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(mǎn)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(mǎn)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?xún)?nèi),液相測(cè)量誤差在±10%以?xún)?nèi),測(cè)量精度指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)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
1 凝析天然氣兩相流測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介
1.1 凝析天然氣的含義與流量測(cè)量的難度
凝析天然氣(Condensate Natural Gas),也稱(chēng)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 我國(guó)井口天然氣計(jì)量現(xiàn)狀
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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(chǎng)商的極大關(guān)注。
1.3 濕氣實(shí)時(shí)計(jì)量技術(shù)的工作原理分類(lèi)與特點(diǎn)
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(xiàn)測(cè)量技術(shù)
基于分離法的濕氣流量在線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)、文丘里與電容(電感)等組合方式獲得氣液兩相流量。這類(lèi)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(zhuān)人定期注入示蹤劑,取樣離線(xiàn)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(lèi)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]。
2 TTWGF凝析天然氣兩相流量計(jì)
2.1 雙節(jié)流式濕氣流量測(cè)量的基本原理
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Wg為氣相的質(zhì)量流量;W1為液相的質(zhì)量流量;ρg為氣相的工況密度;ρ1為液相的工況密度。
Froude數(shù)(Frg)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Usg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Wtp為干氣質(zhì)量流量。
2.2 雙虛高模型
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(xiàn)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?xún)?nèi)。
3 實(shí)驗(yàn)室性能驗(yàn)證
3.1 流量實(shí)驗(yàn)裝置
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(chēng)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。空氣和水經(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。空氣由放氣閥排出,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?lài)娮熳鳂?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%。
3.2 實(shí)驗(yàn)室性能驗(yàn)證
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(mǎn)度),結(jié)果如圖6所示。
4 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)性能驗(yàn)證
4.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝與比對(duì)
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(xiàn),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(xiàn)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(xiàn),液相流入油水分離罐,分離后,分別由油罐車(chē)和污水車(chē)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(mǎn)系數(shù)第三方軟件進(jìn)行容積的計(jì)算。
4.2 數(shù)據(jù)偏差計(jì)算方法與測(cè)試比對(duì)結(jié)果
累計(jì)氣相偏差計(jì)算公式為:
式中qgc(i)為第i個(gè)小時(shí)的測(cè)試樣機(jī)氣相測(cè)量流量,m3;qgk(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qlc(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(mǎn)罐液相的質(zhì)量,kg;M為積液包累計(jì)灌滿(mǎn)次數(shù)。
4.3 測(cè)試比對(duì)結(jié)果
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?xún)?nèi),液相累計(jì)流量偏差在±10%以?xún)?nèi)。
4.4 用戶(hù)使用測(cè)試結(jié)果
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?xún)?nèi),液相測(cè)量誤差在±10%以?xún)?nèi)。
5 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的比較
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。
6 研究結(jié)論
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?xún)?nèi),平均誤差在1%以?xún)?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?xún)?nèi),液相測(cè)量誤差在±10%以?xún)?nèi),精度指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)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(hù)測(cè)試過(guò)程中,氣相累計(jì)流量偏差在±2%以?xún)?nèi),液相累計(jì)流量偏差在±10%以?xún)?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。
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