天然气计量有关公式剖析

第27卷第6期钻采工艺开采工艺天然气计量有关公式剖析钟水清'2 ,马发明'3熊继有李福德2郭俊2(1西南石油学院2四川石油管理局 3中国石油西南油气分公司)摘要:随着石油天然气企业经济体制改革的深化经营机制的转换以及西部大开发使天然气的应用越来越广泛如何发挥每一立方米天然气的最佳经济效益缓解供需矛盾这对天然气计量工作提出了更高的要求。文中介绍了欧洲、美国燃料市场应用孔板流量计的设计、安装、维修和分析处理方法,以及我国天然气计量系统的误差评定等，以供天然气计量时参考。关键词:天然气计量;孔板流量计;体积流量;测量;分析中图分类号: TE313.8文献标识码: A文章编号: 1006- 768X( 2004 )06- 0055 -05进入21世纪以来随着全球经济-体化的飞速等多因素的影响。因此,这种计量方式不可能充分发展,天然气的需求与质量成为企业在市场竞争中体现天然气按质论价、优质优价的商品交易原则不取胜的关键,质量管理成为企业管理的核心内容。利于科学地、合理地利用有限的天然气资源对供需天然气作为优质、清洁的能源在国民经济建设和人双方都不合理。当今世界上许多国家都已采用能量民生活中起着举足轻重的作用,而作为能源的天然计量作为贸易计量的结算方式。能量计量体现了天气人们主要关注的是它的热值,即能量(发热量)然气测量的质量和数量更科学更先进更能反映天天然气流量是天然气开发生产、集输处理和内外供然气的内在价值。天然气是- -种动态的间接的多参气的主要参数是油气田勘探开发、科研、生产和经数的综合计量。这种计量在整个计量领域中难度是营分析论证的重要依据。在制定或调整天然气开发最大的影响因素最多。比如,目前所使用的孔板流方案、经营管理分析和经济结算等方面制定或调整量就需要测量差压、压力、温度、组分、密度、节流装都是主要依据在企业内部的经营管理、计算和考核置的几何尺寸等参数在计量过程中还要受天然气各类设备的经济技术指标制定或调整远景规划及流动状态的影响。天然气计量只要有一个环节出了年度计划等方面也是不可缺少的数据。因此，天然问题最后的结果就难以保证其准确性。为了更科气流量是一个极其重要的参数天然气流量的测定:学地进行天然气贸易计量，合理地、科学地利用有限是油气田一项极为重要的基础技术工作。由此可的天然气资源我国也应当尽快实施天然气能量计见,计量是监视天然气开发生产、集输处理和供气全量,以维护供需双方的合法利益。本文就天然气计过程的眼睛”是做好各项工作的技术保证,计量与量的有关公式进行剖析。科研生产和企业的经济效益紧密相联。因此，实现天然气计量的有关公式天然气计量的准确性是对计量工作的基本要求。由于历史的原因我国的天然气贸易计量目前仍采用长期以来我国天然气贸易计量均采用体积计体积计量方式,即以立方米为结算单位。众所周知，量方式 即一段时间内天然气流过某一管道截面的天然气是一种看不见摸不着只能感觉得到的物质。体积量(单位为m3》用于天然气体积流量测量的天然气是-种混合物气体除烷烃以外还含有部分流 量计有孔板流量计、超声流量计、涡轮流量计、腰二氧化碳和氮气等不可燃烧的物质,即不产生热值;轮流 量计、旋涡流量计和皮膜流量计等。由于孔板同时天然气的体积计量要受压缩因子、温度、压力流量计用于天然气流量测量已有相当长的历史取收稿日期: 2004-11-02基金项目:本文系国家自然科学基金重大研究计划项目(编号90210022部分成果及西南石油学院基金项目(院236部分成果。作者简介:钟水清高级工程师。毕业于西南石油学院油气井工程专业从事油气井工程的技术研究与管理工作。地址( 610051 )四川省56.钻采工艺2004年得了较丰富的经验制定了较完善的标准经大量研如果按下列术语定义,我们就可以讨论ISO公究表明,只要严格按规定进行设计、制造、检验、安式中每项因子的实际意义。装孔板流量计的基本误差可控制在土1.0%左右;gm为质量流量,kg/s2;Qa为规定或基准条件正因为如此，目前孔板流量计应用最为广泛特别是下的体积流量m? ;孔板节流装置配电动仪表和流量计算机的自动计量a ,a' 为流量系数特定流量系数a=a。F.rpobr ;系统已广泛用于天然气贸易计量。c为给定孔板直径的排出系数,a/E ;1.天然气能量计量( rd2 )4为孔板开孔面积,m2 ;E为速度的渐近天然气能量计量方式在许多发达国家已普遍采修正系数;用。我国目前采用体积流量计量方式,用公式表示ε为流速膨胀系数;F, 为雷诺数系数;为:0p为孔板前后压差,N/m2 ir为粗造度系数;Q= V,x H(1)ρ1为在上游取压口处的气体密度kg/m3 bk为式中:Q-某时间段内天然气总能量MJ或GJ;孔板锐利度系数。V,- -同时间段内天然气标准状态下的体积量,引用上述定义则IS0公式为:m' ;gm= ae( rd2 )C( 20pp1)^]H-天然气的单位发热量,MJ/m'。= CEe( πd2 )/4( 20pp1 y](2)从原理.上讲,天然气能量就是天然气流量和天Bu1= gm/Pi或grb= gm/Pb然气单位发热量的乘积流量可以是体积流量也可a'为流量系数。这是一个通过不同的标准方法以是质量流量还可以是能量流量。目前,国际上普遍使用的天然气能量计量装置试验得出来的数值。这些方法使我们可以运用预先主要由体积流量或质量流量及气分析设备构成。而标定的系数而不用对每单个计量管和孔板进行标直接式的能量流量计尚在研制之中,尚未投入工业定。为计量准确要求对每一个设计、制造、安装和应用。体积流量测量可用前述的任-种流量计;天维护都要满足标准的规定要求。否则,要 确定流量然气发热量的测量则有直接法和间接法(计算法)两系数就必须对计量管进行标定。种方法。直接法对设备、环境要求较高操作复杂，E为流速膨胀系数。它对气体流经孔板时的密但测量原理更为合理,它基本排除了水分影响能直度变化进行修正并且根据气体差静压之比和等熵观地反映天然气实际发热量;间接法主要是由气相指数进行计算。色谱仪分析出天然气组分然后计算天然气发热量,(πd2 )4为孔板开孔面积。通过检验就可以而气相色谱仪又有在线式和离线式两种。看出精确地确定孔板直径的重要性,因为它以平方函数值出现在流量公式中。2.天然气计量的有关公式来源关于天然气计量公式有两个来源，无论是在欧Dp为孔板前后压差。这是在确定精密测量中洲还是在美国的燃料气市场,该公式都占有很重要的关键性的测量变量,而且在应用前面相应的流量的地位。大部分的欧洲市场遵循国际标准组织系数时必须做到取压正确。它是以平方根代入方(ISO)作为他们的天然气计量的基础然而美国和部程式的所以对于精密测量的结果将取决于其数值分欧洲国家又是以美国气体协会气体测量委员会的的大小。.“天然气的孔板计量报告之三”作为他们的计量基ρ1为在.上游取压口处的气体密度。多数情况础。下这个数值并不是以直接测量而是通过压力、温如果两种标准都用相同的设备和修正系数则度、相对密度和可压缩性的测量推导而得到的。在得出的答案将是相同的,因为他们都是以基本的水任何情况下所用的数值务必表示气体在.上游测压力学公式为基础而且都是以同样的实验做法确定处的状态条件。在该取压处,由于该区域内气体分其法兰取压和管式取压的系数,而管式取压方式只布的敏感性要直接测量这个参数是很困难的。在有在美国的气体流量计量时才用到它。事实上,在一般情况下在其他地方进行测量和对已确认的数美国不用法兰取压的公司是极少数的。然而,从技值加以修正考虑是同样可以做到的。而且还可以用术的观点出发任何取压装置其公式和修正系数都数学的方法对于不同的地方加以修正。第27卷第6期钻采工艺57.本条件下应用波义尔( Boyles )及查理( Charls )气体定F,=1+ E/[ 12835dk( hupryA](4)律而定义确定其密度。它基本上是一个基准状态条式中对于法兰取压:件下的数学计算方法。在欧洲, -般都是用的一个E= d[ 830 - 5000β - 9000β2 - 4000β3 + 530/标准但也有例外。然而在美国基准条件下只占其( D)4](5)合同协议中的一部分并且公司之间又都是一样经K是雷诺数R,约为10时的理想常数值。常是按可以变化的情况进行处理。这里所假设的目的是雷诺数事先不知道和无法C为给定孔板直径排出系数。确定的两种情况下,允许流体修正系数的迭代更快E为速度的渐近修正系数。该修正系数是指同更简单。样尺寸孔板不同计量管径对流线变化的修正。Y为膨胀系数。与在ISO公式中的ε膨胀系数C和E都是按标准进行审定的,并且和a一样相同。具有相同的限制。Fu为压力基准系数;用于任何基准压力与为对比起见我们就美国气体协会气体测量委14.73 psi 不同时的修正。可由下式决定:员会的报告之三讨论如下。Fpb= 14.73/合同需要的基准压力( psi) (6)其基本计算公式如下:F。为温度基准系数。用于任何基准温度60°FQn= F.F.YFIpFFjFFpFm.F.F(hwPpY2 (3)不同时的修正。可由下式决定:式中:Qn-在基准条件下流体的流量,fP/h( 1ft3=Fib= 520/实际流动温度(列氏度R)(7)0.0283 m3 );Fg为相对密度系数。用于任何相对密度与Fg-相对密度系数;Fo-基本孔板系数;1.00不同时的修正。它是在相同条件下，该气体重Fpo-超压性系数;F,-雷诺数系数;度与空气重度的比。就这个系数本身而言会有一些Fm- -压力计系数;Y-膨胀系数;差异,因而相对密度的基本定义是气体分子量之比Fa- -孔板热膨胀系数;Fpb- -压力基准系数 ;而只有在气体重度的压缩性考虑按大气压力为零的F。-仪表位置系数F,-温度基准系数;压缩性修正值这两个比值才会相等。在实际的应ho- -在60F下,i( 水柱I lin=25.4 mm ;I°F=用中当其与标准发生变化的时候应考虑这方面修5/9C ,下同)正的要求。F,-流动温度系数ip-静压pis( lpis= 6. 895F为超压性系数。这是对于真实气体偏高于kPa下同)。理想气体定律的修正。通常情况下由表格查取,而通过对每个系数的讨论我们就能看出他们与这个表格是由实验确定或通过复杂公式计算出来ISO标准之间的关系。的。Qn= Qrg为按合同换算为基准条件下的气体体Fm为压力计系数,它并不需要对基本流动方程积流量。的结果进行修正,，但对于压力计式的差压仪表要加F,为基本孔板系数。在给定计量管中流动温以修正。如果使用的是机械式的差压仪表而不是压度为60°F基准温度为60°F基准压力为14.73 psi，力计式的差压仪表时 这个修正系数可不予以修正相对密度为1.00( hupr)?为无穷大,hw/pr比值为而取为1 .00。零时，通过已知孔板的空气立方英尺数( 1f2 =F。为仪表位置系数。事实上是海平面45°纬度0.0283 m3 )在简化条件计算孔板面积求解孔板直上考 虑地心引力而用的一个基准系 数在其他地方,径(inI lin=25.4 mm,下同]时其单位可以用水柱该系数会略有变化。(in),psi ,1b/s(1 lb=0.454 kg) ,及包括在雷诺数为Fa为孔板热膨胀系数。事实上是对于温度变无穷大及速度渐近系数在内的流出系数( K)在孔化较大的情况下在20°确定的孔板直径会略有变化板直径没有改变之前对于某一计量装置允许这些时的修正。数值作为固定不变的常数代入则对于所假设的条h为孔板前后的压差,in( 水柱),与ISO公式相件和实际流动状态的变化进行修正时,Fo 是固定不同。变的。p为在孔板指定取压处气体的静压。在欧洲采钻采工艺2004年在精密测量中无论运用哪一个取压口都是等效的，8Q。但是在美国，使用者们选择的是下游取压因为这种Q,-+().()+(21)(曾)取压其压力值的任何误差都可以通过用雷诺数修正的近似相对误差予以局部的补偿。当使用密度计(二八部”+ (到)+(会)与重量流量测量时美国气体协会的计算公式可以化简为:+4(部)+年(部)+()门W.= 1.0618FBF,X( harYn(8)依据中华人民共和国国家标准SY/T6143 -或用于体积测量时美国气体协会的计算公式1996标准可知:可以化简为:式中:0为流出系数不确定度,当β≤+0.6时，为Qn= I3.873FfFYFnFu hur y2.(9)+0.6% ,当β>0.6时为士β% ;3.天然气计量系统误差评定(1 )已定系统误差。在天然气流量的实际测量o为可膨胀系数不确定度其值为+4%由中部分系统误差在测量过程中可以得到有效控制，北京安控科技发展 有限公司RIU流量计算机及气还可以在测量结果中修正。(如ECHO5000 SCADA体流量实时计算( OP、P为同一单位);监控与数据采集系统,为油气田地面建设自动化工程提供了独特而开放的平台。该系统采用了目前国o为测量内径的不确定度其值为+0.4% ;际上最新的软、硬件技术结合国内油气田生产工艺od为孔板开孔直径的不确定度,其值为士的特点而研制开发的监控系统如计量回路校准可将计量回路的系统误差控制在允许范围内并可确0.07% ;定其误差。O为天然气相对密度测量的不确定度取值土(2床定系统误差。对未定系统误差常常要求以不确定度大小来评价测量结果(若输气干线配备0.5% ;有ECHO5000 SCADA监控与数据采集系统可由E- .为天然气压缩因子测量的不确定度,取值CH05000 SCADA监控与数据采集系统修正)按照土0.5% ;中华人民共和国国家标准《测量误差及数据处理技术规范》JC1027- 91要求及国际惯例间接测定量......为孔板开孔直径比测量管内径,由于的合成不确定度采用方和根方式合成,而合成不确金属材料在现场常用操作温度中(-10至+40定度及其各分量均应用标准差形式来表征依据中之间线膨胀系数变化甚微对孔板开孔直径的误差华人民共和国国家标准SY/T6143- 1996标准可知,可忽略不计,在此情况下(据催晓燕等人应用计算),测量流量的不确定度相当于标准偏差的两倍。因使用d≈d2o即可满足计算精度要求。此求得了流量测量的不确定度就可以得到测量系结束语统的标准偏差。天然气流量的测量是-个间接测量值对于未定系统误差,可以根据天然气流量计算公孔板流量计是实际意义上的质量流量计,作为式对其进行函数误差合成。依据中华人民共和国国体积流量计使用时已是- -种间接方式的流量计。涡家标准《天然气流量的标准孔板计量方法》SY/T6143轮、涡街、漩涡、腰轮等流量计均是体积流量计。由- 1996标准天然气标准体积流量公式为:于天然气体积计量是我国目前的贸易计量结算方式。要用孔板流量计来精确测量天然气气流,那么Qn=匹好Y 2App(天然气标准体积，pe4dPn就必须全面掌握和提供适当的计算公式和各种可变流量基本公式)( 10)因素的影响。如果对计量系统没有一个全面的了Qn= A,CEd FeEFr√P|Ap(根据基本公式导出解花钱是得不到好的测量结果的。我们希望通过的实用公式)(11)对计量公式的剖析,有助于达到领会体积计量公式根据误差理论中的函数误差合成理论(假设C、的重要性。面对新形势的挑战建议中国石油天然ε、d、Ap彼此无关):气总公司应加强新型计量仪表及设备性能评价研第27卷第6期钻采工艺59.化二次计量仪表校准方法研究:国际及国外先进计量、密度和相对密谋的计算方法S] ,1989.量标准跟踪研究。建立现代企业标准计量制度，实[8]中国统计年鉴.000.施国际化运作提高经济效益为中国石油天然气事[9] [美气体加工和供应者协会.气体加工工程数学手册[ M ].北京石油工业出版社,1992.业的发展做出贡献。[10]王俊奇.天然气含水计量的简单方法[J].石油与天然参考文献气化工1994(3).[1]陈赓良.天然气能量计量的有关法制问题J]天然气[11 ] Attani Aetal. Natural gas energy measurement. 1987 479.[ 12] ISO/CD15112. Natural gas - Energy determination 2000.工业20032(1).[ 13] IS0/CD15971- 1. Natural gas - Measurement of properties[2]孙延祚.国际流量计量学术动态及发展趋势[J]天然Combustion properties Part 1 : Caloifie value 2000.气工业2003 2( 1).[ 14 ] Studzinski W ,Kamik U ,Morow Te t al. Revision of ANSI -[3] 诸林等.天然气含水量的公式化计算方法[ J]天然气2530 orifice Meter Standard - Basis of Recommmended Meter工业2003231).Run Length. The 4th Intermational Symposium on Fluid Flow[4]姜笃志等.西气东输管道设计输气量预测J].天然气Measurement ,Dolorado ,USA ,27~ 30 June 1999 ,section 14工业2003 2(4).(5).[5]秦朝葵等.天然气压缩因子的计算与体积计量[ J]天[ 15] David Wiklund etal. Flowmeter Dynamic Response character-然气工业2003 23(6).istics Part 2. Effect in Various Flow Applications Rosenount. [6] 中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6143- 1966 :Inc . Section9 ,The5 th ISFFM 7 ~ 10April ,2002 Arilington天然气流量的标准孔板计量方法S]1996 22 ~ 23.VA ,USA..[7]中华人民共和国国家标准CB11062-89:天然气发热(编辑黄晓川)(上接第 54页)然后往地层中注入氮气 待注入压力稳进行试验。从表1可以看出无论直井还是水平井,定后开始从油管内注入蒸汽根据最佳注入氮气比氮气辅助蒸汽吞吐效果好于蒸汽吞吐效果。直井油例氮气采用注12h停12 h的段塞方式注入。按汽比提高了0.91 ,回采水率提高0. 29 ;冰平井油汽设计注完蒸汽量后先停注蒸汽再注3~5h氮气比提高了 0.46回采水率提高0.13。后进行焖井和放喷。采用一趟管柱的,停喷后下放结论抽油杆柱生产。采用光油管的则下泵生产。( 1 )氮气辅助吞吐是对稠油蒸汽吞吐技术的改现场应用效果进和完善是提高蒸汽吞吐改善油田开发效果的有该工艺在面120-1-平6和面120-1-121井力措施。表1氮气辅助蒸汽吞吐 与蒸汽吞吐生产效果对比表注汽量注氮量周期产液周期产油回采水率有效期井号油汽比/Nm'/m’/t/%'d面120-1-平6196962000208715630.271870.79面120-1-平(2)36860174112040.142040.33小计- 1717+ 345+ 359-0.13- 17+0.46面120-1-121( 2)10185047018613930.461821.37面120-1- 121( 1)2257142210320.17140- 1239+ 441+ 361+0.29+ 42+0.91(2 )该工艺具有简化井下管柱结构降低蒸汽注[2] 李士伦张卿冉新权等.注气提高石油采收率技术入量。提高周期产油量和回采水率的特点。[ M]四川科学技术出版社.[11张锐等稠油执采技术M1北京石油工业出版社