凝析天然氣計量技術(shù)

凝析天然氣計量技術(shù)耿艷峰等凝析天然氣計量技術(shù)Metering Technology for Condensate Natural Gas耿艷峰馮叔初鄭金吾!關(guān)丹慶2呂勇杰2石油大學(xué)(華東)信控學(xué)院自動(dòng)化系1,東營(yíng)257061;長(cháng)慶油田油氣規劃設計院2,西安710021)摘要本文闡述了凝析天然氣流量計量的基本原理,國外多家公司凝析天然氣計量在研技術(shù)的比較,國內外研究現狀及其技術(shù)路線(xiàn),指出部分值得關(guān)注的研究方向,為國內同類(lèi)儀表的研制和選型提供參考。關(guān)鍵詞凝析天然氣流量計在線(xiàn)多相流量計計量技術(shù)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。正因為如此,國內外不少研究機構、JP( joint industry project項目等近年來(lái)已經(jīng)著(zhù)手開(kāi)發(fā)凝析天然氣流凝析天然氣流量計的英文是 Wet Gas meter,國內量計。有時(shí)也翻譯成濕氣流量計。對于凝析天然氣或者濕氣的準確含義國際上還沒(méi)有統一的定義,一般指在工作1國內外多相計量與凝析天然氣計量的研究條件下氣相體積含率大于90%,液相與其它組分體積現狀含率小于10%的氣井產(chǎn)出物。其中液相成份可能由盡管從80年代初至今,多相流計量技術(shù)的開(kāi)發(fā)和攜帶的和由于地面生產(chǎn)系統溫度壓力降低而凝析生成應用已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。截止目前,國際上達到商的烷烴類(lèi)輕組分、飽和水以及為防止水合物形成人工品化程度并且在工業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行過(guò)試驗或應用的多相流加入的注劑等組成;有時(shí)還有部分沙粒鐵屑等固相成量計包括美國Agar公司的Aga30l/401挪威 Roxor公份,所以凝析天然氣計量屬于特殊的多相流測量范疇,司的RFM與 Fluent190vI、中國 Haimo公司的現有的計量技術(shù)一般將它簡(jiǎn)化成氣液兩相流的測量問(wèn)MFM20中國西安交通大學(xué)的TFM00美國MCom題。eter公司的V-Cone、英國 Solartron公司的 DualStream國內外現有的多相流量計大都針對含液率為英國帝國理工大學(xué)的FSMR以及意大利TEA公司的10%~90%的油氣水三相流進(jìn)行測量,在90%的置信VFGA等多相流量計。但是由于這些產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比難概率下,氣、液相測量精度可以達到±10%以?xún)?因此以令客戶(hù)滿(mǎn)意,至今還沒(méi)有一種產(chǎn)品能夠占據明顯的無(wú)法直接用多相流量計計量凝析天然氣產(chǎn)量。如果用技術(shù)優(yōu)勢與市場(chǎng)優(yōu)勢。傳統的單相氣體流量?jì)x表計量凝析天然氣,由于液相目前,國外能夠提供凝析天然氣流量計的廠(chǎng)商非的存在,也會(huì )造成很大的測量誤差。石油天然氣工業(yè)常有限。上述多相流量計中公開(kāi)聲稱(chēng)能夠用于凝析天生產(chǎn)中凝析天然氣的計量方式是將若千口氣井產(chǎn)物集然氣計量的流量計僅有 Solartron、TEA、 Macrometer中到計量站,控制各井產(chǎn)物分時(shí)通過(guò)計量分離器,對分 PECO, Agar五家公司的產(chǎn)品,其中只有 Solartron公司的離后的油氣水進(jìn)行單相倒井計量,生產(chǎn)流程復雜造價(jià)Dul-SeamⅡ流量計已有現場(chǎng)成功應用的報道,其余高并且是斷續計量。公司的產(chǎn)品或者正在進(jìn)行現場(chǎng)試驗或者還處在實(shí)驗室隨著(zhù)海洋、沙漠、極地以及其它邊遠地區油氣田的研發(fā)與改進(jìn)階段。開(kāi)發(fā)建設和老氣田的技術(shù)改造,對簡(jiǎn)化工藝流程降低目前,國內的多相流量計研制還處于起步階段,所生產(chǎn)成本,提高氣藏和氣井的科學(xué)管理水平以及操作推出的產(chǎn)品樣機存在著(zhù)不少問(wèn)題,還沒(méi)有真正的凝析決策的最優(yōu)化等方面都提出了更高的要求。解決在線(xiàn)天然氣流量計。除蘭州海默公司和西安交通大學(xué)兩家實(shí)時(shí)準確測量天然氣、凝析油、水的流量就顯得尤為重能夠提供商品化的多相流量計以外,勝利油田稠油所《自動(dòng)化儀表》第26卷第8期2005年8月與西安交通大學(xué)合作、遼河油田與清華大學(xué)合作研制V-CONE也稱(chēng)作V形內錐式節流件或者內文丘里節的飽和蒸汽流量計也有部分應用。針對多相流體力流件,它是在一段直管的中心固定一個(gè)紡錘形的阻力學(xué)、多相流動(dòng)機理、氣液相間傳熱與傳質(zhì)、油氣水混相件,使管道流通面積發(fā)生變化,產(chǎn)生類(lèi)似文丘里管的節輸送、多相流檢測技術(shù)、層析成像、氣力輸送與混拌等流作用。單相流體的實(shí)驗結果已經(jīng)證明:V-CONE的不同的研究方向,國內天津大學(xué)浙江大學(xué)石油大學(xué)、測量范圍測量精度等指標均好于標準的文丘里管東北大學(xué)、上海交通大學(xué)、中科院、中國農業(yè)大學(xué)等單由于凝析天然氣的流型以光滑分層流分層波浪位也都進(jìn)行過(guò)或者正在進(jìn)行相應的研究工作。流和環(huán)狀流為主,流型的共同特點(diǎn)是液相成分集中在國際上,多相流的基礎理論研究方面,英國曼徹斯管壁附近,氣相成分分布在管道中心與水平管的上半特大學(xué)在流動(dòng)成像、流型分析與判別;帝國理工大學(xué)在部分。標準的節流裝置,如孔板、文丘里管、噴嘴等用流型特征提取與流型自動(dòng)識別、多相流動(dòng)規律;美國的于凝析天然氣流量測量時(shí),將會(huì )由于縮頸以及流體與Tdla大學(xué)在氣液混相輸送、水力熱力計算、管道設計、節流件的碰撞分離效應產(chǎn)生液相斷續通過(guò)節流件的情旋流分離;挪威國家能源技術(shù)研究所在計算流體力學(xué)、況,從而產(chǎn)生很大的附加阻力和差壓波動(dòng),導致測量精多相流動(dòng)模型、多相計量;加拿大阿爾伯塔大學(xué)在氣液度降低。而ⅴ-CONE能夠使凝析氣中的自由液體成反應、氣固流化特性、流動(dòng)規律等方面都進(jìn)行了長(cháng)期分沿管壁無(wú)阻攔的通過(guò)流量計,大大減少了這種影響,的大量的研究工作。多相流的工程應用方面,英國的使差壓的測量值更加平穩準確;同時(shí)也減少了流量計國家工程實(shí)驗室(NEL)是目前業(yè)界公認的工業(yè)多相流本身對流體流型的影響減少了其它測量參數的波動(dòng)。量計權威測試機構,由NEL牽頭的多相流J項目涉2.2 Solartron公司的凝析天然氣流量計及多相流計量、多相流動(dòng)機理管道安全與防護等多個(gè)該流量計2002年底推出時(shí)宜稱(chēng)是“世界上第一款方面的研究工作;挪威的 Roger、Fram美國的 Daniel等,真正的凝析天然氣流量計”,其測量元件采用“混合石油設備、儀器儀表廠(chǎng)商也都投入了大量的人力與財器+雙文丘里管”的形式,混合器的作用是使氣液相之力進(jìn)行相關(guān)的研究工作;由 Shell, Chevron等石油公司間的速度差盡可能小,管道截面的氣液相分布盡可能共同投資的皿項目多年來(lái)一直堅持對多相流的研究均勻,利用多相流體力學(xué)的均相流模型對不同流量系工作進(jìn)行資助。數的文丘里管上得到的差壓信號進(jìn)行運算,獲得氣相由于石油天然氣工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域的質(zhì)量含率,然后由所測混合物總質(zhì)量流量計算得到氣需求推動(dòng),多相流的在線(xiàn)計量技術(shù)仍然是國內外當前液相分相流量,同時(shí)對氣液流量進(jìn)行溫度、壓力補償。以至今后一段時(shí)間內的研究熱點(diǎn),凝析天然氣的在線(xiàn)置信概率為90%時(shí),氣相測量精度為±3%,液相精度計量技術(shù)已經(jīng)引起越來(lái)越多的天然氣生產(chǎn)者、研究者為±7%,基本滿(mǎn)足生產(chǎn)計量需求。和流量計生產(chǎn)廠(chǎng)商的關(guān)注。另?yè)墨I報道: Solartron公司對標準的文丘里管進(jìn)行了許多改進(jìn),如文丘里管的人口角度變化、喉部長(cháng)度2凝析天然氣計量在研技術(shù)比較加長(cháng)等,對雙文丘里的最佳組合、混合器篩選等方面也下面對國內凝析天然氣計量在研技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了相應的工作。的工作原理進(jìn)行比較,其共同點(diǎn)是一次傳感元件以文2.3PEC公司的凝析氣流量計丘里管或者文丘里管的改進(jìn)型為主,充分利用文丘里該流量計采用美國聯(lián)邦能源與環(huán)境實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的管壓降低流量系數對氣液相的流動(dòng)結構不敏感等特加長(cháng)文丘里管測量氣液兩相流技術(shù),兩個(gè)差壓信號分點(diǎn);結合多相流動(dòng)模型與數字信號處理技術(shù),對測量值別取自文丘里管人口與喉部之間的差壓、加長(cháng)段的壓進(jìn)行運算后得到氣液相流量。它們的不同點(diǎn)是有些公降,結合多相流模型進(jìn)行運算得到氣相質(zhì)量含率,進(jìn)一司采用了部分分離技術(shù),首先對凝析天然氣進(jìn)行氣液步得到兩相流量。其測量原理與 Solartron公司的產(chǎn)品分離然后分別用單相儀表進(jìn)行計量;有些使用多種常相同,測量參數也都是流體溫度、壓力和雙差壓信號,規傳感器的組合方式直接對凝析天然氣進(jìn)行計量,如:僅僅是傳感器結構不同而已,實(shí)際上,文丘里管入口也雙文丘里、文丘里與γ射線(xiàn)、文丘里與電容/電感傳感起到了混合器的作用,加長(cháng)的喉部進(jìn)一步保證液相速器等組合方式獲得氣液相流量,并且對常規的傳感器度與氣相速度接近,因此,二者的測量精度不相上下。進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)。24TEA公司的ⅴEGA流量計21McC~ meter的V-CON系列流量計該流量計實(shí)際上采用的是一種部分分離計量技該流量計的最大特點(diǎn)是其傳感器結構的改進(jìn),術(shù),通過(guò)一種結構緊湊的高效氣液分離裝置將凝析天PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 26 No 8 August 2005凝析天然氣計量技術(shù)耿艷峰,等然氣分離成氣液兩相然后分別利用文丘里管、渦輪等問(wèn)題;石油大學(xué)基于CD( computational fluid dynamics)單相計量?jì)x表測量氣相和液相流量,分離后氣相中夾對傳感器結構進(jìn)行優(yōu)化,結合數字信號處理技術(shù)和多帶的少量液相成份通過(guò)一定的經(jīng)驗關(guān)系式或者理論模相流動(dòng)模型研制的凝析天然氣流量計也正在進(jìn)行工業(yè)型進(jìn)行修正,據報道該流量計目前已經(jīng)完成工業(yè)現場(chǎng)現場(chǎng)試驗。試驗。另?yè)PE( society of petroleum engineer文獻報道;挪4結束語(yǔ)威FAMO公司也在其北海油田試驗類(lèi)似工作原理的本文較為詳細地介紹了國內外多相流計量與凝析產(chǎn)品;美國的Tu大學(xué)也將一種結構緊湊的旋流分離天然氣計量的基本技術(shù)現狀,供國內開(kāi)展同類(lèi)研究工器GICC( gas liquid cylindrical cyclone separators)用于低作和儀表選型參考。多相計量技術(shù)與傳統的基于計量含液井流的計量。分離器的油氣井計量技術(shù)相比,在技術(shù)上和經(jīng)濟上都25Agr公司的在線(xiàn)多相流量計與凝析天然氣流量具有較大優(yōu)勢,正在成為海洋沙漠新油氣田開(kāi)發(fā)中首計選的計量技術(shù);也是陸上老油氣田改造,簡(jiǎn)化地面設施Agar-301多相流量計包括一個(gè)渦輪流量計和兩的首選計量技術(shù);經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,多相計量技術(shù)個(gè)文丘里管,順序安裝在豎直向上流動(dòng)的管線(xiàn)上,二次正在步入實(shí)用階段,凝析天然氣的計量技術(shù)已經(jīng)引起儀表根據3個(gè)傳感器的輸出信號計算得到氣體和液體各方面越來(lái)越多的關(guān)注的體積流量;如果還需要測量液相中的含水率,可以通參考文獻過(guò)附加一個(gè)Agr公司的徽波含水監測儀來(lái)完成,該流1MA.W. Jamieson, Multiphase Flow Metering-The Challenge of量計不能用于凝析天然氣計量。Agar-401是部分分Implementation. Exploration and Production, 16 Norty Ses Flow Mea離型多相流量計,結構比較復雜,整個(gè)流量計由一個(gè)小surement Workshop, 1998Mr W. Jamieson, High PeerformanceMultiphase Metering -A Peeron型分離器孔板流量計、控制閥和一臺Agar-301多相al Perspective. Exploration and Production, Norflow Seminar, 1999流量計組成,可以測量凝析天然氣。3 A.W. Jamieson, Multiphase Metering over the Last 20 Years. Explo-3值得關(guān)注的研究方向ation and Production, 1998 North Sea Flow Measurement Workshop4 A.W. Jamieson, Implementation of new technology metering. Explo-由于多相流動(dòng)的復雜性,多相流計量問(wèn)題的徹底ration and Production, Instrument Society of america Oil and Gas Conf,解決還需要相當長(cháng)的時(shí)間,不同公司、廠(chǎng)家采用的技術(shù)1998路線(xiàn)各有千秋。僅就凝析天然氣流量計的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō),5 Geng Y. F, Feng S C, Study on a new type of sensor for wet gas me-ter,2004目前有以下幾個(gè)研究方向值得關(guān)注6 R. N. Steven, Wet gas metering with a horizontally mounted Venturi①利用現有的傳感器、計算機等硬件條件,以軟meter. Flow measurement and Instrumentation 2002件功能的完善補充硬件功能的不足,結合新型的信號7曹學(xué)文,耿艷峰,寇杰林宗虎在線(xiàn)多相流量計測量技術(shù)研究處理技術(shù)和流動(dòng)模型解決凝析天然氣計量問(wèn)題。如中國海上油氣,2002Solartron公司的雙文丘里技術(shù),PCO的加長(cháng)文丘里技8G. Falcone,G.F.Hit. Multiphase Flow Metering: Current Trends術(shù)等;and Future Developments, SPE. Enterprise Oi1, 2001②對已有的多相流量計進(jìn)行改進(jìn),使之能夠適用arviz Mehdizadeh, Jack Marmelli and Ven C Ting. Wet Gas Metering于凝析天然氣的工況,如Agar公司的產(chǎn)品;Trends in Applications and Technical Developments, SPE 77351Chevron Texaco, 2002③對傳統的單相計量?jì)x表進(jìn)行多相流模型修正10 Ahmed B. al- Taweel, Wellsite Wet gas Measurement System in Saudi與算法改進(jìn),解決急需的生產(chǎn)計量問(wèn)題,如英國NEL基于文丘里管的凝析天然氣流量計、國內西安交通大11hem,A.M. Multiphase and Wet Gas Flow Measurement學(xué)、清華大學(xué)利用標準孔板進(jìn)行修正的飽和蒸氣流量計;中國石油天然氣集團公司創(chuàng )新基金賁助項目(編號:W030501)④將結構緊湊的氣液分離器用于凝析天然氣的收稿日期:2005-01-20。計量,如T大學(xué)、TEA公司、FRAM公司的產(chǎn)品;此第一作者耿艷峰,男,196年生,1994年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè),獲碩士學(xué)位,現為石油大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè)在讀博外,英國帝國理工大學(xué)的FSMR小組研究利用常規測士研究生,副教授;主要從事多相計量技術(shù)、數字信號處理、儀表技術(shù)與量信號如溫度、壓力差壓等在兩相流條件下的波動(dòng)特傳感器等方面的研究工作,在儀器儀表學(xué)報、自動(dòng)化儀表、化工自動(dòng)化及性,結合模式識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)解決兩相流的計量?jì)H表等雜志發(fā)表論文十多篇。