噴嘴濕氣井兩相流在線計量裝置研究及應用

摘要：傳統的濕氣井計量大多采用分離法，存在工藝流程復雜、造價高昂、占地面積大等缺陷。研制了以噴嘴為節流元件的濕氣井氣液兩相流在線計量裝置。應用Fluent軟件仿真模擬了單相氣、單相液、氣液兩相流過裝置的流動特性，計算了虛高系數，建立了氣液兩相含率在線計量模型。CFD研究及現場應用表明：該裝置模型計量精度高，氣相計量誤差在5%以內，液相計量誤差在8%以內。該裝置結構簡單，可以將溫度、壓力、差壓、氣流量、液流量集成在一個表頭顯示，可以異地重復使用，維護量少，降低計量設備安裝與維護成本，滿足氣田開發工程計量的需要。

關鍵詞：濕氣井；噴嘴節流；氣液兩相含率；CFD模擬；在線計量裝置

中圖分類號：TE925.2文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.009

Research and Application of the On-line Metering Device for Two-phase

Flow in Wet Gas Wells Based On Nozzle Differential Pressure

LIU Hongbing1，WEI Fangfang2，ZHANG Qian3，JIAO Xinyu4，

TAN Chaodong4，LIU Yaojun1，WU Haoda2

（1.Tianjin Petroleum Vocational and Technical College， Tianjin 301607， China;

2.Anhui Zhongkong Instrument Co.， Ltd.， Chizhou 247210， China;

3.Sinopec Luming Company of Shengli Oil Field， Dongying 257000， China;

4.Department of Automation ， China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China）

Abstract：The separation methods are widely adopted in the traditional wet gas well measurements， which have the defects of the complex process， high costs， and large floor areas. An online metering device for gas-liquid phase flow in the wet gas wells with the nozzle as a throttling element was developed. The flow characteristics of single-phase gas， single-phase liquid， and gas-liquid phase flow through the device were simulated by FLUENT software， the over-reading coefficient was calculated， and the online metering model of the gas-liquid two-phase holdup was established. CFD Research and field application shows that the model of the device has higher metering accuracy， and the metering error of the gas phase is less than 5%， and that of the liquid phase is less than 8%. The device has a simple structure， which can display the temperature， pressure， differential pressure， gas flow rate， and liquid flow rate in one integral header. It can be reused in different places with low maintenance， reduces the cost of installation and maintenance of metering equipment， and meets the measurement of gas field development project measurements.

Key words：wet gas well;nozzle throttling;gas liquid ratio;CFD simulation;on-line metering device

天然氣儲氣庫、常規氣井、凝析天然氣井、頁巖氣井、煤層氣井采集的天然氣在未處理前都屬于濕氣。為實時掌握現場的生產動態，優化后期的開發方案，需要對產氣量進行實時計量。濕天然氣井的氣液兩相流動十分復雜，兩相流形成機理和運動規律尚未完全被認識，兩相流參數測量難度較大［1］，因此需建立合適的數學和物理模型，選取特征參數，研發特種儀器以及采用先進的數據處理方法等［2］。姚海元等［3］總結了有關學者提出的計算氣液兩相流中持液率和空隙率的多種預測模型及其相關的檢測方法和設備；梁法春等［4］通過模擬氣液兩相流在具有4個分離噴嘴的新型取樣器中的流動特性，得出該取樣計量裝置具有體積小、精度高、維護費用低的優點，可代替傳統計量分離器，實現氣液流量的實時測量；孫智利等［5］對整流噴嘴型臨界分布器進行了理論分析和結構設計，提出兩種基于“流型設定和臨界分布”分布概念的新型分布器；王月等［6］對管徑D=65 mm的噴嘴流量計進行數值模擬，發現流體在進出口端面處會產生旋流，為確保取壓點處的壓力穩定，下游的取壓點應設在距離噴嘴的下游端面逆流方向不小于0.09D處；Bae Hyunwoo等［7］采用寬度和高度分別為3 mm和0.5 mm、垂直向下流動的矩形文丘里式噴嘴，在泡狀流的情況下，水流量越多，產生氣泡越多，壓力比越小；唐明等［8］利用CFD軟件中VOF多相流模型進行氣液兩相流的模擬，可實現復雜曲面夾層中氣液兩相流動過程的精確控制；Ernest Adaze等［9］進行了垂直管中液膜反轉開始時兩相環狀流的CFD模擬研究，得出由于粘性子層的存在，剪應力在管壁附近以高振幅波動，其中液相占主導地位，并向管中心方向逐漸減小；X. Lu等［10］采用多孔介質模型對旋轉填料床內氣液兩相流動進行CFD模擬研究，并提出一種新型的旋轉填料床（RPBS）模型； Murdock［11］和V. C. Ting［12］對多相流相關模型做了大量的試驗研究，提出很多修正公式；克列姆萊夫斯基（ΚΡемлеЬский）等［13］用不同節流比孔板流量計在假設兩相流為均相流的基礎上，利用大干度的水和水蒸氣混合的流體進行了大量試驗，通過試驗得到兩相流的壓降關系式，并得到按絕熱膨脹計算流量時的修正因子k。后經大量試驗驗證，在入口壓力不超過21 MPa的條件下，模型誤差在1.0%～1.5%［14］。R. V. Smith等［15］認為氣液兩相的壓降高于單相氣的壓降是由于液相對氣相的阻塞，因此，提出用阻塞系數來修正兩相流的計量流量；Chisholm［16］利用孔板流量計進行水和水蒸氣的兩相流試驗，推導得到滑動比與密度比的關系，證明了兩相流的壓降大小與含氣率和工作壓力有關；Schuster［17］發現了兩相流通過孔板產生的壓降，比單向流通過孔板的壓降高；張宏建等［18］認為兩相流的壓差波動與兩相流的空隙度有關并進行相關試驗。研究結果表明，空隙度從0～1的過程中，差壓波動先升高后降低，波動大小主要取決于空隙率，同時也受流量、壓力的影響。以上關于多相流計量的研究，更多的關注是節流器本身結構對濕氣虛高的影響，很少針對氣液比和實際應用工況開展虛高系數修正和計量模型研究。

本文建立了具有噴嘴節流元件的流量計量裝置的物理模型，用FLUENT軟件仿真模擬了氣液兩相流體流經該裝置的流動特性，回歸擬合了氣液兩相含率計算公式，在室內和氣田現場驗證了該裝置計量精度和實用性。

1濕氣噴嘴差壓計量裝置及原理

濕氣兩相噴嘴流量計量裝置如圖1所示。溫度、壓力、差壓、氣流量、液流量等各參數通過表頭讀取。節流元件噴嘴結構如圖2所示，噴嘴節流元件上游取壓點與下游取壓點之間的壓力降為Δp。該計量裝置可測量的溫度為0 ～400 ℃，可測量的壓力為0 ～40 MPa，差壓變送器量程為0～150 kPa；具有小于30%的相對壓損和小于50% kPa的絕對壓損；量程比為10∶1和15∶1；計量精度為氣相±1.5%～±5%、液相±5%～±10%；變送器的信號輸出為4～20 mA，流量輸出為RS485；防爆等級為ExdllBT4；防護等級為IP65；連接方式為法蘭連接；工作的環境溫度為-40～85 ℃，環境濕度為0～95%（R.H）。

1-噴嘴節流裝置；2-表頭。

差壓式流量計的基本原理是流體在流經節流元件時，節流處管道截面面積變小，流體流速變大。根據能量守恒定律，節流處的靜壓減小，與節流元件上游形成了壓力差，流體的流量越大，產生的壓差越大。節流式流量計的壓降計算公式即在此基礎上得到的。

由于流體流動會產生摩阻壓降，因此計算中引入流出系數C修正計量公式；氣體為可壓縮流體，流經節流處氣體會被壓縮，因此引入可膨脹性系數ε進行修正，流量計算中有時可忽略。

根據伯努利原理及連續性方程可得到質量流量壓降關系式，單相氣體計量的基本公式為：

Wg=Cε1-β4×π4d22Δpρ（1）

式中：Wg為氣相質量流量，kg/s；C為流出系數；ε為流體可膨脹性系數；d為喉部直徑，m；β為節流比（喉道內徑與上游測量管內徑比）；Δp為節流差壓，Pa；ρ為工況節流上游流體密度，kg/m3。

流經噴嘴的濕天然氣流量測量就是要研究濕天然氣中由于液相的存在對氣相壓差Δpg的影響，并比較精確的計算出變化量的大小。當濕天然氣流過差壓式流量計時，由于氣相夾帶少量的液相，通過差壓式流量計時產生的壓差值會比等量的氣相單獨流過時偏高，這種壓差值升高的現象稱為“虛高”，虛高系數OR計算式為：

OR=ΔptpΔpg（2）

式中：Δptp為兩相流體通過噴嘴時的壓差，Pa；Δpg為等量的氣相單獨通過同一噴嘴時的壓差，Pa。

將虛高的壓差值帶入式（1），即可得到虛高的氣相質量流量公式。

Wg′=Cε1-β4×π4d22Δptpρg（3）

式中：Wg′為氣體的虛高質量流量，kg/s。

實際的氣相質量流量值即為式（3）與式（2）之比。

Wg=W′gOR（4）

Steven［19］、De Leeuw和Reader-Harris［20］研究表明，洛克哈特-瑪蒂內利參數XLM、氣相弗勞德常數Frg常作為表征濕氣中液相和氣相影響的重要參數。

Lockhart和Martinelli把混相中，等量的液相、氣相單獨流過節流件時，差壓比值的平方根定義為洛克哈特一瑪蒂內利參數（簡稱洛瑪參數XLM）。

XLM=ΔplΔpg=WlWgρgρl=1-xxρgρl（5）

式中：Δpl，Δpg分別為等量的液相、氣相單獨流過節流件時的差壓，Pa；ρg，ρl分別為氣相和液相的密度，kg/m3；Wl和Wg分別為液相和氣相的真實質量流量，kg/s；x為干度，無量綱。

W．Froude為表示重力對流動影響的準數，提出了氣相弗勞德常數Frg，可以表示為：

Frg=vsggDρgρl-ρg（6）

式中：vsg為氣相表觀速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；D為入口直徑，m。

本文研究了虛高系數OR值的數值模擬方法，用洛瑪參數XLM、氣相弗勞德常數Frg、干度x作為變量回歸數值模擬結果，進而得到氣液兩相含率計算公式。

2濕氣流動數值模擬研究

運用FLUENT軟件進行大量的不同壓力、不同流量以及不同液氣體積比下的流動模擬。參照現場工況設置模擬試驗參數，仿真模擬不同工況下濕天然氣通過噴嘴節流器時的壓差Δptp和等量的單相天然氣單獨通過同一管道時的壓差Δpg，根據式（2）計算虛高系數OR，并對兩相流與單相流的壓降影響因素開展討論。

2.1模型的建立

噴嘴的直管段噴嘴管徑為65 mm，喉徑為20 mm，喉道長度為20 mm，噴嘴處圓角半徑為5 mm，上游直管段長為120 mm，下游直管段長為110 mm。首先，采用DesignModel建模軟件建立噴嘴的內部流域的三維模型，如圖3所示。網格生成過程中，采用Mesh軟件進行非結構網格劃分，網格自動生成過程中選擇四面體網格和三角形網格，生成網格劃分如圖4所示。

模型建立結束后，模型的入口邊界條件選擇入口速度，出口邊界條件選擇壓力出口，壁面邊界條件選擇無滑移壁面，殘差精度設置為10-4。

2.3濕氣流動數值模擬

2.3.1單相氣流動模擬

為了了解節流元件內流體的流動狀態，并根據其流場特性對軟件中的設置條件進行調整，對于節流元件進行了單相氣流動的簡單模擬，并將邊界條件設置為速度入口與壓力出口。噴嘴內部和軸心處的壓力分布分別如圖5～6所示。可以看出，上游直管段內部的壓力基本不變，當流體進入喉道時壓力迅速降低，且管道內最低壓力位于下游直管段處。在距離直管段處的10 cm左右下游直管段，管道內壓力達到最低，而后逐漸升高。

當氣體到達噴嘴時流速升高，由于能量守恒，噴嘴處的壓力降低。當氣體流經噴嘴進入下游直管段時，由噴嘴內流速度分布圖（如圖7）與湍流動能分布圖（如圖8）可知，氣體在下游直管段處產生渦流。

2.3.2兩相流與單相流的壓降模擬對比

利用Fluent軟件模擬單相氣、單相液、氣液兩相流經噴嘴時的流動壓降。將噴嘴的流量分別設置成60 m3/h的單相空氣、1 m3/h的單相水以及等量的氣液混相流進行流動壓力對比，得到如圖9所示的靜壓力對比圖。由圖9可知，由于液相流量小，液相單獨流經噴嘴時產生的壓降非常低；氣液兩相的壓降遠大于單相流動產生的壓降，這是濕氣流動中虛高產生的主要原因。

2.3.3液相含量對壓降的影響

數值模擬研究時，采用固定氣含量改變液含量的方式來研究液相含量對壓降的影響。氣流量固定為60.74 m3/h（74.406 5 kg/h），液流量分別為1 、2 、3 、4 m3/h（998、1 996、2 994、3 992 kg/h），得到如圖10所示的壓力曲線。

由圖10可知，在氣相流量不變的情況下，液相含率越高，流體流經噴嘴產生的壓降越大，因此，為了準確計量濕氣的氣相含量，需要對不同含液率的濕氣進行準確的虛高預算。

2.3.4氣相含率對壓降的影響

數值模擬研究，采用固定液含量改變氣含量的方式來研究氣相含量對壓降的影響。液流量固定為1 m3/h（998 kg/h），氣流量分別為50、70、100 m3/h（61.25、85.75、122.5 kg/h），得到如圖11所示的壓力曲線。

由圖11可知，液量固定時，氣量越大，節流處產生的壓降越大。主要由于氣量越大，流體流速在節流處加快更明顯，根據能量守恒，壓力降低也越明顯。

2.3.5液氣質量比與壓降關系模擬

模擬了液氣質量比Wl/Wg與壓降Δp的關系，如圖12所示。可知在其他條件相同時，同一氣相弗勞德常數Frg下液氣質量比與壓降呈線性關系。

2.3.6濕氣噴嘴虛高系數的數值模擬結果分析

多數虛高模型都考慮了洛瑪參數XLM、氣相弗勞德常數Frg影響與氣液密度比等參數對虛高的影響，如圖13，數值模擬得到的虛高系數隨壓力升高而降低。

在特定壓力下，計算模型所得的虛高修正系數OR普遍與洛馬參數XLM呈線性關系。這是因為噴嘴的入口管徑偏大，同等體積流量的氣體表觀流速偏低，因此氣相弗勞德常數Frg也偏低，在弗勞德常數較低時，n取常數，使得虛高修正系數的計算沒有受不同氣相流量下的氣相弗勞德常數影響。

3氣液兩相計量模型

通過數值模擬得135組數據，以工況溫度30 ℃、工況壓力1 MPa為例，數據如表1所示。

經擬合得氣相體積流量計量模型為：

Qg=2.513 16ln（1 000Δpp）/T（7）

液相體積流量計量模型為：

Ql=0.010 25（1 000Δpp）0.872 16/T（8）

式中：Qg為氣相體積流量，m3/s；Ql為液相體積流量，m3/s；Δp為噴嘴壓差，Pa；p為工況壓力，Pa；T為工況溫度，K。

4現場應用

裝置智能處理單元可以對溫度、壓力、噴嘴前后差壓及總壓損信號進行采集、處理和計算，可實時給出總流量及氣、液兩相流量值，從而實現氣液兩相在線不分離測量。

該濕氣井兩相流在線計量裝置在某頁巖氣田兩個集氣站和河南油田某采氣大隊進行安裝測試與現場應用，現場情況如圖14所示。

對比了××-40井2020-10-25—2020-10-29的在線計量裝置測試結果與原有氣液分離計量系統計量的結果，如表2所示。

從表2可以看出，該濕氣井兩相流在線計量裝置表現了較好的一致性，現場大量的數據驗證了該系統裝置計量結果有較高精度，液量相對誤差在8%以內，氣量相對誤差在5%以內。

基于噴嘴差壓的濕氣井兩相流在線計量裝置占地面積小，便于現場安裝和應用，結構簡單，無不可動部件，安裝牢固，安全性能好；準確抄表，減少工人的勞動強度，工作效率大幅度提高。

5結論

1）研制以噴嘴為節流元件的濕氣井兩相流在線計量裝置，氣相計量誤差在5%以內，液相計量誤差在8%以內，實現了濕氣井不分離的在線計量。

2）數值模擬表明，氣液兩相流動的壓降遠大于單相壓降，需要對不同含液率的濕氣進行準確的虛高系數計算。流動壓力與液相含量對濕氣噴嘴的虛高系數值影響較大，計算模型所得的虛高修正系數普遍與洛瑪參數XLM呈線性關系，與氣液兩相含率和干度呈非線性關系。

3）研制的裝置結構簡單，可以將溫度、壓力、差壓、氣流量、液流量集成在一個表頭顯示，可以搬遷異地重復使用，維護量少，降低計量設備安裝與維護成本，滿足了氣田開發工程計量的需要。

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