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

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(cè)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(cè)量主要采用單相流量計(jì)、濕氣流量計(jì)、多相流流量計(jì)計(jì)量方法，技術(shù)內(nèi)容包括流量測(cè)量原理、修正計(jì)算模型、取樣分析等。近年來(lái)，美國(guó)科羅拉多工程實(shí)驗(yàn)站CEESI、英國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室NEL等國(guó)際知名的研究機(jī)構(gòu)和Solartron等流量計(jì)生產(chǎn)廠商進(jìn)行了大量濕氣測(cè)量技術(shù)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的研究；國(guó)內(nèi)的中國(guó)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(cè)量技術(shù)研究。目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO正在編制濕天然氣測(cè)量技術(shù)報(bào)告，旨在推動(dòng)和規(guī)范濕天然氣測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

1 濕天然氣測(cè)量技術(shù)

（1）濕天然氣量化定義。國(guó)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(guó)際技術(shù)報(bào)告ISO/TC193SC3WG2DTR-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(dòng)條件下的液體慣性與管道中單獨(dú)氣體流動(dòng)條件下的氣體慣性之比的平方根，計(jì)算公式如下

式中Q1為液體體積流量（m3/s）；Qg為氣體體積流量（m3/s）；ρ1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(duì)于XLM很小的濕天然氣，通常采用單相氣體流量計(jì)測(cè)量氣體流量。對(duì)于XLM較大的濕天然氣，通常采用多相流流量計(jì)或氣液分離的測(cè)量方式。當(dāng)XLM在一定范圍內(nèi)時(shí)，可以采用濕天然氣流量計(jì)同時(shí)獲得氣液兩相的流量。

（2）單相流量計(jì)。常用的單相氣體流量計(jì)主要有孔板、文丘里管、噴嘴、渦輪、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)等。美國(guó)、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(jì)測(cè)量濕氣的實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，差壓流量計(jì)測(cè)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(cè)量濕氣修正的Lockhart-Martinell公式、Mur-dock公式和Chisholm公式[1]，文丘里管測(cè)量濕氣修正的DeLeeuw公式和Steven公式等[2-3]。國(guó)內(nèi)石油大學(xué)、天津大學(xué)等也通過(guò)對(duì)模擬裝置進(jìn)行研究，獲得了孔板、文丘里管等流量計(jì)在一定測(cè)量范圍內(nèi)的修正公式。

（3）濕氣流量計(jì)。濕天然氣流量計(jì)是指能夠?qū)崟r(shí)測(cè)得氣、液兩相流量的測(cè)量裝置，多采用多參數(shù)或雙參數(shù)測(cè)量方法，采用兩種或多種傳感器進(jìn)行組合測(cè)量，產(chǎn)生包含兩個(gè)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(jì)等。目前，能夠用于濕氣測(cè)量的濕氣流量計(jì)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(jì)測(cè)量濕氣，氣相流量測(cè)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(jì)測(cè)量濕氣，氣、液相流量測(cè)量不確定度可達(dá)到±2%；FMC公司的OneStep型加長(zhǎng)文丘里管測(cè)量濕氣，氣相流量不確定度可達(dá)±2%，液相達(dá)±6%。國(guó)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(jì)實(shí)驗(yàn)研究并開發(fā)了產(chǎn)品。

（4）多相流量計(jì)。多相流量計(jì)定義為能夠同時(shí)測(cè)得氣相、液相流量以及不同液體組分的流量計(jì)。多相流量計(jì)以多傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行多參數(shù)組合測(cè)量，并通過(guò)專用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)、在線測(cè)量。多相流量計(jì)有兩種測(cè)量方式，一種是部分分離測(cè)量方式，美國(guó)Agar公司的MPFM-400型多相流量計(jì)、英國(guó)Jiskoot公司基于小型氣液旋流分離器的多相流量計(jì)、國(guó)內(nèi)蘭州海默公司的MPM2000H型多相流量計(jì)是典型的部分分離式多相流量計(jì)；另一種是不分離測(cè)量方式，它通過(guò)兩個(gè)或更多傳感器對(duì)多相流流速、流體密度或相分布進(jìn)行測(cè)量，如挪威Roxar公司開發(fā)的RFMMPFM1900VI多相流量計(jì)和挪威Framo公司的Framo多相流量計(jì)。多相流量計(jì)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(cè)量（即XLM＞0.3范圍），濕氣測(cè)量（即XLM≤0.3）始終是多相流量計(jì)測(cè)量技術(shù)的困難領(lǐng)域，測(cè)量結(jié)果的誤差明顯大于多相流。

（5）其他測(cè)量技術(shù)。除了上述3類流量測(cè)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(cè)量分析技術(shù)、在線組分分析技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試修正技術(shù)等都是需要認(rèn)真解決的技術(shù)問題。

2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展
由于濕天然氣測(cè)量技術(shù)尚不完善，目前國(guó)際上還沒有頒布正式的濕氣測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，已頒布的都是濕氣測(cè)量技術(shù)建議或技術(shù)報(bào)告，主要有兩類：一類是重點(diǎn)闡述多相流測(cè)量技術(shù)，其中涉及濕氣測(cè)量技術(shù)要求，如挪威油氣測(cè)量協(xié)會(huì)《多相流測(cè)量手冊(cè)》、美國(guó)阿拉斯加油氣保護(hù)委員會(huì)《多相測(cè)量原理》、美國(guó)石油學(xué)會(huì)《多相流測(cè)量推薦做法》；另一類是針對(duì)濕氣和濕天然氣測(cè)量的技術(shù)報(bào)告，如美國(guó)機(jī)械 工程師協(xié)會(huì)（ASME）《濕氣測(cè)量指南》、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)封閉管道差壓裝置流體流量測(cè)量分委會(huì)技術(shù)報(bào)告（ISOTC30SC2DTR-11583，2010）《用差壓裝置測(cè)量圓形截面管道濕氣流量》、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)天然氣技術(shù)委員會(huì)技術(shù)報(bào)告（ISOTC193DTR，2011）《封閉管道濕天然氣測(cè)量》。

（1）以多相流測(cè)量為重點(diǎn)的技術(shù)手冊(cè)和建議?！抖嘞嗔鳒y(cè)量手冊(cè)》是于1995年制定發(fā)布的世界上第一個(gè)涉及濕氣測(cè)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(cè)主要包括多相流測(cè)量原理、流型、流量計(jì)性能技術(shù)要求、測(cè)量不確定度、多相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝和運(yùn)行等內(nèi)容。《多相測(cè)量原理》于2004年頒布，主要包括多相測(cè)量原理、多相流量計(jì)分類、濕氣測(cè)量技術(shù)、多相流量計(jì)性能等內(nèi)容?！抖嘞嗔鳒y(cè)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(cè)量，內(nèi)容包括多相流測(cè)量方式和測(cè)量原理、流型、測(cè)量不確定度計(jì)算方法、流量計(jì)的驗(yàn)收和校準(zhǔn)等方面的內(nèi)容。

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

（3）ISOTC30《用差壓裝置測(cè)量圓形截面管道濕氣流量》。該報(bào)告草案于2010年12月投票，于2011年發(fā)布。報(bào)告適用于用孔板和文丘里管測(cè)量氣體體積含量大于95%的濕氣，氣體包括空氣、氮?dú)狻⑻烊粴?、水蒸氣等，液體包括水、煤油、冷凝物等。報(bào)告給出了孔板和文丘里管用于濕氣測(cè)量的適用條件，設(shè)計(jì)、安裝、取壓、修正計(jì)算公式、XLM參數(shù)測(cè)定方法，不同XLM參數(shù)下的測(cè)量不確定度，以及采用示蹤技術(shù)測(cè)得液相含率的方法。

（4）ISOTC193《封閉管道濕天然氣測(cè)量》。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)天然氣技術(shù)委員會(huì)于2008年7月成立了上游領(lǐng)域濕氣測(cè)量工作組（ISOTC193SC3/WG2），負(fù)責(zé)起草ISO濕天然氣測(cè)量技術(shù)報(bào)告，并于2010年4月發(fā)布報(bào)告草案，2011年1月對(duì)報(bào)告進(jìn)行了修改。報(bào)告名稱為《封閉管道濕天然氣測(cè)量》，適用于石油天然氣行業(yè)中的濕天然氣測(cè)量。報(bào)告主要給出了濕天然氣的定義，流型分類，流量計(jì)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(shí)對(duì)于一些相對(duì)成熟的測(cè)量技術(shù)，提出了其在濕氣測(cè)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(bào)告對(duì)于保證濕天然氣測(cè)量的準(zhǔn)確可靠具有重要意義，是目前世界上唯一的針對(duì)濕天然氣測(cè)量的技術(shù)依據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)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(cè)量，目前絕大多數(shù)測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用單相流量計(jì)測(cè)量濕天然氣，在測(cè)量工藝、流量計(jì)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(guó)尚無(wú)針對(duì)濕天然氣測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，不能開展?jié)裉烊粴饬髁繙y(cè)量校準(zhǔn)工作。我國(guó)應(yīng)結(jié)合國(guó)際濕天然氣測(cè)量最新技術(shù)報(bào)告的相關(guān)要求，對(duì)國(guó)內(nèi)濕天然氣測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析，建設(shè)濕天然氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展?jié)裉烊粴鉁y(cè)量相關(guān)技術(shù)研究，及時(shí)制定我國(guó)的濕天然氣測(cè)量系列標(biāo)準(zhǔn)。(end)

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