摘要：由于組成和流態(tài)的復(fù)雜性，凝析天然氣測量屬于多相流測量范疇中的特例，準確測量各相流量的大小具有較大難度，現(xiàn)有測量技術(shù)無法滿足凝析天然氣測量對測量范圍、測量精度和實時性的需求。為此，開發(fā)了一種基于內(nèi)錐與文丘里組合的新型雙節(jié)流多級差壓凝析天然氣測量技術(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)，形成雙差壓測量信息，通過虛高模型差異性，滿足了較高的測量精度。實驗室性能驗證和工業(yè)現(xiàn)場性能驗證結(jié)果表明，該技術(shù)的氣相測量誤差在±2%以內(nèi)，液相測量誤差在±10%以內(nèi)，測量精度指標達到甚至超過了國外同類產(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)國際標準詞匯《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，加之濕氣的流動會呈現(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)雜的流動形態(tài)，因此，濕氣的測量屬于多相流測量范疇中的特例。準確測量多相流中各相流量的大小具有較大難度，現(xiàn)有的計量技術(shù)一般將它簡化為氣液兩相的測量問題，并著重針對在工作條件下氣相體積分數(shù)大于90%的氣井產(chǎn)出物進行計量。

1.2.1 井口凝析天然氣的計量現(xiàn)狀

    目前，我國井口天然氣計量現(xiàn)狀主要有以下3種情況：①利用分離法遠端分時計量；②傳統(tǒng)的單相測量儀表計量；③根本不計量。傳統(tǒng)的分離法計量是將若干個氣井產(chǎn)物分別采用獨立管線集中輸送到遠端中心集氣站，由集氣站內(nèi)的氣液分離設(shè)備對分離后的氣液兩相分別進行計量，其流程如圖1所示，通過對進站閥組流程的切換實現(xiàn)遠端天然氣氣井的流量分時測量。這種方法存在流程復(fù)雜、占地廣、設(shè)備龐大、成本高、需要獨立敷設(shè)輸送管線和不能實現(xiàn)對每口井實時計量等問題。

 

    采用傳統(tǒng)的單相氣體流量儀表計量濕氣，由于液相的存在將造成較大的測量誤差。例如利用孔板測量濕氣，液相體積分數(shù)為1%時，會造成約10%的測量誤差。

1.2.2 凝析天然氣兩相流量測量的研究意義

    天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，對簡化工藝流程、降低生產(chǎn)成本、及時了解地質(zhì)信息、提高氣藏和氣井的科學(xué)管理水平、合理開發(fā)與保護天然氣能源、延長氣井生產(chǎn)壽命等都提出了更高的要求^[1～2]，而現(xiàn)有測量技術(shù)無法滿足濕氣測量對測量范圍、測量精度和實時性的需求。因此，凝析天然氣在線檢測新技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義，已經(jīng)引起越來越多的濕氣生產(chǎn)者、流量計研究者和生產(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量技術(shù)

    目前，在國內(nèi)的單井濕氣計量中多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的單相儀表，如漩渦流量計、渦輪流量計和氣體羅茨流量計等。漩渦流量計利用壓電晶體做檢測元件，由于其量程比大，準確度高，抗腐蝕性強，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，由于漩渦流量計屬于流體振蕩型儀表，流速較低時測量受限。此外，由于單井濕氣中液相的存在，流型變化多樣，也會對測量產(chǎn)生較大的影響。渦輪流量計尺寸小，安裝方便，脈沖輸出，近年來國內(nèi)已有渦輪流量計在油氣田上應(yīng)用，同樣，由于液相的存在使得其計量準確性難以保證，且對污染介質(zhì)敏感度高。容積式流量計不受流體密度和黏度的影響，對流體狀態(tài)和速度分布無特殊要求，可在各種雷諾數(shù)條件下使用，具有較高的測量精度，如氣體羅茨流量計，我國的大慶油氣田和塔里木油氣田已有應(yīng)用，但容積式流量計只能對氣液總量進行計量。綜上所述，無論哪一種單相儀表均無法解決氣液兩相流的分相流量計量與總量流量計量問題。

1.3.2 基于分離法的濕氣流量在線測量技術(shù)

    基于分離法的濕氣流量在線測量技術(shù)主要包含簡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，簡單分離器具有更小的體積，內(nèi)部往往含有1個簡單高效氣液分離器。由于這種簡單的分離器與傳統(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行測量。

    分流分相技術(shù)是先通過分配器取樣一部分兩相流體，一般為5%～20%(體積分數(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進行計量，最后根據(jù)分配比例關(guān)系折算成被測兩相流體的流量及組分。該方法存在的問題是取樣部分的兩相流體氣液比率和原流動狀態(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較大。

1.3.3 基于文丘里的組合式濕氣測量技術(shù)

    該測量技術(shù)利用長喉頸文丘里、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Solartron輸力強公司產(chǎn)品為代表，測量元件采用“混合器+雙文丘里管”的形式，并對標準的文丘里管進行了改進，如文丘里管的入口角度變化、喉部長度加長等?；旌掀鞯淖饔檬鞘箽庖簝上嘀g的速度差盡可能小，管道截面的氣液相分布盡可能均勻，對不同文丘里管上的差壓信號進行處理，獲得氣相質(zhì)量分數(shù)。該技術(shù)的局限性在于：①氣相質(zhì)量分數(shù)的求解是基于Murdock的修正方程進行的，而對于各種復(fù)雜的現(xiàn)場條件，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個文丘里管組合，其結(jié)構(gòu)差異性較低，測量特性相近，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文丘里管擴張段易產(chǎn)生回流，使得濕氣虛值模型分叉，無法求解。

1.3.4 基于內(nèi)錐的濕氣測量技術(shù)

    目前，美國McCrometer公司推出的內(nèi)錐系列流量計開始用于濕氣的計量。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)生差壓來測量流量。與傳統(tǒng)的差壓式流量計相比，內(nèi)錐流量計具有壓力損失小、自整流自清掃能力良好、無滯留死區(qū)、要求前后直管段短和抗臟污等優(yōu)點。該技術(shù)測量濕氣的局限性在于：①濕氣的虛值模型采取Steven模型^[3]，同樣存在對復(fù)雜現(xiàn)場工況的適應(yīng)性問題；②對液相含量的測量采用示蹤技術(shù)，即通過專人定期注入示蹤劑，取樣離線分析測得，故測量實時性較差；③由于管道中的壓力高，防泄漏至關(guān)重要，對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，開發(fā)了一種基于內(nèi)錐與文丘里組合的新型雙節(jié)流多級差壓濕氣測量技術(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)，形成雙差壓測量信息，通過虛高模型差異性，實現(xiàn)了較高的測量精度^[4]。

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

 

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量綱相似準則數(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。

    為研究內(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。以DN80mm口徑樣機為例^[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)流裝置組合進行濕氣測量。對于內(nèi)錐節(jié)流裝置，各參數(shù)對虛高的影響表現(xiàn)出了明顯的線性特征，可采用式(4)的形式對內(nèi)錐節(jié)流裝置的虛高模型予以擬合：

 

對于文丘里節(jié)流裝置，其虛高模型在實驗基礎(chǔ)上通過對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)測誤差圖，圖3為文丘里節(jié)流裝置虛高模型預(yù)測誤差圖，兩節(jié)流裝置虛高模型的虛高修正誤差在±1%以內(nèi)。

 

    實驗研究在天津大學(xué)水流量實驗裝置和濕氣實驗裝置上進行。水流量實驗采用質(zhì)量稱重法，精度為0.05%。濕氣流量實驗采用標準表法，精度為1%。

    濕氣流量實驗裝置框圖如圖4所示，使用的兩相介質(zhì)為壓縮空氣和水?？諝庥?臺空氣壓縮機經(jīng)冷干機降溫除濕后送入2個容積均為13m³的儲氣罐。為保證實驗期間氣相壓力穩(wěn)定，儲氣罐和計量管段間配有穩(wěn)壓閥。水由1臺離心式輸泵送入穩(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)過計量管段后，經(jīng)引射器混合后進入實驗管段，并最終流入分離罐進行氣液分離。空氣由放氣閥排出，水流入儲水罐中循環(huán)使用。實驗期間，由工控機負責對所有儀表的數(shù)據(jù)進行采集和顯示，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準表均可通過各自獨立的標準裝置實現(xiàn)良好溯源，因此能夠保證最終實驗數(shù)據(jù)的可靠性。氣相溯源中利用音速噴嘴作標準器，準確度為0.2%，氣體標準裝置不確定度為0.5%，用于標定濕氣實驗中準確度為1%的氣體標準表渦街流量計。液相可溯源到不確定度為0.05%的質(zhì)量法水流量標準裝置，通過該裝置實現(xiàn)對濕氣實驗中使用的液相標準表電磁流量計的標定，確保其準確度為0.2%。

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

    工業(yè)現(xiàn)場選在中國石油西南油氣田公司某油氣礦某井集氣站，時間為2008年11月至2010年3月，現(xiàn)場樣機安裝于集氣站氣液分離罐之前的上游。站內(nèi)有多個進站輸氣管線，分別負責輸送來自天然氣井凝析天然氣。進站后1條管線連接凝析天然氣實驗測試樣機，再進入氣液分離器進行氣液分離，分離出的氣體經(jīng)孔板流量計單相計量后流入出站的匯流排，進入出站管線，液相流入油水分離罐，分離后，分別由油罐車和污水車運出。實驗操作時，通過對進站匯流排前的閥組進行流程切換，實現(xiàn)對不同氣井及其組合的測量，流過實驗樣機的天然氣流量為2×10⁴～10×10⁴m³/d。

 

    氣相參比標準為集氣站內(nèi)分離器后安裝的用于計量干氣的孔板流量計(精度為0.5級)，液相參比為氣液分離器中小罐積液包容積，可根據(jù)遠傳型磁翻板液位計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)第三方軟件進行容積的計算。

    累計氣相偏差計算公式為：

 

式中q_gc(i)為第i個小時的測試樣機氣相測量流量，m³；q_gk(i)為第i個小時的孔板氣相測量流量，m³；N為比對總的小時數(shù)。

    累計液相偏差計算公式為：

 

式中q_lc(j)為第j個小時的測試樣機液相測量流量，m³；K為根據(jù)設(shè)備通2000軟件計算每一滿罐液相的質(zhì)量，kg；M為積液包累計灌滿次數(shù)。

    測試樣機計算的氣液兩相累汁流量與參比標準比較結(jié)果如表1所示。通過對單井或若干井的組合可有效拓寬量程范圍，方便考察對多種復(fù)雜工況組合配比下的適應(yīng)性。比對測量的結(jié)果表明氣相累計流量偏差在±2%以內(nèi)，液相累計流量偏差在±10%以內(nèi)。

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

    實驗室與工業(yè)現(xiàn)場測試結(jié)果表明基于雙節(jié)流裝置的凝析天然氣兩相流量測量技術(shù)已經(jīng)達到了國際先進水平。

    表2為英國Solartron ISA公司、美國Weatherford公司與挪威Roxar公司濕氣流量計產(chǎn)品技術(shù)指標與天津大學(xué)濕氣測量技術(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)流濕氣流量測量裝置能夠形成兩種差異性鮮明的虛高特性，可針對其各自的虛高特點采取相應(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)流裝置組合測量裝置測量濕氣獲得了較高的氣相測量精度。經(jīng)過迭代后測量值基本收斂，氣相測量的相對誤差在±2%以內(nèi)，平均誤差在1%以內(nèi)。

    3) 在天津大學(xué)濕氣流量實驗裝置上的性能測試結(jié)果表明氣相流量測量誤差在±2%以內(nèi)，液相測量誤差在±10%以內(nèi)，精度指標達到甚至超過了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

    4) 在工業(yè)現(xiàn)場實驗白測、比對測試及用戶測試過程中，氣相累計流量偏差在±2%以內(nèi)，液相累計流量偏差在±10%以內(nèi)，相對短時的液塞對總的測量結(jié)果不會產(chǎn)生較大影響。

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