近年來，各個國家都在通過增加煤層甲烷（以下簡稱CBM）的開采而使傳統(tǒng)的能源供給得以增加，在世界各地的薄煤層中都很容易采集到CBM。目前俄羅斯、印度和澳大利亞都正在重新考察這種有效能源。CBM生產(chǎn)者在能源計量方面所面臨的挑戰(zhàn)主要包括：在煤礦井口進行準(zhǔn)確的氣體流量測量的同時，在測量系統(tǒng)的兩端要保持一個低的差壓值；妥善處理流量計測量管段中的濕氣體問題等。筆者根據(jù)在此領(lǐng)域多年的工作經(jīng)驗，特別是關(guān)于使用差壓式流量計的經(jīng)驗，重點介紹利用一種差壓式V錐流量計進行煤層氣計量的情況，在這種流量計中使用雙V錐體作為發(fā)生差壓的一次傳感器。

　　一、氣體測量的基本方法和情況

　　1.氣體測量的基本方法

　　目前使用2種對煤層氣的計量方法并且已獲得認可。一種是單井測量法（圖12a），它帶有小的儀表外殼（防凍箱）；另一種是多股氣流的計量系統(tǒng)（圖12b），它具有較大的豆莢式計量系統(tǒng)室和多個計量管道。

　　2.氣體測量的基本情況

　　采用口徑為2in3和3in的流量計，V錐或孔板（由多個孔板組成的豆莢式計量系統(tǒng)）；被測的體積流量：250～1000MSCF/（d•井）；通常要求的準(zhǔn)確度：±1.5%，重復(fù)性：±0.1%；氣井的生產(chǎn)壽命通常為5～10a（從啟動、投運開始計算）。

圖1　2種計量方法的測量設(shè)備圖（勞倫斯，2000）

　　二、配管的新概念和壓力降

　　對于相當(dāng)?shù)偷木跉怏w壓力，例如只有34.475kPa，決定性的一條是要使壓力降和差壓式流量計所產(chǎn)生的差壓盡可能地達到最小值。由于由系統(tǒng)中的摩擦阻力和差壓損失所造成的對流量計和管線的固有約束，在獲得最佳生產(chǎn)中有一個最好的平衡點。

　　目前的解決方案是采用一種所謂依次逐步遞增管徑的配管方法，以便獲得最大的生產(chǎn)量，同時此方案還有助于防止井之間交叉影響或者通常因某個單向閥有故障造成氣體反注到附近的氣井中。采用V錐流量計的優(yōu)點是它的壓損小，即壓力恢復(fù)較高，在相同的差壓下，V錐的壓力恢復(fù)比典型的孔板節(jié)流設(shè)備要高出20%，還有V錐流量計能在小差壓下工作，并獲得很好的準(zhǔn)確度。

　　在懷俄明州在多個井上，在相似的地質(zhì)條件下曾作過一系列的試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)：在相同的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)，單個的井口計量系統(tǒng)會比采用多孔板的豆莢式計量系統(tǒng)生產(chǎn)出更多的氣體。在一些情況下高出15%～20%。

　　三、V錐流量計的測量原理

　　V錐體能重新分布V錐流量計環(huán)形喉部兩端的速度剖面。如圖2所示，V錐流量計的主要組成部分是在一個帶壓管道（封閉管道的精密測量管）內(nèi)的中心軸線上同軸安裝的平截頭圓錐體形的差壓發(fā)生器（即產(chǎn)生差壓的V錐體）和在其下游的另一個平截頭圓錐體（即負責(zé)壓力恢復(fù)的下游V錐體）。

圖2　V錐流量計節(jié)流設(shè)備示意圖

　　通過在上游管壁上開取壓口測得產(chǎn)生差壓V錐體上游的壓力p1；下游圓錐體尾部的壓力（p2）是通過一個內(nèi)孔通道系統(tǒng)而獲得的（圖2）；這樣，通過2個取壓口可以獲得2個平截頭圓錐體界面兩端的壓力差（差壓）。這種取壓方式可以確保在封閉管道的中心處測得V錐體下游的壓力p2（目前有某些結(jié)構(gòu)緊湊型儀表是通過管壁取壓來測量p2）。這種利用中心孔來采集下游壓力具有比傳統(tǒng)的差壓式流量計優(yōu)越的一系列優(yōu)點：①流動調(diào)整功能強；②較大的量程比（如果管道中的壓力足夠，量程比約為10∶1）；③靜態(tài)混合功能；④可測濕氣體（有一定優(yōu)勢）。

　　四、V錐流量計流量方程式中的數(shù)學(xué)常數(shù)

　　將一般性的質(zhì)量連續(xù)性方程式用于這種差壓式流量計就會得出以下公式：

　　式中：

　　只要以下2個條件成立，則可以認為結(jié)構(gòu)上的幾何相似性將是顯然的。

　?。?）2個平截頭圓錐體的角度和長度與原始的V錐體相似。

　?。?）所有的比率數(shù)據(jù)與原始V錐流量計的比率數(shù)據(jù)組相同。同時V錐體與測量管道有很好的同軸度。

　　只要幾何相似性的事實成立，則在設(shè)計中容許使用式（1）所示的V錐流量計的流量方程式。

　　為修正氣體密度的變化，以上公式需要引入ε系數(shù)，根據(jù)M.Reader Harris和Robert Peters在NEL的研究工作，得出了如下的ε系數(shù)方程式：

　　在許多流量計算機中都采用此ε系數(shù)的方程式，很多在市場上可買到的小型流量計算機中更是采用該ε公式作為標(biāo)準(zhǔn)。

　　五、流動調(diào)整的效能與結(jié)果

　　利用同軸安裝在一個封閉管道中的V錐體，通過對速度分布的重新分布（整形）容易取得流動調(diào)整效能。在一個相當(dāng)寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)都能產(chǎn)生此功能，并且似乎是當(dāng)遠離過渡區(qū)時，這種流動調(diào)整效能就更顯著。所謂過渡區(qū)是指在這個Re區(qū)間流型會發(fā)生改變（通常是指Re為8000～10000）。

　　為展示流動調(diào)整功能，2005年在圣安東尼奧的氣體研究院西南分院（SWRI），曾對一個4in的V錐流量計進行了測試，測試時將不在同一平面的雙彎頭安裝在V錐流量計的上游和下游。將流動調(diào)整的效果與基線的數(shù)據(jù)進行比較。圖3、4示出了不在同一平面的雙彎頭和流量計的安裝圖及測試結(jié)果的數(shù)據(jù)。從圖3可以看出：氣流從設(shè)備經(jīng)單彎頭后先流經(jīng)孔板，然后經(jīng)不在同一平面的雙彎頭后流入V錐流量計，再經(jīng)不在同一平面雙彎頭及單彎頭流回設(shè)備。

圖3　不在同一平面雙彎頭測試時的安裝照片圖

圖4　測試數(shù)據(jù)表明有±0.5%的離散度圖

　　曾經(jīng)設(shè)想在V錐體的后部發(fā)生的是小漩渦。隨著計算機化的流體動力學(xué)（CFD）的出現(xiàn)，可以清楚地看到情況似乎并不全是這樣（如圖5所示）。

圖5　以前的假設(shè)圖

圖6　V錐體周圍的速度向量、新CFD所展示的流線與尾流圖

　　如圖6所示，新的假設(shè)是：V錐體就類似于一個船一樣會產(chǎn)生尾流，然而漩渦是相當(dāng)大的，其長度為V錐體直徑的2～3倍，而且經(jīng)由V錐體的圓周有大量的漩渦。人們想像差壓（Δp）的低噪聲信號可能是由于在孔口的中心軸線的界面處發(fā)生相位的互相抵消（圖6、7）。

圖7 V錐流量計測試圖

　　在圖62a中，通過示出的速度向量表明在V錐流量計的環(huán)形喉部的流動調(diào)整作用。圖5中示出的邊界層說明V錐流量計有自保護功能。以前關(guān)于V錐體的下游是小漩渦的設(shè)想并沒有導(dǎo)致錯誤的結(jié)果，利用現(xiàn)代計算機程序直觀地預(yù)示流體流線所發(fā)生的變化并看到一些差別。圖6（a）、（b）、（c）展示了應(yīng)用Abacus CFD軟件所得出的結(jié)果。

　　V錐流量計能夠產(chǎn)生這種低噪聲信號的能力是它能夠在低差壓下使煤層甲烷氣井正常運行和進行測量的關(guān)鍵和基礎(chǔ)（圖8）。在一個深度為188m的煤層甲烷氣的井口處，CBM氣體的壓力僅有34.475kPa。這意味著在差壓式流量計的兩個取壓口之間能被利用的差壓僅為15～20in水柱。事實是：V錐流量計所產(chǎn)生的是一個加在差壓計上的很小的信號。V錐流量計能測量氣體很小的流量，此流量相應(yīng)所產(chǎn)生的差壓值可以低到1in水柱。

圖8　V錐流量計所產(chǎn)生的典型的低噪聲信號圖

　　而孔板流量計則是典型的高幅值、低頻率的噪聲信號，其起因是差壓取壓點處，特別是孔板下游處的大漩渦（圖9）。根據(jù)SIFFT在20世紀(jì)90年代初的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對于一些小口徑的孔板流量計，孔板節(jié)流設(shè)備所產(chǎn)生的疊加在差壓平均值上的波動信號，其幅值高達1in水柱，而在一些薄煤層和接近完成的CBM氣井的井口處，可能利用的壓力也就這么大（圖9）。

圖9　孔板流量計所產(chǎn)生的噪聲信號

　　六、安裝條件和濕氣體

　　通常情況下，V錐節(jié)流設(shè)備的整套設(shè)備可以是較短的（如圖12a所示）。由于CBM氣井內(nèi)水柱的影響，導(dǎo)致V錐節(jié)流設(shè)備的測量管內(nèi)一直處于濕度恒定不變的狀態(tài)，而對于孔板這將造成很大的測量難題，其原因是在孔板前會積水。還應(yīng)該注意到在孔板的下游，在低壓取壓孔附近會發(fā)生液體的團狀流動，這將造成相當(dāng)大的測量誤差，如圖10所示。

圖10　孔板流量計測量濕氣體的測量誤差圖（Sveedman，1997年）

　　以前的研究已經(jīng)證實：V錐流量計沒有這種負的屬性。當(dāng)液體的質(zhì)量分量為5%時，V錐流量計仍能在原處正常工作，同時對流出系數(shù)Cd影響也很小。當(dāng)V錐體的直徑較小時（例如β=0.75時）；V錐體將有較小的機會接觸到液體，因而不太容易引發(fā)測量誤差。使用V錐流量計時，沒有積液，這是有助于在井口保持準(zhǔn)確測量結(jié)果的關(guān)鍵因素。

　　在CBM氣井生產(chǎn)的早期階段，如果使用一個低壓損的流量計，氣井就不太可能被阻塞。

　　七、管徑逐步遞增的配管設(shè)計

　　將接到氣體壓縮機的管道的管徑逐步增大，能為CBM生產(chǎn)帶來巨大效益。開始時采用3in的管徑，然后隨著供氣管線的延伸，管徑將逐步增大為4in、6in、8in和10in。這樣從每一口井可減少系統(tǒng)中的壓力降，有助于保持一個較高的生產(chǎn)水平來為買方供氣。

　　從使用孔板節(jié)流設(shè)備和傳統(tǒng)的單一管徑的接管方式，到現(xiàn)在采用V錐流量計的單個井口測量法再加上這種管徑遞增的接管方式，可以提高生產(chǎn)水平的15%～20%。這都說明了采用新方法的正確性，再加上如前所述的避免了由于止回閥故障而造成局部井被倒灌（注氣）的現(xiàn)象，則為采用此新方法增加了一條更充分的理由。

　　在相類似直徑的接管上，每口井基本上都能連接它自己的一組集氣管并且隨著氣田的開發(fā)（發(fā)展），沿著流程越往下走就采用更大一些直徑的管道，這樣將有助于減少煤層的傾角，提升和促進CBM的生產(chǎn)。

　　較小的管徑會增大摩阻的影響，而增大管道的摩擦力與阻力將減少在流量計上可以利用的差壓值。本方案是逐步增大管徑，無疑對生產(chǎn)和計量都是有利的（圖11）。典型的單個CBM氣井井口的單一配管體系如圖12所示。

圖11　管內(nèi)徑逐級遞增的配管概念圖

圖12　單個CBM氣井井口的單一配管體系圖

　　在過去曾采用離心式抽氣機來從井口抽出CBM氣。正確選定流量計的安裝地點十分重要，通常都將流量計裝在壓縮機的上游，同時使用一個絕對壓力變送器。為防止由流量計產(chǎn)生的熱量將水變成水蒸氣，從而造成差壓誤差和流量測量誤差，應(yīng)正確選定儀表的地址和位置。