摘要：由于組成和流態(tài)的復(fù)雜性，凝析天然氣測(cè)量屬于多相流測(cè)量范疇中的特例，準(zhǔn)確測(cè)量各相流量的大小具有較大難度，現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)無(wú)法滿足凝析天然氣測(cè)量對(duì)測(cè)量范圍、測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性的需求。為此，開(kāi)發(fā)了一種基于內(nèi)錐與文丘里組合的新型雙節(jié)流多級(jí)差壓凝析天然氣測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)考慮了內(nèi)錐邊壁收縮與文丘里中心收縮的特性，將兩者上下游串聯(lián)，形成雙差壓測(cè)量信息，通過(guò)虛高模型差異性，滿足了較高的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)室性能驗(yàn)證和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)性能驗(yàn)證結(jié)果表明，該技術(shù)的氣相測(cè)量誤差在±2%以內(nèi)，液相測(cè)量誤差在±10%以內(nèi)，測(cè)量精度指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：凝析天然氣；雙節(jié)流裝置；多級(jí)差壓；內(nèi)錐；文丘里；虛高；誤差

    凝析天然氣(Condensate Natural Gas)，也稱濕氣(Wet Gas)，屬于氣液兩相流的一種特殊形態(tài)，廣泛存在于許多工業(yè)領(lǐng)域中。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)詞匯《天然氣詞匯》(ISO 14532—2000)，凝析天然氣是指水蒸氣、游離水、液態(tài)烴等組分的含量顯著高于管輸要求的天然氣。濕氣的形成往往是由于地面生產(chǎn)系統(tǒng)的溫度和壓力降低而致，有時(shí)濕氣里還混有部分沙粒、鐵屑等固相成分以及人為加入的防止水合物形成的注劑等，加之濕氣的流動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)霧狀流、環(huán)狀流、分層波狀流、段塞流甚至單相氣體與單相液體交替出現(xiàn)等多種復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)，因此，濕氣的測(cè)量屬于多相流測(cè)量范疇中的特例。準(zhǔn)確測(cè)量多相流中各相流量的大小具有較大難度，現(xiàn)有的計(jì)量技術(shù)一般將它簡(jiǎn)化為氣液兩相的測(cè)量問(wèn)題，并著重針對(duì)在工作條件下氣相體積分?jǐn)?shù)大于90%的氣井產(chǎn)出物進(jìn)行計(jì)量。

1.2.1 井口凝析天然氣的計(jì)量現(xiàn)狀

    目前，我國(guó)井口天然氣計(jì)量現(xiàn)狀主要有以下3種情況：①利用分離法遠(yuǎn)端分時(shí)計(jì)量；②傳統(tǒng)的單相測(cè)量?jī)x表計(jì)量；③根本不計(jì)量。傳統(tǒng)的分離法計(jì)量是將若干個(gè)氣井產(chǎn)物分別采用獨(dú)立管線集中輸送到遠(yuǎn)端中心集氣站，由集氣站內(nèi)的氣液分離設(shè)備對(duì)分離后的氣液兩相分別進(jìn)行計(jì)量，其流程如圖1所示，通過(guò)對(duì)進(jìn)站閥組流程的切換實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端天然氣氣井的流量分時(shí)測(cè)量。這種方法存在流程復(fù)雜、占地廣、設(shè)備龐大、成本高、需要獨(dú)立敷設(shè)輸送管線和不能實(shí)現(xiàn)對(duì)每口井實(shí)時(shí)計(jì)量等問(wèn)題。

 

    采用傳統(tǒng)的單相氣體流量?jī)x表計(jì)量濕氣，由于液相的存在將造成較大的測(cè)量誤差。例如利用孔板測(cè)量濕氣，液相體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，會(huì)造成約10%的測(cè)量誤差。

1.2.2 凝析天然氣兩相流量測(cè)量的研究意義

    天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)簡(jiǎn)化工藝流程、降低生產(chǎn)成本、及時(shí)了解地質(zhì)信息、提高氣藏和氣井的科學(xué)管理水平、合理開(kāi)發(fā)與保護(hù)天然氣能源、延長(zhǎng)氣井生產(chǎn)壽命等都提出了更高的要求^[1～2]，而現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)無(wú)法滿足濕氣測(cè)量對(duì)測(cè)量范圍、測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性的需求。因此，凝析天然氣在線檢測(cè)新技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，已經(jīng)引起越來(lái)越多的濕氣生產(chǎn)者、流量計(jì)研究者和生產(chǎn)廠商的極大關(guān)注。

1.3.1 基于傳統(tǒng)單相儀表的濕氣流量測(cè)量技術(shù)

    目前，在國(guó)內(nèi)的單井濕氣計(jì)量中多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的單相儀表，如漩渦流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和氣體羅茨流量計(jì)等。漩渦流量計(jì)利用壓電晶體做檢測(cè)元件，由于其量程比大，準(zhǔn)確度高，抗腐蝕性強(qiáng)，不受溫度、壓力、密度和黏度的影響，在蒸氣霧狀流中已取得了成功應(yīng)用。然而，由于漩渦流量計(jì)屬于流體振蕩型儀表，流速較低時(shí)測(cè)量受限。此外，由于單井濕氣中液相的存在，流型變化多樣，也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生較大的影響。渦輪流量計(jì)尺寸小，安裝方便，脈沖輸出，近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有渦輪流量計(jì)在油氣田上應(yīng)用，同樣，由于液相的存在使得其計(jì)量準(zhǔn)確性難以保證，且對(duì)污染介質(zhì)敏感度高。容積式流量計(jì)不受流體密度和黏度的影響，對(duì)流體狀態(tài)和速度分布無(wú)特殊要求，可在各種雷諾數(shù)條件下使用，具有較高的測(cè)量精度，如氣體羅茨流量計(jì)，我國(guó)的大慶油氣田和塔里木油氣田已有應(yīng)用，但容積式流量計(jì)只能對(duì)氣液總量進(jìn)行計(jì)量。綜上所述，無(wú)論哪一種單相儀表均無(wú)法解決氣液兩相流的分相流量計(jì)量與總量流量計(jì)量問(wèn)題。

1.3.2 基于分離法的濕氣流量在線測(cè)量技術(shù)

    基于分離法的濕氣流量在線測(cè)量技術(shù)主要包含簡(jiǎn)單分離器法和分流分相法兩類技術(shù)。

    與傳統(tǒng)的分離器相比，簡(jiǎn)單分離器具有更小的體積，內(nèi)部往往含有1個(gè)簡(jiǎn)單高效氣液分離器。由于這種簡(jiǎn)單的分離器與傳統(tǒng)的大型分離器相比分離效果仍顯不足，因此分離后的液相仍然存在兩種相態(tài)，需要使用兩相或三相儀表進(jìn)行測(cè)量。

    分流分相技術(shù)是先通過(guò)分配器取樣一部分兩相流體，一般為5%～20%(體積分?jǐn)?shù))，并借助小型分離器將其分離成單相氣體和單相液體，再分別用單相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，最后根據(jù)分配比例關(guān)系折算成被測(cè)兩相流體的流量及組分。該方法存在的問(wèn)題是取樣部分的兩相流體氣液比率和原流動(dòng)狀態(tài)中的比率未必一致，取樣比率常數(shù)本身受流型和流量波動(dòng)的影響，往往與期望值存在一定差異；此外，該方法的體積和壓力損失相對(duì)較大。

1.3.3 基于文丘里的組合式濕氣測(cè)量技術(shù)

    該測(cè)量技術(shù)利用長(zhǎng)喉頸文丘里、雙文丘里、文丘里與γ射線、文丘里與電容(電感)等組合方式獲得氣液兩相流量。這類方法以英國(guó)Solartron輸力強(qiáng)公司產(chǎn)品為代表，測(cè)量元件采用“混合器+雙文丘里管”的形式，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的文丘里管進(jìn)行了改進(jìn)，如文丘里管的入口角度變化、喉部長(zhǎng)度加長(zhǎng)等。混合器的作用是使氣液兩相之間的速度差盡可能小，管道截面的氣液相分布盡可能均勻，對(duì)不同文丘里管上的差壓信號(hào)進(jìn)行處理，獲得氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)。該技術(shù)的局限性在于：①氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的求解是基于Murdock的修正方程進(jìn)行的，而對(duì)于各種復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)條件，該模型的適用性將受到限制；②公式復(fù)雜，且文丘里管管徑不同，節(jié)流比不同，采取同一擬合形式的推廣性受到限制；③由于采用2個(gè)文丘里管組合，其結(jié)構(gòu)差異性較低，測(cè)量特性相近，量程精度與量程范圍受限，液相含量的分辨率較低；④上游混合器附加了額外的壓力損失；⑤文丘里管擴(kuò)張段易產(chǎn)生回流，使得濕氣虛值模型分叉，無(wú)法求解。

1.3.4 基于內(nèi)錐的濕氣測(cè)量技術(shù)

    目前，美國(guó)McCrometer公司推出的內(nèi)錐系列流量計(jì)開(kāi)始用于濕氣的計(jì)量。它利用同軸安裝在管道中的“V”形尖圓錐，將流體逐漸地節(jié)流收縮到管道內(nèi)壁，并在錐體前后產(chǎn)生差壓來(lái)測(cè)量流量。與傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)相比，內(nèi)錐流量計(jì)具有壓力損失小、自整流自清掃能力良好、無(wú)滯留死區(qū)、要求前后直管段短和抗臟污等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)測(cè)量濕氣的局限性在于：①濕氣的虛值模型采取Steven模型^[3]，同樣存在對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)工況的適應(yīng)性問(wèn)題；②對(duì)液相含量的測(cè)量采用示蹤技術(shù)，即通過(guò)專人定期注入示蹤劑，取樣離線分析測(cè)得，故測(cè)量實(shí)時(shí)性較差；③由于管道中的壓力高，防泄漏至關(guān)重要，對(duì)裝置可靠性要求更高，因此這類技術(shù)不適用于條件惡劣的工況。

1.3.5 基于雙節(jié)流技術(shù)的濕氣測(cè)量技術(shù)

    2008年天津大學(xué)研制了TTWGF凝析天然氣兩相流量計(jì)，開(kāi)發(fā)了一種基于內(nèi)錐與文丘里組合的新型雙節(jié)流多級(jí)差壓濕氣測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)考慮了內(nèi)錐邊壁收縮與文丘里中心收縮的特性，將兩者上下游串聯(lián)，形成雙差壓測(cè)量信息，通過(guò)虛高模型差異性，實(shí)現(xiàn)了較高的測(cè)量精度^[4]。

    經(jīng)典濕氣測(cè)量模型中通常包含“L-M”參數(shù)和Froude數(shù)等關(guān)鍵影響因素。“L-M”參數(shù)是對(duì)氣液兩相流中液相相對(duì)含量的非空間描述^[5]，通常用X表示，其表達(dá)式為：

 

式中W_g為氣相的質(zhì)量流量；W₁為液相的質(zhì)量流量；ρ_g為氣相的工況密度；ρ₁為液相的工況密度。

    Froude數(shù)(F_rg)為表征氣體慣性力與重力之比的無(wú)量綱相似準(zhǔn)則數(shù)^[5]，反映了氣體的表觀速度、壓力等諸多因素的內(nèi)在聯(lián)系，具體表達(dá)式如下：

 

式中U_sg為氣相表觀速度，且有；g為重力加速度；D為管道直徑。

    虛高的定義如式(3)所示：

 

式中W_tp為干氣質(zhì)量流量。

    為研究?jī)?nèi)錐與文丘里的虛高特性，研制了DN50mm、DN65mm、DN80mm和DN100mm口徑共6套樣機(jī)。以DN80mm口徑樣機(jī)為例^[4]，節(jié)流比為0.75的內(nèi)錐節(jié)流裝置和節(jié)流比為0.40的文丘里節(jié)流裝置組合進(jìn)行濕氣測(cè)量。對(duì)于內(nèi)錐節(jié)流裝置，各參數(shù)對(duì)虛高的影響表現(xiàn)出了明顯的線性特征，可采用式(4)的形式對(duì)內(nèi)錐節(jié)流裝置的虛高模型予以擬合：

 

對(duì)于文丘里節(jié)流裝置，其虛高模型在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)Deleeuw模型^[6]修正獲得，即采用式(5)的形式予以擬合：

 

   圖2為內(nèi)錐節(jié)流裝置虛高模型預(yù)測(cè)誤差圖，圖3為文丘里節(jié)流裝置虛高模型預(yù)測(cè)誤差圖，兩節(jié)流裝置虛高模型的虛高修正誤差在±1%以內(nèi)。

 

    實(shí)驗(yàn)研究在天津大學(xué)水流量實(shí)驗(yàn)裝置和濕氣實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行。水流量實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量稱重法，精度為0.05%。濕氣流量實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法，精度為1%。

    濕氣流量實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖4所示，使用的兩相介質(zhì)為壓縮空氣和水?？諝庥?臺(tái)空氣壓縮機(jī)經(jīng)冷干機(jī)降溫除濕后送入2個(gè)容積均為13m³的儲(chǔ)氣罐。為保證實(shí)驗(yàn)期間氣相壓力穩(wěn)定，儲(chǔ)氣罐和計(jì)量管段間配有穩(wěn)壓閥。水由1臺(tái)離心式輸泵送入穩(wěn)壓水塔上，采用水塔溢流方式為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的液相壓力?？諝夂退?jīng)過(guò)計(jì)量管段后，經(jīng)引射器混合后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管段，并最終流入分離罐進(jìn)行氣液分離?？諝庥煞艢忾y排出，水流入儲(chǔ)水罐中循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)期間，由工控機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)所有儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示，并控制各調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)氣相和液相流量。

 

    由于濕氣裝置所采用的標(biāo)準(zhǔn)表均可通過(guò)各自獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)良好溯源，因此能夠保證最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。氣相溯源中利用音速噴嘴作標(biāo)準(zhǔn)器，準(zhǔn)確度為0.2%，氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度為0.5%，用于標(biāo)定濕氣實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確度為1%的氣體標(biāo)準(zhǔn)表渦街流量計(jì)。液相可溯源到不確定度為0.05%的質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，通過(guò)該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)濕氣實(shí)驗(yàn)中使用的液相標(biāo)準(zhǔn)表電磁流量計(jì)的標(biāo)定，確保其準(zhǔn)確度為0.2%。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濕氣質(zhì)量含氣率(GMF)為60%～100%時(shí)，氣相流量測(cè)量誤差限不大于±2%(讀數(shù))，結(jié)果如圖5所示，液相測(cè)量誤差限不大于±10%(滿度)，結(jié)果如圖6所示。

    工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)選在中國(guó)石油西南油氣田公司某油氣礦某井集氣站，時(shí)間為2008年11月至2010年3月，現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)安裝于集氣站氣液分離罐之前的上游。站內(nèi)有多個(gè)進(jìn)站輸氣管線，分別負(fù)責(zé)輸送來(lái)自天然氣井凝析天然氣。進(jìn)站后1條管線連接凝析天然氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)，再進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行氣液分離，分離出的氣體經(jīng)孔板流量計(jì)單相計(jì)量后流入出站的匯流排，進(jìn)入出站管線，液相流入油水分離罐，分離后，分別由油罐車和污水車運(yùn)出。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，通過(guò)對(duì)進(jìn)站匯流排前的閥組進(jìn)行流程切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣井及其組合的測(cè)量，流過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的天然氣流量為2×10⁴～10×10⁴m³/d。

 

    氣相參比標(biāo)準(zhǔn)為集氣站內(nèi)分離器后安裝的用于計(jì)量干氣的孔板流量計(jì)(精度為0.5級(jí))，液相參比為氣液分離器中小罐積液包容積，可根據(jù)遠(yuǎn)傳型磁翻板液位計(jì)換算出積液容積的大小，并使用設(shè)備通2000臥式容器充滿系數(shù)第三方軟件進(jìn)行容積的計(jì)算。

    累計(jì)氣相偏差計(jì)算公式為：

 

式中q_gc(i)為第i個(gè)小時(shí)的測(cè)試樣機(jī)氣相測(cè)量流量，m³；q_gk(i)為第i個(gè)小時(shí)的孔板氣相測(cè)量流量，m³；N為比對(duì)總的小時(shí)數(shù)。

    累計(jì)液相偏差計(jì)算公式為：

 

式中q_lc(j)為第j個(gè)小時(shí)的測(cè)試樣機(jī)液相測(cè)量流量，m³；K為根據(jù)設(shè)備通2000軟件計(jì)算每一滿罐液相的質(zhì)量，kg；M為積液包累計(jì)灌滿次數(shù)。

    測(cè)試樣機(jī)計(jì)算的氣液兩相累汁流量與參比標(biāo)準(zhǔn)比較結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)單井或若干井的組合可有效拓寬量程范圍，方便考察對(duì)多種復(fù)雜工況組合配比下的適應(yīng)性。比對(duì)測(cè)量的結(jié)果表明氣相累計(jì)流量偏差在±2%以內(nèi)，液相累計(jì)流量偏差在±10%以內(nèi)。

    2010年初橇裝式凝析天然氣兩相流量計(jì)在巾國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦合川區(qū)塊開(kāi)始使用，從為期1a的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)看，計(jì)量效果較好，氣相測(cè)量誤差在±2%以內(nèi)，液相測(cè)量誤差在±10%以內(nèi)。

    實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明基于雙節(jié)流裝置的凝析天然氣兩相流量測(cè)量技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

    表2為英國(guó)Solartron ISA公司、美國(guó)Weatherford公司與挪威Roxar公司濕氣流量計(jì)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)與天津大學(xué)濕氣測(cè)量技術(shù)水平的比較。

    1) 基于流體邊壁收縮的內(nèi)錐與流體中心收縮的文丘里雙節(jié)流濕氣流量測(cè)量裝置能夠形成兩種差異性鮮明的虛高特性，可針對(duì)其各自的虛高特點(diǎn)采取相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型體現(xiàn)其虛高規(guī)律。

    2) 以DN50mm口徑樣機(jī)為例，節(jié)流比為0.75的內(nèi)錐節(jié)流裝置和節(jié)流比為0.40的文丘里節(jié)流裝置組合測(cè)量裝置測(cè)量濕氣獲得了較高的氣相測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)迭代后測(cè)量值基本收斂，氣相測(cè)量的相對(duì)誤差在±2%以內(nèi)，平均誤差在1%以內(nèi)。

    3) 在天津大學(xué)濕氣流量實(shí)驗(yàn)裝置上的性能測(cè)試結(jié)果表明氣相流量測(cè)量誤差在±2%以內(nèi)，液相測(cè)量誤差在±10%以內(nèi)，精度指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

    4) 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)白測(cè)、比對(duì)測(cè)試及用戶測(cè)試過(guò)程中，氣相累計(jì)流量偏差在±2%以內(nèi)，液相累計(jì)流量偏差在±10%以內(nèi)，相對(duì)短時(shí)的液塞對(duì)總的測(cè)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

[1] WILLIAMS J，Status of multiphase flow measurement research[C]∥paper 28515-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，25 28 September 1994，New Orleans，Louisiana，USA.New York：SPE，1994.

[2] ROACH G J，WATT J S，zAsTAWNY H W，et al.Trials of a Gamma-ray multiphase meter on oil production pipelines at Thevenard Island[C]∥paper 28816-MS presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference，7-10 November 1994，Melbourne，Australia.New York：SPE，1994.

[3] STEWART D G，HODGES D，STEVEN R，et al.Wet gas metering with V-Cone meters[R].[s.l.]：North Sea Meas urement Workshop 2002，paper N0.4.2.

[4] 張強(qiáng).基于雙節(jié)流裝置的濕氣流量測(cè)量研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[5] LOCKHART R W，MARTINELLI R C.Proposed correlation of data for isothermal two phase，two-component flow in pipes[J].Chem Eng Prog，1949，45：39-48.

[6] DE LEEUW D.wet Gas flow measurement using a combination of Venturi meter and a tracer technique[R].[s.l.]：North Sea Measurement Workshop.1994.