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濕天然氣測量技術(shù)及標準化研究進展
濕天然氣的測量目的是在一定準確度范圍內(nèi)獲得氣體流量、烴流量和含水率等,。濕天然氣測量主要采用單相流量計、濕氣流量計,、多相流流量計計量方法,，技術(shù)內(nèi)容包括流量測量原理、修正計算模型,、取樣分析等,。目前上還沒有頒布正式的濕氣測量標準，已頒布的都是濕氣測量技術(shù)建議或技術(shù)報告,，主要有兩類：一類是重點闡述多相流測量技術(shù),，另一類是針對濕氣和濕天然氣測量的技術(shù)報告。我國應(yīng)結(jié)合濕天然氣測量技術(shù)報告的相關(guān)要求,，對國內(nèi)濕天然氣測量技術(shù)現(xiàn)狀進行調(diào)查分析,，建設(shè)濕天然氣實驗測試標準裝置，開展?jié)裉烊粴鉁y量相關(guān)技術(shù)研究,，及時制定我國的濕天然氣測量系列標準,。
關(guān)鍵字： 濕天然氣；測量,；標準化,；流量計
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。濕天然氣的測量目的是在一定準確度范圍內(nèi)獲得氣體流量,、烴流量和含水率等,。濕天然氣測量主要采用單相流量計、濕氣流量計,、多相流流量計計量方法,，技術(shù)內(nèi)容包括流量測量原理、修正計算模型,、取樣分析等,。近年來,，美國科羅拉多工程實驗站CEESI、英國國家工程實驗室NEL等的研究機構(gòu)和Solartron等流量計生產(chǎn)廠商進行了大量濕氣測量技術(shù)和測量標準的研究,；國內(nèi)的中國石油大學(xué),、浙江大學(xué)、海默公司等也開展了大量的濕氣測量技術(shù)研究,。目前,，標準化組織ISO正在編制濕天然氣測量技術(shù)報告，旨在推動和規(guī)范濕天然氣測量技術(shù)的發(fā)展,。
1 濕天然氣測量技術(shù)
（1）濕天然氣量化定義,。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,。技術(shù)報告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)定義為管道中單獨液體流動條件下的液體慣性與管道中單獨氣體流動條件下的氣體慣性之比的平方根，計算公式如下
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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。對于XLM很小的濕天然氣,，通常采用單相氣體流量計測量氣體流量,。對于XLM較大的濕天然氣，通常采用多相流流量計或氣液分離的測量方式,。當XLM在一定范圍內(nèi)時,，可以采用濕天然氣流量計同時獲得氣液兩相的流量。
（2）單相流量計,。常用的單相氣體流量計主要有孔板,、文丘里管、噴嘴,、渦輪,、旋進漩渦流量計等。美國,、荷蘭,、挪威等大石油公司和研究機構(gòu)開展了大量的利用差壓式流量計測量濕氣的實驗研究，研究結(jié)果表明，差壓流量計測量濕天然氣的結(jié)果偏高,，需要建立修正模型,。典型的修正模型包括孔板測量濕氣修正的Lockhart-Martinell公式、Mur-dock公式和Chisholm公式[1],，文丘里管測量濕氣修正的DeLeeuw公式和Steven公式等[2-3],。國內(nèi)石油大學(xué)、天津大學(xué)等也通過對模擬裝置進行研究,，獲得了孔板,、文丘里管等流量計在一定測量范圍內(nèi)的修正公式。
（3）濕氣流量計,。濕天然氣流量計是指能夠?qū)崟r測得氣,、液兩相流量的測量裝置，多采用多參數(shù)或雙參數(shù)測量方法,，采用兩種或多種傳感器進行組合測量,，產(chǎn)生包含兩個未知數(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等,。目前,，能夠用于濕氣測量的濕氣流量計有Solartron、TEA,、McCrometer,、PECO、Agar,、FMC等公司的產(chǎn)品,。Solartron公司的DualstreamⅡ型雙差壓流量計測量濕氣，氣相流量測量不確定度可達到±5%,，液相達±10%,；Agar公司的WGM型雙文丘里管加旋渦流量計測量濕氣，氣,、液相流量測量不確定度可達到±2%,；FMC公司的OneStep型加長文丘里管測量濕氣，氣相流量不確定度可達±2%,，液相達±6%,。國內(nèi)天津大學(xué)、浙江大學(xué)等也進行了雙孔板和雙文丘里管雙參數(shù)濕天然氣流量計實驗研究并開發(fā)了產(chǎn)品,。
（4）多相流量計,。多相流量計定義為能夠同時測得氣相、液相流量以及不同液體組分的流量計。多相流量計以多傳感器為基礎(chǔ)進行多參數(shù)組合測量,，并通過微機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理分析,，實現(xiàn)自動、連續(xù),、在線測量,。多相流量計有兩種測量方式，一種是部分分離測量方式,，美國Agar公司的MPFM-400型多相流量計,、英國Jiskoot公司基于小型氣液旋流分離器的多相流量計、國內(nèi)蘭州海默公司的MPM2000H型多相流量計是典型的部分分離式多相流量計,；另一種是不分離測量方式,，它通過兩個或更多傳感器對多相流流速、流體密度或相分布進行測量,，如挪威Roxar公司開發(fā)的RFMMPFM1900VI多相流量計和挪威Framo公司的Framo多相流量計,。多相流量計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量（即XLM＞0.3范圍），濕氣測量（即XLM≤0.3）始終是多相流量計測量技術(shù)的困難領(lǐng)域,，測量結(jié)果的誤差明顯大于多相流,。
（5）其他測量技術(shù)。除了上述3類流量測量技術(shù)以外,，為了準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),、體積比測量分析技術(shù)、在線組分分析技術(shù),、現(xiàn)場測試修正技術(shù)等都是需要認真解決的技術(shù)問題,。
2 標準研究進展
由于濕天然氣測量技術(shù)尚不完善，目前上還沒有頒布正式的濕氣測量標準,，已頒布的都是濕氣測量技術(shù)建議或技術(shù)報告,，主要有兩類：一類是重點闡述多相流測量技術(shù)，其中涉及濕氣測量技術(shù)要求,，如挪威油氣測量協(xié)會《多相流測量手冊》,、美國阿拉斯加油氣保護委員會《多相測量原理》、美國石油學(xué)會《多相流測量推薦做法》,；另一類是針對濕氣和濕天然氣測量的技術(shù)報告,，如美國機械 工程師協(xié)會（ASME）《濕氣測量指南》,、標準化委員會封閉管道差壓裝置流體流量測量分委會技術(shù)報告（ISOTC30SC2DTR-11583，2010）《用差壓裝置測量圓形截面管道濕氣流量》,、標準化委員會天然氣技術(shù)委員會技術(shù)報告（ISOTC193DTR,，2011）《封閉管道濕天然氣測量》。
（1）以多相流測量為重點的技術(shù)手冊和建議,?！抖嘞嗔鳒y量手冊》是于1995年制定發(fā)布的世界上*個涉及濕氣測量的指導(dǎo)性技術(shù)文件，并于2005年發(fā)布了修訂版,。該手冊主要包括多相流測量原理,、流型、流量計性能技術(shù)要求,、測量不確定度,、多相流量計現(xiàn)場安裝和運行等內(nèi)容?！抖嘞鄿y量原理》于2004年頒布,，主要包括多相測量原理、多相流量計分類,、濕氣測量技術(shù),、多相流量計性能等內(nèi)容?！抖嘞嗔鳒y量推薦做法》于2005年9月發(fā)布,，主要用于油氣單井產(chǎn)量的測量，內(nèi)容包括多相流測量方式和測量原理,、流型,、測量不確定度計算方法,、流量計的驗收和校準等方面的內(nèi)容,。
（2）ASME《濕氣測量指南》。該指南于2008年發(fā)布,，體現(xiàn)了上濕氣測量技術(shù)的發(fā)展水平和研究成果,，它不是只針對天然氣行業(yè)，而是針對整個工業(yè)濕氣（如蒸汽等）的通用技術(shù)報告,，內(nèi)容包括濕氣流型,、濕氣流量計的分類和工作原理、濕氣測量中的實際問題和推薦做法,、測量不確定度等,。
（3）ISOTC30《用差壓裝置測量圓形截面管道濕氣流量》。該報告草案于2010年12月投票,，于2011年發(fā)布,。報告適用于用孔板和文丘里管測量氣體體積含量大于95%的濕氣，氣體包括空氣、氮氣,、天然氣,、水蒸氣等，液體包括水,、煤油,、冷凝物等。報告給出了孔板和文丘里管用于濕氣測量的適用條件,，設(shè)計,、安裝、取壓,、修正計算公式,、XLM參數(shù)測定方法，不同XLM參數(shù)下的測量不確定度,，以及采用示蹤技術(shù)測得液相含率的方法,。
（4）ISOTC193《封閉管道濕天然氣測量》。標準化委員會天然氣技術(shù)委員會于2008年7月成立了上游領(lǐng)域濕氣測量工作組（ISOTC193SC3/WG2）,，負責起草ISO濕天然氣測量技術(shù)報告,，并于2010年4月發(fā)布報告草案，2011年1月對報告進行了修改,。報告名稱為《封閉管道濕天然氣測量》,，適用于石油天然氣行業(yè)中的濕天然氣測量。報告主要給出了濕天然氣的定義,，流型分類,，流量計種類，技術(shù)性能,，安裝,、使用及維護的技術(shù)要求和建議。同時對于一些相對成熟的測量技術(shù),，提出了其在濕氣測量應(yīng)用中的限制條件,，安裝、校準和檢定等方面的技術(shù)要求,。此技術(shù)報告對于保證濕天然氣測量的準確可靠具有重要意義,，是目前世界上*的針對濕天然氣測量的技術(shù)依據(jù)，具有較強的實際指導(dǎo)作用,。
3 結(jié)語
我國陸上和海上油氣田在單井,、輸配氣站等生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要進行大量多次的濕天然氣測量，目前絕大多數(shù)測量節(jié)點采用單相流量計測量濕天然氣,，在測量工藝,、流量計的類型,、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)標準的支持,。我國尚無針對濕天然氣測量的實驗測試裝置，不能開展?jié)裉烊粴饬髁繙y量校準工作,。我國應(yīng)結(jié)合濕天然氣測量技術(shù)報告的相關(guān)要求,，對國內(nèi)濕天然氣測量技術(shù)現(xiàn)狀進行調(diào)查分析，建設(shè)濕天然氣實驗測試標準裝置,，開展?jié)裉烊粴鉁y量相關(guān)技術(shù)研究,，及時制定我國的濕天然氣測量系列標準