濕天然氣測量技術及國際標準化研究進展

薛國民 陳亮 孫德剛 楊澤皓

1中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院； 2大慶油田有限責任公司質量節能部

3大慶油田有限責任公司工程有限公司； 4中國石油天然氣集團公司質量管理與節能部

5中國石油大學（華東）石油工程學院

典型的濕氣是未經處理的井口氣或經部分處理的天然氣。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，技術內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等國際知名的研究機構和Solartron等流量計生產廠商進行了大量濕氣測量技術和測量標準的研究；國內的中國石油大學、浙江大學、海默公司等也開展了大量的濕氣測量技術研究。目前，國際標準化組織ISO正在編制濕天然氣測量技術報告，旨在推動和規范濕天然氣測量技術的發展。

1 濕天然氣測量技術

（1）濕天然氣量化定義。國際上濕氣的量化定義方法主要包括LM參數法、氣體體積含率法（GVF法）和氣體質量含率法（干度法）。通用的定義方法是LM參數法。國際技術報告ISO/TC193 SC3 WG2 DTR-2010規定，LM參數小于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

式中Ql為液體體積流量（m3/s）；Qg為氣體體積流量（m3/s）； ρl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，研究結果表明，差壓流量計測量濕天然氣的結果偏高，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、Murdock公式和Chisholm公式[1]，文丘里管測量濕氣修正的De Leeuw公式和Steven公式等[2-3]。國內石油大學、天津大學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的修正公式。

（3）濕氣流量計。濕天然氣流量計是指能夠實時測得氣、液兩相流量的測量裝置，多采用多參數或雙參數測量方法，采用兩種或多種傳感器進行組合測量，產生包含兩個未知數的方程，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One Step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%。國內天津大學、浙江大學等也進行了雙孔板和雙文丘里管雙參數濕天然氣流量計實驗研究并開發了產品。

（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進行多參數組合測量，并通過專用微機系統進行數據處理分析，實現自動、連續、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公司開發的RFM MPFM 1900VI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的困難領域，測量結果的誤差明顯大于多相流。

（5）其他測量技術。除了上述3類流量測量技術以外，為了準確獲得濕天然氣的體積流量、質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，因此濕天然氣取樣技術、體積比測量分析技術、在線組分分析技術、現場測試修正技術等都是需要認真解決的技術問題。

2 國際標準研究進展

由于濕天然氣測量技術尚不完善，目前國際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建議或技術報告，主要有兩類：一類是重點闡述多相流測量技術，其中涉及濕氣測量技術要求，如挪威油氣測量協會《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報告，如美國機械工程師協會（ASME）《濕氣測量指南》、國際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報告（ISO TC30 SC2 DTR-11583，2010）《用差壓裝置測量圓形截面管道濕氣流量》、 國際標準化委員會天然氣技術委員會技術報告（ISO TC193 DTR，2011）《封閉管道濕天然氣測量》。

（1）以多相流測量為重點的技術手冊和建議。《多相流測量手冊》是于1995年制定發布的世界上第一個涉及濕氣測量的指導性技術文件，并于2005年發布了修訂版。該手冊主要包括多相流測量原理、流型、流量計性能技術要求、測量不確定度、多相流量計現場安裝和運行等內容。《多相測量原理》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、多相流量計性能等內容。《多相流測量推薦做法》于2005年9月發布，主要用于油氣單井產量的測量，內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容。

（2）ASME《濕氣測量指南》。該指南于2008年發布，體現了國際上濕氣測量技術的發展水平和最新研究成果，它不是只針對天然氣行業，而是針對整個工業濕氣（如蒸汽等）的通用技術報告，內容包括濕氣流型、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）ISO TC30《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，設計、安裝、取壓、修正計算公式、XLM參數測定方法，不同XLM參數下的測量不確定度，以及采用示蹤技術測得液相含率的方法。

（4）ISO TC193《封閉管道濕天然氣測量》。國際標準化委員會天然氣技術委員會于2008年7月成立了上游領域濕氣測量工作組（ISO TC193 SC3/WG2），負責起草ISO濕天然氣測量技術報告，并于2010年4月發布報告草案，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，技術性能，安裝、使用及維護的技術要求和建議。同時對于一些相對成熟的測量技術，提出了其在濕氣測量應用中的限制條件，安裝、校準和檢定等方面的技術要求。此技術報告對于保證濕天然氣測量的準確可靠具有重要意義，是目前世界上唯一的針對濕天然氣測量的技術依據，具有較強的實際指導作用。

3 結語

我國陸上和海上油氣田在單井、輸配氣站等生產環節需要進行大量多次的濕天然氣測量，目前絕大多數測量節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和相關標準的支持。我國尚無針對濕天然氣測量的實驗測試裝置，不能開展濕天然氣流量測量校準工作。我國應結合國際濕天然氣測量最新技術報告的相關要求，對國內濕天然氣測量技術現狀進行調查分析，建設濕天然氣實驗測試標準裝置，開展濕天然氣測量相關技術研究，及時制定我國的濕天然氣測量系列標準。

[1]Chisholm D.Void Fraction during Two phase Flow[J].Journal of Mechanical Engineering Science， 1973， 15（3）： 235-236．

[2]Steven R.Wet gas metering with a horizontally mount-ed Venturimeter[J].Flow measurement and Instrumentation，2002（12）：361-372．

[3]Parviz Mehdizadeh，Jack Marrelli，Ven C.Ting.Wet Gas Metering.Trends in Applications and Technical Developments[C].SPE 77351，2003．