[导读] 美国的煤层气生产者在煤层气计量方面面临的挑战主要包括：在煤层气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；要妥善处理流量计测量管段中的湿气体问题等。差压式
V锥流量计独特的结构使其具有较强的流动调整能力，可测湿气体，能在低差压下测量煤层气等显著优点，已在美国的煤层气工业开采中得到了大量的应用。管径逐步递增的配管设计方案不仅为煤层气生产带来巨大效益，而且可以防止各井之间的交叉影响或者通常因某个单向阀有故障造成气体反注到附近的气井中。
近年来，各个国家都在通过增加煤层甲烷（以下简称CBM）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CBM。目前俄罗斯、印度和澳大利亚都正在重新考察这种有效能源。CBM生产者在能源计量方面所面临的挑战主要包括：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；妥善处理流量计测量管段中的湿气体问题等。笔者根据在此领域多年的工作经验，特别是关于使用差压式流量计的经验，重点介绍利用一种差压式V锥流量计进行煤层气计量的情况，在这种流量计中使用双V锥体作为发生差压的一次传感器。
一、气体测量的基本方法和情况
1.气体测量的基本方法
目前使用2种对煤层气的计量方法并且已获得认可。一种是单井测量法（图12a），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（图12b），它具有较大的豆荚式计量系统室和多个计量管道。
2.气体测量的基本情况
采用口径为2in3和3in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：250～1000MSCF/（d•井）；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5～10a（从启动、投运开始计算）。
图1 2种计量方法的测量装置图（劳伦斯，2000）
二、配管的新概念和压力降
对于相当低的井口气体压力，例如只有34.475kPa，决定性的一条是要使压力降和差压式流量计所产生的差压尽可能地达到最小值。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某个单向阀有故障造成气体反注到附近的气井中。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。在一些情况下高出15%～20%。
三、V锥流量计的测量原理
V锥体能重新分布V锥流量计环形喉部两端的速度剖面。如图2所示，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）。
图2 V锥流量计节流装置示意图
通过在上游管壁上开取压口测得产生差压V锥体上游的压力p1；下游圆锥体尾部的压力（p2）是通过一个内孔通道系统而获得的（图2）；这样，通过2个取压口可以获得2个平截头圆锥体界面两端的压力差（差压）。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）。这种利用中心孔来采集下游压力具有比传统的差压式流量计优越的一系列优点：①流动调整功能强；②较大的量程比（如果管道中的压力足够，量程比约为10∶1）；③静态混合功能；④可测湿气体（有一定优势）。
四、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：
式中：
只要以下2个条件成立，则可以认为结构上的几何相似性将是显然的。
（1）2个平截头圆锥体的角度和长度与原始的V锥体相似。
（2）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式（1）所示的V锥流量计的流量方程式。
为修正气体密度的变化，以上公式需要引入ε系数，根据M.Reader Harris和Robert Peters在NEL的研究工作，得出了如下的ε系数方程式：
在许多流量计算机中都采用此ε系数的方程式，很多在市场上可买到的小型流量计算机中更是采用该ε公式作为标准。
五、流动调整的效能与结果
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Re区间流型会发生改变（通常是指Re为8000～10000）。
为展示流动调整功能，2005年在圣安东尼奥的气体研究院西南分院（SWRI），曾对一个4in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。图3、4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3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，再经不在同一平面双弯头及单弯头流回装置。
图3 不在同一平面双弯头测试时的安装照片图
图4 测试数据表明有±0.5%的离散度图
曾经设想在V锥体的后部发生的是小漩涡。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5所示）。
图5 以前的假设图
图6 V锥体周围的速度向量、新CFD所展示的流线与尾流图
如图6所示，新的假设是：V锥体就类似于一个船一样会产生尾流，然而漩涡是相当大的，其长度为V锥体直径的2～3倍，而且经由V锥体的圆周有大量的漩涡。人们想像差压（Δp）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（图6、7）。
图7 V锥流量计测试图
在图62a中，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。图5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6（a）、（b）、（c）展示了应用Abacus CFD软件所得出的结果。
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气井正常运行和进行测量的关键和基础（图8）。在一个深度为188m的煤层甲烷气的井口处，CBM气体的压力仅有34.475kPa。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为15～20in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1in水柱。
图8 V锥流量计所产生的典型的低噪声信号图
而孔板流量计则是典型的高幅值、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（图9）。根据SIFFT在20世纪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1in水柱，而在一些薄煤层和接近完成的CBM气井的井口处，可能利用的压力也就这么大（图9）。
图9 孔板流量计所产生的噪声信号
六、安装条件和湿气体
通常情况下，V锥节流装置的整套装置可以是较短的（如图12a所示）。由于CBM气井内水柱的影响，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10所示。
图10 孔板流量计测量湿气体的测量误差图（Sveedman，1997年）
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β=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。
在CBM气井生产的早期阶段，如果使用一个低压损的流量计，气井就不太可能被阻塞。
七、管径逐步递增的配管设计
将接到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3in的管径，然后随着供气管线的延伸，管径将逐步增大为4in、6in、8in和10in。这样从每一口井可减少系统中的压力降，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，可以提高生产水平的15%～20%。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，这样将有助于减少煤层的倾角，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将减少在流量计上可以利用的差压值。本方案是逐步增大管径，无疑对生产和计量都是有利的（图11）。典型的单个CBM气井井口的单一配管体系如图12所示。
图11 管内径逐级递增的配管概念图
图12 单个CBM气井井口的单一配管体系图
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十分重要，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