利用差压式V－锥流量计测量煤层甲烷

利用差压式V锥流量计测量煤层甲烷作者：PhilipA.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30×1012到58×1012）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1／3。（Decker2001）。在落基山脉区域内，未开采的CBM矿源在怀俄明州和蒙大拿州的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“Uinta－Piceance”河流域、科罗拉多州和新墨西哥州的SanJuan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。（Decker2001）。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8.24TCF到22.42TCF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31.8TCF。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1.0TCF。关于在蒙大拿州的Powder河流域中开发煤层甲烷气的环境影响说明书中报告有2.5TCF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50～70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；SubmersiblePump－潜水泵；Coal－煤层；ShallowWaterSand－薄层含水砂；Carbonaceousshale－碳质页岩；ClayStone－粘土岩；GroundLevel－地平面；CementtoSurface－表面为水泥；GammaRayTypeLog－γ射线型测井记录仪；Gastocompressor－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，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（backallocation）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1000MSCF／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）。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5×6.895＝34.475kpa），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）。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，在孔板前有液体积存。d）V锥具有低噪声能力，从节能上看是经济的（在1／10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）。10.0V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