濕天然氣測量技術(shù)及國際標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展

薛國民 陳亮 孫德剛 楊澤皓

1中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院； 2大慶油田有限責(zé)任公司質(zhì)量節(jié)能部

3大慶油田有限責(zé)任公司工程有限公司； 4中國石油天然氣集團(tuán)公司質(zhì)量管理與節(jié)能部

5中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

典型的濕氣是未經(jīng)處理的井口氣或經(jīng)部分處理的天然氣。濕天然氣的測量目的是在一定準(zhǔn)確度范圍內(nèi)獲得氣體流量、烴流量和含水率等。濕天然氣測量主要采用單相流量計、濕氣流量計、多相流流量計計量方法，技術(shù)內(nèi)容包括流量測量原理、修正計算模型、取樣分析等。近年來，美國科羅拉多工程實驗站CEESI、英國國家工程實驗室NEL等國際知名的研究機(jī)構(gòu)和Solartron等流量計生產(chǎn)廠商進(jìn)行了大量濕氣測量技術(shù)和測量標(biāo)準(zhǔn)的研究；國內(nèi)的中國石油大學(xué)、浙江大學(xué)、海默公司等也開展了大量的濕氣測量技術(shù)研究。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO正在編制濕天然氣測量技術(shù)報告，旨在推動和規(guī)范濕天然氣測量技術(shù)的發(fā)展。

1 濕天然氣測量技術(shù)

（1）濕天然氣量化定義。國際上濕氣的量化定義方法主要包括LM參數(shù)法、氣體體積含率法（GVF法）和氣體質(zhì)量含率法（干度法）。通用的定義方法是LM參數(shù)法。國際技術(shù)報告ISO/TC193 SC3 WG2 DTR-2010規(guī)定，LM參數(shù)小于0.3的天然氣、烴和（或）水組成的混合流體稱為濕天然氣。LM參數(shù)定義為管道中單獨(dú)液體流動條件下的液體慣性與管道中單獨(dú)氣體流動條件下的氣體慣性之比的平方根，計算公式如下

式中Ql為液體體積流量（m3/s）；Qg為氣體體積流量（m3/s）； ρl為液體密度（kg/m3）； ρg為氣體密度（kg/m3）

由式（1）可見，XLM越小，液相含率越低。對于XLM很小的濕天然氣，通常采用單相氣體流量計測量氣體流量。對于XLM較大的濕天然氣，通常采用多相流流量計或氣液分離的測量方式。當(dāng)XLM在一定范圍內(nèi)時，可以采用濕天然氣流量計同時獲得氣液兩相的流量。

（2）單相流量計。常用的單相氣體流量計主要有孔板、文丘里管、噴嘴、渦輪、旋進(jìn)漩渦流量計等。美國、荷蘭、挪威等大石油公司和研究機(jī)構(gòu)開展了大量的利用差壓式流量計測量濕氣的實驗研究，研究結(jié)果表明，差壓流量計測量濕天然氣的結(jié)果偏高，需要建立修正模型。典型的修正模型包括孔板測量濕氣修正的Lockhart-Martinell公式、Murdock公式和Chisholm公式[1]，文丘里管測量濕氣修正的De Leeuw公式和Steven公式等[2-3]。國內(nèi)石油大學(xué)、天津大學(xué)等也通過對模擬裝置進(jìn)行研究，獲得了孔板、文丘里管等流量計在一定測量范圍內(nèi)的修正公式。

（3）濕氣流量計。濕天然氣流量計是指能夠?qū)崟r測得氣、液兩相流量的測量裝置，多采用多參數(shù)或雙參數(shù)測量方法，采用兩種或多種傳感器進(jìn)行組合測量，產(chǎn)生包含兩個未知數(shù)的方程，解此方程組得到兩相流量，如采用雙孔板、雙文丘里管組合旋渦流量計等。目前，能夠用于濕氣測量的濕氣流量計有 Solartron、TEA、McCrometer、PECO、Agar、FMC等公司的產(chǎn)品。Solartron公司的DualstreamⅡ型雙差壓流量計測量濕氣，氣相流量測量不確定度可達(dá)到±5%，液相達(dá)±10%；Agar公司的WGM型雙文丘里管加旋渦流量計測量濕氣，氣、液相流量測量不確定度可達(dá)到±2%；FMC公司的One Step型加長文丘里管測量濕氣，氣相流量不確定度可達(dá)±2%，液相達(dá)±6%。國內(nèi)天津大學(xué)、浙江大學(xué)等也進(jìn)行了雙孔板和雙文丘里管雙參數(shù)濕天然氣流量計實驗研究并開發(fā)了產(chǎn)品。

（4）多相流量計。多相流量計定義為能夠同時測得氣相、液相流量以及不同液體組分的流量計。多相流量計以多傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行多參數(shù)組合測量，并通過專用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)自動、連續(xù)、在線測量。多相流量計有兩種測量方式，一種是部分分離測量方式，美國Agar公司的MPFM-400型多相流量計、英國Jiskoot公司基于小型氣液旋流分離器的多相流量計、國內(nèi)蘭州海默公司的MPM2000H型多相流量計是典型的部分分離式多相流量計；另一種是不分離測量方式，它通過兩個或更多傳感器對多相流流速、流體密度或相分布進(jìn)行測量，如挪威Roxar公司開發(fā)的RFM MPFM 1900VI多相流量計和挪威Framo公司的Framo多相流量計。多相流量計一直用于石油天然氣開采行業(yè)油氣水三相流或多相流測量（即XLM＞0.3范圍），濕氣測量（即XLM≤0.3）始終是多相流量計測量技術(shù)的困難領(lǐng)域，測量結(jié)果的誤差明顯大于多相流。

（5）其他測量技術(shù)。除了上述3類流量測量技術(shù)以外，為了準(zhǔn)確獲得濕天然氣的體積流量、質(zhì)量流量或者能量流量，還必須獲得氣相和液相的密度、體積比、組分、熱值等參數(shù)，因此濕天然氣取樣技術(shù)、體積比測量分析技術(shù)、在線組分分析技術(shù)、現(xiàn)場測試修正技術(shù)等都是需要認(rèn)真解決的技術(shù)問題。

2 國際標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

由于濕天然氣測量技術(shù)尚不完善，目前國際上還沒有頒布正式的濕氣測量標(biāo)準(zhǔn)，已頒布的都是濕氣測量技術(shù)建議或技術(shù)報告，主要有兩類：一類是重點(diǎn)闡述多相流測量技術(shù)，其中涉及濕氣測量技術(shù)要求，如挪威油氣測量協(xié)會《多相流測量手冊》、美國阿拉斯加油氣保護(hù)委員會《多相測量原理》、美國石油學(xué)會《多相流測量推薦做法》；另一類是針對濕氣和濕天然氣測量的技術(shù)報告，如美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）《濕氣測量指南》、國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會封閉管道差壓裝置流體流量測量分委會技術(shù)報告（ISO TC30 SC2 DTR-11583，2010）《用差壓裝置測量圓形截面管道濕氣流量》、 國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會天然氣技術(shù)委員會技術(shù)報告（ISO TC193 DTR，2011）《封閉管道濕天然氣測量》。

（1）以多相流測量為重點(diǎn)的技術(shù)手冊和建議。《多相流測量手冊》是于1995年制定發(fā)布的世界上第一個涉及濕氣測量的指導(dǎo)性技術(shù)文件，并于2005年發(fā)布了修訂版。該手冊主要包括多相流測量原理、流型、流量計性能技術(shù)要求、測量不確定度、多相流量計現(xiàn)場安裝和運(yùn)行等內(nèi)容?！抖嘞鄿y量原理》于2004年頒布，主要包括多相測量原理、多相流量計分類、濕氣測量技術(shù)、多相流量計性能等內(nèi)容?！抖嘞嗔鳒y量推薦做法》于2005年9月發(fā)布，主要用于油氣單井產(chǎn)量的測量，內(nèi)容包括多相流測量方式和測量原理、流型、測量不確定度計算方法、流量計的驗收和校準(zhǔn)等方面的內(nèi)容。

（2）ASME《濕氣測量指南》。該指南于2008年發(fā)布，體現(xiàn)了國際上濕氣測量技術(shù)的發(fā)展水平和最新研究成果，它不是只針對天然氣行業(yè)，而是針對整個工業(yè)濕氣（如蒸汽等）的通用技術(shù)報告，內(nèi)容包括濕氣流型、濕氣流量計的分類和工作原理、濕氣測量中的實際問題和推薦做法、測量不確定度等。

（3）ISO TC30《用差壓裝置測量圓形截面管道濕氣流量》。該報告草案于2010年12月投票，于2011年發(fā)布。報告適用于用孔板和文丘里管測量氣體體積含量大于95%的濕氣，氣體包括空氣、氮?dú)?、天然氣、水蒸氣等，液體包括水、煤油、冷凝物等。報告給出了孔板和文丘里管用于濕氣測量的適用條件，設(shè)計、安裝、取壓、修正計算公式、XLM參數(shù)測定方法，不同XLM參數(shù)下的測量不確定度，以及采用示蹤技術(shù)測得液相含率的方法。

（4）ISO TC193《封閉管道濕天然氣測量》。國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會天然氣技術(shù)委員會于2008年7月成立了上游領(lǐng)域濕氣測量工作組（ISO TC193 SC3/WG2），負(fù)責(zé)起草ISO濕天然氣測量技術(shù)報告，并于2010年4月發(fā)布報告草案，2011年1月對報告進(jìn)行了修改。報告名稱為《封閉管道濕天然氣測量》，適用于石油天然氣行業(yè)中的濕天然氣測量。報告主要給出了濕天然氣的定義，流型分類，流量計種類，技術(shù)性能，安裝、使用及維護(hù)的技術(shù)要求和建議。同時對于一些相對成熟的測量技術(shù)，提出了其在濕氣測量應(yīng)用中的限制條件，安裝、校準(zhǔn)和檢定等方面的技術(shù)要求。此技術(shù)報告對于保證濕天然氣測量的準(zhǔn)確可靠具有重要意義，是目前世界上唯一的針對濕天然氣測量的技術(shù)依據(jù)，具有較強(qiáng)的實際指導(dǎo)作用。

3 結(jié)語

我國陸上和海上油氣田在單井、輸配氣站等生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行大量多次的濕天然氣測量，目前絕大多數(shù)測量節(jié)點(diǎn)采用單相流量計測量濕天然氣，在測量工藝、流量計的類型、安裝條件、取樣方法、組分分析以及濕氣修正等方面缺乏理論指導(dǎo)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的支持。我國尚無針對濕天然氣測量的實驗測試裝置，不能開展?jié)裉烊粴饬髁繙y量校準(zhǔn)工作。我國應(yīng)結(jié)合國際濕天然氣測量最新技術(shù)報告的相關(guān)要求，對國內(nèi)濕天然氣測量技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析，建設(shè)濕天然氣實驗測試標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展?jié)裉烊粴鉁y量相關(guān)技術(shù)研究，及時制定我國的濕天然氣測量系列標(biāo)準(zhǔn)。

[1]Chisholm D.Void Fraction during Two phase Flow[J].Journal of Mechanical Engineering Science， 1973， 15（3）： 235-236．

[2]Steven R.Wet gas metering with a horizontally mount-ed Venturimeter[J].Flow measurement and Instrumentation，2002（12）：361-372．

[3]Parviz Mehdizadeh，Jack Marrelli，Ven C.Ting.Wet Gas Metering.Trends in Applications and Technical Developments[C].SPE 77351，2003．