凝析天然气计量技术

凝析天然气计量技术耿艳峰等凝析天然气计量技术Metering Technology for Condensate Natural Gas耿艳峰冯叔初郑金吾!关丹庆2吕勇杰2石油大学(华东)信控学院自动化系1,东营257061;长庆油田油气规划设计院2,西安710021)摘要本文阐述了凝析天然气流量计量的基本原理,国外多家公司凝析天然气计量在研技术的比较,国内外研究现状及其技术路线,指出部分值得关注的研究方向,为国内同类仪表的研制和选型提供参考。关键词凝析天然气流量计在线多相流量计计量技术AbstractThe basic principle of condensate natural gas flowmeter is described and the researching technologies for such flowmeters in many foreigncountries are compared. The current status and technical approaches of the research are described as well as some valuable orientations are proposedThese are worth for reference of study and model selection in our countryKeywords Condensate natural gas flowmeter On line multiple phase flowmeter Metering technology0引言要。正因为如此,国内外不少研究机构、JP( joint industry project项目等近年来已经着手开发凝析天然气流凝析天然气流量计的英文是 Wet Gas meter,国内量计。有时也翻译成湿气流量计。对于凝析天然气或者湿气的准确含义国际上还没有统一的定义,一般指在工作1国内外多相计量与凝析天然气计量的研究条件下气相体积含率大于90%,液相与其它组分体积现状含率小于10%的气井产出物。其中液相成份可能由尽管从80年代初至今,多相流计量技术的开发和携带的和由于地面生产系统温度压力降低而凝析生成应用已经取得了重要进展。截止目前,国际上达到商的烷烃类轻组分、饱和水以及为防止水合物形成人工品化程度并且在工业现场进行过试验或应用的多相流加入的注剂等组成;有时还有部分沙粒铁屑等固相成量计包括美国Agar公司的Aga30l/401挪威 Roxor公份,所以凝析天然气计量属于特殊的多相流测量范畴,司的RFM与 Fluent190vI、中国 Haimo公司的现有的计量技术一般将它简化成气液两相流的测量问MFM20中国西安交通大学的TFM00美国MCom题。eter公司的V-Cone、英国 Solartron公司的 DualStream国内外现有的多相流量计大都针对含液率为英国帝国理工大学的FSMR以及意大利TEA公司的10%~90%的油气水三相流进行测量,在90%的置信VFGA等多相流量计。但是由于这些产品的性价比难概率下,气、液相测量精度可以达到±10%以内,因此以令客户满意,至今还没有一种产品能够占据明显的无法直接用多相流量计计量凝析天然气产量。如果用技术优势与市场优势。传统的单相气体流量仪表计量凝析天然气,由于液相目前,国外能够提供凝析天然气流量计的厂商非的存在,也会造成很大的测量误差。石油天然气工业常有限。上述多相流量计中公开声称能够用于凝析天生产中凝析天然气的计量方式是将若千口气井产物集然气计量的流量计仅有 Solartron、TEA、 Macrometer中到计量站,控制各井产物分时通过计量分离器,对分 PECO, Agar五家公司的产品,其中只有 Solartron公司的离后的油气水进行单相倒井计量,生产流程复杂造价Dul-SeamⅡ流量计已有现场成功应用的报道,其余高并且是断续计量。公司的产品或者正在进行现场试验或者还处在实验室随着海洋、沙漠、极地以及其它边远地区油气田的研发与改进阶段。开发建设和老气田的技术改造,对简化工艺流程降低目前,国内的多相流量计研制还处于起步阶段,所生产成本,提高气藏和气井的科学管理水平以及操作推出的产品样机存在着不少问题,还没有真正的凝析决策的最优化等方面都提出了更高的要求。解决在线天然气流量计。除兰州海默公司和西安交通大学两家实时准确测量天然气、凝析油、水的流量就显得尤为重能够提供商品化的多相流量计以外,胜利油田稠油所《自动化仪表》第26卷第8期2005年8月与西安交通大学合作、辽河油田与清华大学合作研制V-CONE也称作V形内锥式节流件或者内文丘里节的饱和蒸汽流量计也有部分应用。针对多相流体力流件,它是在一段直管的中心固定一个纺锤形的阻力学、多相流动机理、气液相间传热与传质、油气水混相件,使管道流通面积发生变化,产生类似文丘里管的节输送、多相流检测技术、层析成像、气力输送与混拌等流作用。单相流体的实验结果已经证明:V-CONE的不同的研究方向,国内天津大学浙江大学石油大学、测量范围测量精度等指标均好于标准的文丘里管东北大学、上海交通大学、中科院、中国农业大学等单由于凝析天然气的流型以光滑分层流分层波浪位也都进行过或者正在进行相应的研究工作。流和环状流为主,流型的共同特点是液相成分集中在国际上,多相流的基础理论研究方面,英国曼彻斯管壁附近,气相成分分布在管道中心与水平管的上半特大学在流动成像、流型分析与判别;帝国理工大学在部分。标准的节流装置,如孔板、文丘里管、喷嘴等用流型特征提取与流型自动识别、多相流动规律;美国的于凝析天然气流量测量时,将会由于缩颈以及流体与Tdla大学在气液混相输送、水力热力计算、管道设计、节流件的碰撞分离效应产生液相断续通过节流件的情旋流分离;挪威国家能源技术研究所在计算流体力学、况,从而产生很大的附加阻力和差压波动,导致测量精多相流动模型、多相计量;加拿大阿尔伯塔大学在气液度降低。而ⅴ-CONE能够使凝析气中的自由液体成反应、气固流化特性、流动规律等方面都进行了长期分沿管壁无阻拦的通过流量计,大大减少了这种影响,的大量的研究工作。多相流的工程应用方面,英国的使差压的测量值更加平稳准确;同时也减少了流量计国家工程实验室(NEL)是目前业界公认的工业多相流本身对流体流型的影响减少了其它测量参数的波动。量计权威测试机构,由NEL牵头的多相流J项目涉2.2 Solartron公司的凝析天然气流量计及多相流计量、多相流动机理管道安全与防护等多个该流量计2002年底推出时宜称是“世界上第一款方面的研究工作;挪威的 Roger、Fram美国的 Daniel等,真正的凝析天然气流量计”,其测量元件采用“混合石油设备、仪器仪表厂商也都投入了大量的人力与财器+双文丘里管”的形式,混合器的作用是使气液相之力进行相关的研究工作;由 Shell, Chevron等石油公司间的速度差尽可能小,管道截面的气液相分布尽可能共同投资的皿项目多年来一直坚持对多相流的研究均匀,利用多相流体力学的均相流模型对不同流量系工作进行资助。数的文丘里管上得到的差压信号进行运算,获得气相由于石油天然气工业、化学工业、核工业等领域的质量含率,然后由所测混合物总质量流量计算得到气需求推动,多相流的在线计量技术仍然是国内外当前液相分相流量,同时对气液流量进行温度、压力补偿。以至今后一段时间内的研究热点,凝析天然气的在线置信概率为90%时,气相测量精度为±3%,液相精度计量技术已经引起越来越多的天然气生产者、研究者为±7%,基本满足生产计量需求。和流量计生产厂商的关注。另据文献报道: Solartron公司对标准的文丘里管进行了许多改进,如文丘里管的人口角度变化、喉部长度2凝析天然气计量在研技术比较加长等,对双文丘里的最佳组合、混合器筛选等方面也下面对国内凝析天然气计量在研技术与相关产品进行了相应的工作。的工作原理进行比较,其共同点是一次传感元件以文2.3PEC公司的凝析气流量计丘里管或者文丘里管的改进型为主,充分利用文丘里该流量计采用美国联邦能源与环境实验室开发的管压降低流量系数对气液相的流动结构不敏感等特加长文丘里管测量气液两相流技术,两个差压信号分点;结合多相流动模型与数字信号处理技术,对测量值别取自文丘里管人口与喉部之间的差压、加长段的压进行运算后得到气液相流量。它们的不同点是有些公降,结合多相流模型进行运算得到气相质量含率,进一司采用了部分分离技术,首先对凝析天然气进行气液步得到两相流量。其测量原理与 Solartron公司的产品分离然后分别用单相仪表进行计量;有些使用多种常相同,测量参数也都是流体温度、压力和双差压信号,规传感器的组合方式直接对凝析天然气进行计量,如:仅仅是传感器结构不同而已,实际上,文丘里管入口也双文丘里、文丘里与γ射线、文丘里与电容/电感传感起到了混合器的作用,加长的喉部进一步保证液相速器等组合方式获得气液相流量,并且对常规的传感器度与气相速度接近,因此,二者的测量精度不相上下。进行了不同程度的改进。24TEA公司的ⅴEGA流量计21McC~ meter的V-CON系列流量计该流量计实际上采用的是一种部分分离计量技该流量计的最大特点是其传感器结构的改进,术,通过一种结构紧凑的高效气液分离装置将凝析天PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 26 No 8 August 2005凝析天然气计量技术耿艳峰,等然气分离成气液两相然后分别利用文丘里管、涡轮等问题;石油大学基于CD( computational fluid dynamics)单相计量仪表测量气相和液相流量,分离后气相中夹对传感器结构进行优化,结合数字信号处理技术和多带的少量液相成份通过一定的经验关系式或者理论模相流动模型研制的凝析天然气流量计也正在进行工业型进行修正,据报道该流量计目前已经完成工业现场现场试验。试验。另据SPE( society of petroleum engineer文献报道;挪4结束语威FAMO公司也在其北海油田试验类似工作原理的本文较为详细地介绍了国内外多相流计量与凝析产品;美国的Tu大学也将一种结构紧凑的旋流分离天然气计量的基本技术现状,供国内开展同类研究工器GICC( gas liquid cylindrical cyclone separators)用于低作和仪表选型参考。多相计量技术与传统的基于计量含液井流的计量。分离器的油气井计量技术相比,在技术上和经济上都25Agr公司的在线多相流量计与凝析天然气流量具有较大优势,正在成为海洋沙漠新油气田开发中首计选的计量技术;也是陆上老油气田改造,简化地面设施Agar-301多相流量计包括一个涡轮流量计和两的首选计量技术;经过20多年的发展,多相计量技术个文丘里管,顺序安装在竖直向上流动的管线上,二次正在步入实用阶段,凝析天然气的计量技术已经引起仪表根据3个传感器的输出信号计算得到气体和液体各方面越来越多的关注的体积流量;如果还需要测量液相中的含水率,可以通参考文献过附加一个Agr公司的徽波含水监测仪来完成,该流1MA.W. Jamieson, Multiphase Flow Metering-The Challenge of量计不能用于凝析天然气计量。Agar-401是部分分Implementation. Exploration and Production, 16 Norty Ses Flow Mea离型多相流量计,结构比较复杂,整个流量计由一个小surement Workshop, 1998Mr W. Jamieson, High PeerformanceMultiphase Metering -A Peeron型分离器孔板流量计、控制阀和一台Agar-301多相al Perspective. Exploration and Production, Norflow Seminar, 1999流量计组成,可以测量凝析天然气。3 A.W. Jamieson, Multiphase Metering over the Last 20 Years. Explo-3值得关注的研究方向ation and Production, 1998 North Sea Flow Measurement Workshop4 A.W. Jamieson, Implementation of new technology metering. Explo-由于多相流动的复杂性,多相流计量问题的彻底ration and Production, Instrument Society of america Oil and Gas Conf,解决还需要相当长的时间,不同公司、厂家采用的技术1998路线各有千秋。仅就凝析天然气流量计的开发来说,5 Geng Y. F, Feng S C, Study on a new type of sensor for wet gas me-ter,2004目前有以下几个研究方向值得关注6 R. N. Steven, Wet gas metering with a horizontally mounted Venturi①利用现有的传感器、计算机等硬件条件,以软meter. Flow measurement and Instrumentation 2002件功能的完善补充硬件功能的不足,结合新型的信号7曹学文,耿艳峰,寇杰林宗虎在线多相流量计测量技术研究处理技术和流动模型解决凝析天然气计量问题。如中国海上油气,2002Solartron公司的双文丘里技术,PCO的加长文丘里技8G. Falcone,G.F.Hit. Multiphase Flow Metering: Current Trends术等;and Future Developments, SPE. Enterprise Oi1, 2001②对已有的多相流量计进行改进,使之能够适用arviz Mehdizadeh, Jack Marmelli and Ven C Ting. Wet Gas Metering于凝析天然气的工况,如Agar公司的产品;Trends in Applications and Technical Developments, SPE 77351Chevron Texaco, 2002③对传统的单相计量仪表进行多相流模型修正10 Ahmed B. al- Taweel, Wellsite Wet gas Measurement System in Saudi与算法改进,解决急需的生产计量问题,如英国NEL基于文丘里管的凝析天然气流量计、国内西安交通大11hem,A.M. Multiphase and Wet Gas Flow Measurement学、清华大学利用标准孔板进行修正的饱和蒸气流量计;中国石油天然气集团公司创新基金贲助项目(編号:W030501)④将结构紧凑的气液分离器用于凝析天然气的收稿日期:2005-01-20。计量,如T大学、TEA公司、FRAM公司的产品;此第一作者耿艳峰,男,196年生,1994年毕业于哈尔滨工业大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,现为石油大学石油工程专业在读博外,英国帝国理工大学的FSMR小组研究利用常规测士研究生,副教授;主要从事多相计量技术、数字信号处理、仪表技术与量信号如温度、压力差压等在两相流条件下的波动特传感器等方面的研究工作,在仪器仪表学报、自动化仪表、化工自动化及性,结合模式识别神经网络等技术解决两相流的计量仅表等杂志发表论文十多篇。