在保持安全、使系统风险最小化和使因泄漏所造成的损失最小化方面，分配计量或如某些人称为的反向配置（back allocation）会是很有效益的。具有独立见解的人有时会对装在井口的流量计的理由提出质疑？特别是在下游就有用于销售的流量计来测量流入管线的流体时，更会问其原因。更应特别指出的是：当独立的法人自己拥有这所有的井时，为何还要在各个井口装流量计？在美国各处都是由负责收取烃税收的管理员来回答这个问题。事实上他是将各种法规强加于生产者头上以保护其税源。这样的管理员可能是但不仅限于是如下机构的一员：如BLM、MMS，得克
14、萨斯铁路委员会。（BLM：美土地管理局）。8.0 气体测量的基本原理采用口径为2英寸（50mm）和3英寸（80mm）的流量计，V锥或孔板（由多个孔板组成的豆荚式计量系统）被测的体积流量：250至1000 MSCF天井，B.L.M批准或对于美国65%的区域内是不坚持要求的。（注：MSCF千标准立方英尺，或百万标准立方英尺）。在此领域已经使用V锥流量计。虽然有水存在，对于一定的气体组分进行井口气体分配测量。通常要求的准确度：1.5%，重复性：0.1%；气井的生产寿命通常为5到10年（从启动，投运开始计算）。BLM美国土地管理局。图3a典型的单个井口的测量装置（V锥流量计的设计）（劳伦斯2000）。
15、 图3b由7组孔板组成的豆荚式计量系统室的设计（劳伦斯2000）。9.0 配管的新概念和压力降（压力损失）对于相当低的井口气体压力，例如只有5磅平方英寸（即56.89534.475kpa），决定性的一条是要使压力降（即压力损失）和差压式流量计所产生的差压（DP）尽可能的达到最小值。由于由系统中的摩擦阻力和差压损失所造成的对流量计和管线的固有约束，在获得最佳生产中有一个最好的平衡点。目前想出的解决方案是采用一种所谓依次逐步递增管径的配管方法，以便获得最大的生产量，同时此方案还有助于防止井之间交叉影响或者通常因一个止回（单向）阀有故障，气体会反注射到附近的气井中。（图20示出了管道配置的新概念）。
16、采用V锥流量计的优点是它的压损小，即压力恢复较高，在相同的差压（DP）下，V锥的压力恢复比典型的孔板节流装置要高出20%，还有V锥流量计能在小差压下工作，并获得很好的准确度。在怀俄明州在多个井上，在相似的地质条件下曾作过一系列的试验，通过试验发现：在相同的地质区域内，单个的井口计量系统会比采用多孔板的豆荚式计量系统生产出更多的气体。在一些情况下约高出15%到20%。实验证明，V锥流量计除上述优点外，还有所要求的直管段较短的优点。a） 有流动调整能力（相当强！）。b） 不像孔板装置那样需要有30倍D（D管道直径）的直管段。c） 无流动死角，液体会在V锥流量计中自由流过而不会像孔板那样，在孔板前有
17、液体积存。d） V锥具有低噪声能力，从节能上看是经济的（在110英寸水柱差压下，即2.54mm水柱差压下，V锥仍能正常工作）。e） 可将V锥流量计安装在狭小的空间内，整机外壳也较小。（见图3a）。10.0 V锥流量计是如何调整流动的？V锥流量计的主要组成部分是在一个带压管道（封闭管道的精密测量管）内的中心轴线上同轴安装的平截头圆锥体形的差压发生器（即产生差压的V锥体）和在其下游的另一个平截头圆锥体（即负责压力恢复的下游V锥体）。下游V锥体尾部的压力是借助于一个内孔通道系统获得的。产生差压V锥体上游的压力是通过开在上游管壁上的取压口获得的。通过这两个取压口就可以获得两个平截头圆锥体界面两端的压力
18、差（差压）。V锥体能重新分布V锥流量计环形喉部两端的速度分布（剖面）（见图7a）。上述的这种取压方式可以确保在封闭管道的中心处测得V锥体下游的压力P2。（目前有某些结构紧凑型仪表是通过管壁取压来测量P2）。上游的压力P1是在上游管壁上开取压口而测得。（如图4.0所示）。上述的利用中心孔来采集下游的压力具有比传统的差压式流量计都优越的一系列优点，如下所述：（a） 流动调整功能。（b） 较大的量程比（如果管道中的压力足够，量程比约为10:1）。（c） 静态混合功能。（d） 可测湿气体（有一定优势）。 图4V锥流量测量节流装置示意图 图4中各名词术语的译注： H.P. Tapping ：高压取压口（
19、孔）； L.P. Tapping：低压取压口（孔）；Downstream Cone :下游圆锥体； Drill Hole ：钻孔；Differential Producer Cone 发生差压的圆锥体；Tubular Body：管状体； Support Tube + L.P. Outlet 支撑管+低压引出管11.0 V锥流量计流量方程式中的数学常数将一般性的质量连续性方程式用于这种差压式流量计就会得出以下公式：（图5.0）式中：；At=)； 图6.0NuFlo公司的V锥流量计只要以下两条成立，则可以认为结构上的几何相似性将是显然的：（a） 两个平截头圆锥体的角度和长度与原始的V锥体相似。（b
20、） 所有的比率数据与原始V锥流量计的比率数据组相同。同时V锥体与测量管道有很好的同轴度。只要几何相似性的事实成立，则在设计中容许使用如图5所示的V锥流量计的流量方程式。为修正气体密度的变化，在以上公式需要引入因子（系数），根据Dr.M.ReaderHarris和Dr.Robert Peters在NEL的研究工作，得出了如下的系数方程式：在许多流量计算机中都采用此系数的方程式，在其它，如Barton等其它在市场上可买到的小型流量计算机器中更是采用该公式作为标准。11.0 流动调整的效能与结果众所周知，利用同轴安装在一个封闭管道中的V锥体，通过对速度分布的重新分布（整形）容易取得流动调整效能。在一
21、个相当宽的雷诺数范围内都能产生此功能，并且似乎是当远离过渡区时，这种流动调整效能就更显著。所谓过渡区是指在这个ReD区间流型会发生改变。（通常是指ReD为8000到10000之间的过渡）。为展示流动调整功能，于2005年在圣安东尼奥的气体研究院西南分院（SWRI），曾对一个4英寸（口径为100mm）的V锥流量计进行了测试，测试时将不在同一平面的双弯头安装在V锥流量计的上游和下游。将流动调整的效果与基线的数据进行比较。在以下的图9至图11示出了不在同一平面的双弯头和流量计的安装图及测试结果的数据。从图9和图10可以看出：气流从装置经单弯头后先流经孔板，然后经不在同一平面的双弯头后流入V锥流量计，
22、然后再经不在同一平面双弯头及单弯头流回装置。 图9安装尺寸图 图10不在同一平面双弯头测试时安装与配管的照片图11测试数据表明有0.5%的离散度 在图11中，红色实线-Cd值；粗黑线-Cd(Max)Cd最大值；细黑线-Cd(Min) Cd最小值； 蓝色线Average-平均值在左方框中文字的译文：Cd平均离散度的平均值，Cd：+/-0.5%在右方框中文字的译文：Cd平均值的离散度：1%（从最高点到最低点）纵座标；Cd值； 横座标：雷诺数图11中，顶部英文的译文：在西南研究院（SWRI）对4英寸（D=100mm）V锥流量计的测试结果（在不在同一平面双弯头之后）曾经设想在V锥体的后部发生的是小漩涡
23、。随着计算机化的流体动力学（CFD）的出现，可以清楚地看到情况似乎并不全是这样。如图13所示。新的假设是：V锥体就类似像一个船一样会产生尾流，然而漩涡是相当大的，其长度约为V锥体直径的2至3倍，而且经由V锥体的圆周长有大量的漩涡。人们想像差压（P）的低噪声信号可能是由于在孔口的中心轴线的界面处发生相位的互相抵消。如图12和图14所示。 图12（a）V锥体周围的速度向量。在图12（a）方框中英文原文的译文是：通过示出的速度向量表明在V锥流量计的环形喉部的流动调整作用。CFD-计算机化的流体动力学 Separation分离；Flow流向； Wake尾流图12（b）新CFD所展示的流线与部分尾流。
24、图12（c）新CFD所展示的流线全部尾流。图13以前的假设 在图13中，Boundary Layers-边界层；EDGE决定值的V锥体边缘； Flow流向；DP差压； 1/10，W.C.10分之1英寸水柱 图13中，双箭头的说明是：高频、低幅和低噪声的差压信号，其幅值约为2.5mm水柱。图中示出的边界层说明V锥流量计有自保护功能。以前关于V锥体的下游是小漩涡的设想并没有导致错误的结果，利用现代计算机程序直观地预示流体流线所发生的变化并看到一些差别。图12（a）（b）（c）展示了应用Abacus CFD软件所得出的结果。 图14在图14中，Cantilever Support悬壁梁支撑件；Bac
25、k of Cone-V锥体的后面； Wake尾流； Flow-流向V锥流量计能够产生这种低噪声信号的能力是它能够在低差压下使煤层甲烷（CBM）气井正常运行和进行测量的关键和基础。这是因为对于一个深度为400英尺（188米）的煤层甲烷气井，在它的井口处，CBM气体的压力仅有5磅（英寸）2（13巴，即34.475 kPa）。这意味着在差压式流量计的两个取压口之间能被利用的差压仅约为15到20英寸水柱（即380mm到540mm水柱）。事实是：V锥流量计所产生的是一个加在差压计上的很小的信号。V锥流量计能测量气体很小的流量，此流量相应所产生的差压值可以低到1英寸水柱（即25.4mm水柱）。如图16所示
26、。 图16V锥流量计所产生的典型的低噪声信号根据S.Ifft先生在90年代初的研究结果发现：对于一些小口径的孔板流量计，孔板节流装置所产生的叠加在差压平均值上的波动信号，其幅值高达1英寸水柱（25.4mm水柱）。而在一些薄煤层的和接近完成的CBM气井的井口处，可能利用的压力也就这么大。详见图17。 图17对于孔板流量计是典型的高幅值、低频率的噪声信号。其起因是差压取压点处，特别是孔板下游处的大漩涡。12.0 安装条件和湿气体通常情况下，已知V锥节流装置的整套装置可以是较短的（如图3a所示）。由于CBM气井内水柱的结果，导致V锥节流装置的测量管内一直处于湿度恒定不变的状态，而对于孔板这将造成很大
27、的测量难题，其原因是在孔板前会积水。还应该注意到在孔板的后面（下游），在低压取压孔附近会发生液体的团状流动，这将造成相当大的测量误差，如图18所示。以前的研究已经证实：V锥流量计没有这种负的属性。当液体的质量分量为5%时，V锥流量计仍能在原处正常工作，同时对流出系数Cd影响也很小。当V锥体的直径较小时，（例如0.75时）；V锥体将有较小的机会接触到液体，因而不太容易引发测量误差。使用V锥流量计时，没有积液，这是有助于在井口保持准确测量结果的关键因素。详见图19。（在液体质量为5%条件下，对不同值的V锥流量计的测试结果）。 图18使用孔板流量计测量湿气体流量时的测量误差（Sveedman97）在
28、图18中，Homogeneous Model：均相流；Steam，BS 3812：蒸汽，英国标准BS 3812Shell Handbook：壳牌石油的手册Murdock 1000psia：莫多克， 压力为1000磅 / 平方英寸（绝压）Murdock 20 psia：莫多克， 压力为20磅 / 平方英寸（绝压）Beta-0.37, Ting Feb 1993：=0.37，1993年2月Ting的测试数据Beta-0.54, Ting Feb 1993：=0.54，1993年2月Ting的测试数据Beta-0.68, Ting Feb 1993： =0.68，1993年2月Ting的测试数据横坐
29、标：液体的质量分数纵坐标：误差（用%表示） 图19使用V锥流量计测量湿气体流量时的测量误差（Sveedman97）在图19中，纵坐标用%表示的气体流量读值的误差；横坐标值；图19中，Beta：系指V锥流量计的值；ACFM：在实际工况下的流量，其单位是：立方英尺/分；psia：磅 / 平方英寸（绝压）；在图19的右上角方框内的译文是：用氮气和水作被测介质，对1个口径为4英寸（100mm）的V锥流量计作测试时，气体流量的示值误差。在CBM气井生产的早期阶段，如使用一个低压损的流量计，气井就不太可能被阻塞。13.0 管径逐步递增的配管设计（Telescoping Piping Designs）将接到
30、气体压缩机的管道的管径逐步增大，能为CBM生产带来巨大效益。开始时采用3英寸的管径，然后随着供气管线的延伸，管径将逐步增大为4英寸、6英寸、8英寸和10英寸，这样从每一个井可减少系统中的压力降，这样有助于保持一个较高的生产水平来为买方供气。从使用孔板节流装置和传统的单一管径的接管方式，到现在采用V锥流量计的单个井口测量法再加上这种管径递增的接管方式，可以在15%到20%的范围内提升生产水平。这都说明了采用新方法的正确性，再加上如前所述的避免了由于止回阀故障而造成局部井被倒灌（注气）的现象，则为采用此新方法增加了一条更充分的理由。在相类似直径的接管上，每口井基本上都能连接它自己的一组集气管并且随
31、着气田的开发（发展），沿着流程越往下走就采用更大一些直径的管道，这样将有助于减少矿脉（煤层）的倾角，并提升和促进CBM的生产。较小的管径会增大摩阻的影响，而增大管道的摩擦力与阻力就会减少在流量计上可以利用的差压值。而本方案是逐步增大管径，无疑对生产和计量都是有利的。（详见本文末尾的图20）。典型的单个CBM气井井口的单一配管体系如下图所示。 以上图中的Check Valve为止回（单向）阀人造气举（人工抽气）：抽气机在过去曾采用离心式抽气机来从井口抽出CBM气。正确选定流量计的安装地点是十分重要的，通常都将流量计装在压缩机的上游，同时使用一个绝对压力变送器。为防止由流量计产生的热量将水变成水蒸
32、气，从而造成差压误差和流量测量误差，应正确选定仪表的地址和位置。图20管内径逐级递增的配管概念图20中的图例符号：= 装有V锥流量计的井口 止回（单向）阀；4 inch-4 英寸；Gas Flow的红色箭头：表示气体的流动方向。图20中文字最多的一段说明，译文如下：“为防止抽水太快和造成可能的气井故障，通常要合理地调整各个气井之间的间隔距离。”Piping Diameter increasing接管内径逐级增大。To compressor & CTM System接至压缩机及CTM系统。参考文献：共22篇译者注：本文原文于2007年2月在印度召开的国际学术会议“CII Conference”上发表。本文译者在翻译过程中，对原文做了部分的补充、修正和改写。译者于2008年2月15日译改写完
