摘要：由于组成和流态的复杂性，凝析天然气测量属于多相流测量范畴中的特例，准确测量各相流量的大小具有较大难度，现有测量技术无法满足凝析天然气测量对测量范围、测量精度和实时性的需求。为此，开发了一种基于内锥与文丘里组合的新型双节流多级差压凝析天然气测量技术，该技术考虑了内锥边壁收缩与文丘里中心收缩的特性，将两者上下游串联，形成双差压测量信息，通过虚高模型差异性，满足了较高的测量精度。实验室性能验证和工业现场性能验证结果表明，该技术的气相测量误差在±2%以内，液相测量误差在±10%以内，测量精度指标达到甚至超过了国外同类产品的技术水平。
关键词：凝析天然气；双节流装置；多级差压；内锥；文丘里；虚高；误差
1 凝析天然气两相流测量技术简介
1.1 凝析天然气的含义与流量测量的难度
凝析天然气(Condensate Natural Gas)，也称湿气(Wet Gas)，属于气液两相流的一种特殊形态，广泛存在于许多工业领域中。根据国际标准词汇《天然气词汇》(ISO 14532—2000)，凝析天然气是指水蒸气、游离水、液态烃等组分的含量显著高于管输要求的天然气。湿气的形成往往是由于地面生产系统的温度和压力降低而致，有时湿气里还混有部分沙粒、铁屑等固相成分以及人为加入的防止水合物形成的注剂等，加之湿气的流动会呈现雾状流、环状流、分层波状流、段塞流甚至单相气体与单相液体交替出现等多种复杂的流动形态，因此，湿气的测量属于多相流测量范畴中的特例。准确测量多相流中各相流量的大小具有较大难度，现有的计量技术一般将它简化为气液两相的测量问题，并着重针对在工作条件下气相体积分数大于90%的气井产出物进行计量。
1.2 我国井口天然气计量现状
1.2.1 井口凝析天然气的计量现状
目前，我国井口天然气计量现状主要有以下3种情况：①利用分离法远端分时计量；②传统的单相测量仪表计量；③根本不计量。传统的分离法计量是将若干个气井产物分别采用独立管线集中输送到远端中心集气站，由集气站内的气液分离设备对分离后的气液两相分别进行计量，其流程如图1所示，通过对进站阀组流程的切换实现远端天然气气井的流量分时测量。这种方法存在流程复杂、占地广、设备庞大、成本高、需要独立敷设输送管线和不能实现对每口井实时计量等问题。
采用传统的单相气体流量仪表计量湿气，由于液相的存在将造成较大的测量误差。例如利用孔板测量湿气，液相体积分数为1%时，会造成约10%的测量误差。
1.2.2 凝析天然气两相流量测量的研究意义
天然气工业的快速发展，对简化工艺流程、降低生产成本、及时了解地质信息、提高气藏和气井的科学管理水平、合理开发与保护天然气能源、延长气井生产寿命等都提出了更高的要求[1～2]，而现有测量技术无法满足湿气测量对测量范围、测量精度和实时性的需求。因此，凝析天然气在线检测新技术的研究具有重要的现实意义，已经引起越来越多的湿气生产者、流量计研究者和生产厂商的极大关注。
1.3 湿气实时计量技术的工作原理分类与特点
1.3.1 基于传统单相仪表的湿气流量测量技术
目前，在国内的单井湿气计量中多数仍采用传统的单相仪表，如漩涡流量计、涡轮流量计和气体罗茨流量计等。漩涡流量计利用压电晶体做检测元件，由于其量程比大，准确度高，抗腐蚀性强，不受温度、压力、密度和黏度的影响，在蒸气雾状流中已取得了成功应用。然而，由于漩涡流量计属于流体振荡型仪表，流速较低时测量受限。此外，由于单井湿气中液相的存在，流型变化多样，也会对测量产生较大的影响。涡轮流量计尺寸小，安装方便，脉冲输出，近年来国内已有涡轮流量计在油气田上应用，同样，由于液相的存在使得其计量准确性难以保证，且对污染介质敏感度高。容积式流量计不受流体密度和黏度的影响，对流体状态和速度分布无特殊要求，可在各种雷诺数条件下使用，具有较高的测量精度，如气体罗茨流量计，我国的大庆油气田和塔里木油气田已有应用，但容积式流量计只能对气液总量进行计量。综上所述，无论哪一种单相仪表均无法解决气液两相流的分相流量计量与总量流量计量问题。
1.3.2 基于分离法的湿气流量在线测量技术
基于分离法的湿气流量在线测量技术主要包含简单分离器法和分流分相法两类技术。
与传统的分离器相比，简单分离器具有更小的体积，内部往往含有1个简单高效气液分离器。由于这种简单的分离器与传统的大型分离器相比分离效果仍显不足，因此分离后的液相仍然存在两种相态，需要使用两相或三相仪表进行测量。
分流分相技术是先通过分配器取样一部分两相流体，一般为5%～20%(体积分数)，并借助小型分离器将其分离成单相气体和单相液体，再分别用单相流量计进行计量，最后根据分配比例关系折算成被测两相流体的流量及组分。该方法存在的问题是取样部分的两相流体气液比率和原流动状态中的比率未必一致，取样比率常数本身受流型和流量波动的影响，往往与期望值存在一定差异；此外，该方法的体积和压力损失相对较大。
1.3.3 基于文丘里的组合式湿气测量技术
该测量技术利用长喉颈文丘里、双文丘里、文丘里与γ射线、文丘里与电容(电感)等组合方式获得气液两相流量。这类方法以英国Solartron输力强公司产品为代表，测量元件采用“混合器+双文丘里管”的形式，并对标准的文丘里管进行了改进，如文丘里管的入口角度变化、喉部长度加长等。混合器的作用是使气液两相之间的速度差尽可能小，管道截面的气液相分布尽可能均匀，对不同文丘里管上的差压信号进行处理，获得气相质量分数。该技术的局限性在于：①气相质量分数的求解是基于Murdock的修正方程进行的，而对于各种复杂的现场条件，该模型的适用性将受到限制；②公式复杂，且文丘里管管径不同，节流比不同，采取同一拟合形式的推广性受到限制；③由于采用2个文丘里管组合，其结构差异性较低，测量特性相近，量程精度与量程范围受限，液相含量的分辨率较低；④上游混合器附加了额外的压力损失；⑤文丘里管扩张段易产生回流，使得湿气虚值模型分叉，无法求解。
1.3.4 基于内锥的湿气测量技术
目前，美国McCrometer公司推出的内锥系列流量计开始用于湿气的计量。它利用同轴安装在管道中的“V”形尖圆锥，将流体逐渐地节流收缩到管道内壁，并在锥体前后产生差压来测量流量。与传统的差压式流量计相比，内锥流量计具有压力损失小、自整流自清扫能力良好、无滞留死区、要求前后直管段短和抗脏污等优点。该技术测量湿气的局限性在于：①湿气的虚值模型采取Steven模型[3]，同样存在对复杂现场工况的适应性问题；②对液相含量的测量采用示踪技术，即通过专人定期注入示踪剂，取样离线分析测得，故测量实时性较差；③由于管道中的压力高，防泄漏至关重要，对装置可靠性要求更高，因此这类技术不适用于条件恶劣的工况。
1.3.5 基于双节流技术的湿气测量技术
2008年天津大学研制了TTWGF凝析天然气两相流量计，开发了一种基于内锥与文丘里组合的新型双节流多级差压湿气测量技术。该技术考虑了内锥边壁收缩与文丘里中心收缩的特性，将两者上下游串联，形成双差压测量信息，通过虚高模型差异性，实现了较高的测量精度[4]。
2 TTWGF凝析天然气两相流量计
2.1 双节流式湿气流量测量的基本原理
经典湿气测量模型中通常包含“L-M”参数和Froude数等关键影响因素。“L-M”参数是对气液两相流中液相相对含量的非空间描述[5]，通常用X表示，其表达式为：
式中Wg为气相的质量流量；W1为液相的质量流量；ρg为气相的工况密度；ρ1为液相的工况密度。
Froude数(Frg)为表征气体惯性力与重力之比的无量纲相似准则数[5]，反映了气体的表观速度、压力等诸多因素的内在联系，具体表达式如下：
式中Usg为气相表观速度，且有；g为重力加速度；D为管道直径。 虚高的定义如式(3)所示：
式中Wtp为干气质量流量。
2.2 双虚高模型
为研究内锥与文丘里的虚高特性，研制了DN50mm、DN65mm、DN80mm和DN100mm口径共6套样机。以DN80mm口径样机为例[4]，节流比为0.75的内锥节流装置和节流比为0.40的文丘里节流装置组合进行湿气测量。对于内锥节流装置，各参数对虚高的影响表现出了明显的线性特征，可采用式(4)的形式对内锥节流装置的虚高模型予以拟合：
对于文丘里节流装置，其虚高模型在实验基础上通过对Deleeuw模型[6]修正获得，即采用式(5)的形式予以拟合：
图2为内锥节流装置虚高模型预测误差图，图3为文丘里节流装置虚高模型预测误差图，两节流装置虚高模型的虚高修正误差在±1%以内。
3 实验室性能验证
3.1 流量实验装置
实验研究在天津大学水流量实验装置和湿气实验装置上进行。水流量实验采用质量称重法，精度为0.05%。湿气流量实验采用标准表法，精度为1%。
湿气流量实验装置框图如图4所示，使用的两相介质为压缩空气和水。空气由2台空气压缩机经冷干机降温除湿后送入2个容积均为13m3的储气罐。为保证实验期间气相压力稳定，储气罐和计量管段间配有稳压阀。水由1台离心式输泵送入稳压水塔上，采用水塔溢流方式为系统提供稳定的液相压力。空气和水经过计量管段后，经引射器混合后进入实验管段，并最终流入分离罐进行气液分离。空气由放气阀排出，水流入储水罐中循环使用。实验期间，由工控机负责对所有仪表的数据进行采集和显示，并控制各调节阀，调节气相和液相流量。
由于湿气装置所采用的标准表均可通过各自独立的标准装置实现良好溯源，因此能够保证最终实验数据的可靠性。气相溯源中利用音速喷嘴作标准器，准确度为0.2%，气体标准装置不确定度为0.5%，用于标定湿气实验中准确度为1%的气体标准表涡街流量计。液相可溯源到不确定度为0.05%的质量法水流量标准装置，通过该装置实现对湿气实验中使用的液相标准表电磁流量计的标定，确保其准确度为0.2%。
3.2 实验室性能验证
实验结果表明，湿气质量含气率(GMF)为60%～100%时，气相流量测量误差限不大于±2%(读数)，结果如图5所示，液相测量误差限不大于±10%(满度)，结果如图6所示。
4 工业现场性能验证
4.1 现场安装与比对
工业现场选在中国石油西南油气田公司某油气矿某井集气站，时间为2008年11月至2010年3月，现场样机安装于集气站气液分离罐之前的上游。站内有多个进站输气管线，分别负责输送来自天然气井凝析天然气。进站后1条管线连接凝析天然气实验测试样机，再进入气液分离器进行气液分离，分离出的气体经孔板流量计单相计量后流入出站的汇流排，进入出站管线，液相流入油水分离罐，分离后，分别由油罐车和污水车运出。实验操作时，通过对进站汇流排前的阀组进行流程切换，实现对不同气井及其组合的测量，流过实验样机的天然气流量为2×104～10×104m3/d。
气相参比标准为集气站内分离器后安装的用于计量干气的孔板流量计(精度为0.5级)，液相参比为气液分离器中小罐积液包容积，可根据远传型磁翻板液位计换算出积液容积的大小，并使用设备通2000卧式容器充满系数第三方软件进行容积的计算。
4.2 数据偏差计算方法与测试比对结果
累计气相偏差计算公式为：
式中qgc(i)为第i个小时的测试样机气相测量流量，m3；qgk(i)为第i个小时的孔板气相测量流量，m3；N为比对总的小时数。
累计液相偏差计算公式为：
式中qlc(j)为第j个小时的测试样机液相测量流量，m3；K为根据设备通2000软件计算每一满罐液相的质量，kg；M为积液包累计灌满次数。
4.3 测试比对结果
测试样机计算的气液两相累汁流量与参比标准比较结果如表1所示。通过对单井或若干井的组合可有效拓宽量程范围，方便考察对多种复杂工况组合配比下的适应性。比对测量的结果表明气相累计流量偏差在±2%以内，液相累计流量偏差在±10%以内。
4.4 用户使用测试结果
2010年初橇装式凝析天然气两相流量计在巾国石油西南油气田公司川中油气矿合川区块开始使用，从为期1a的测井数据看，计量效果较好，气相测量误差在±2%以内，液相测量误差在±10%以内。
5 国内外现有测量技术的比较
实验室与工业现场测试结果表明基于双节流装置的凝析天然气两相流量测量技术已经达到了国际先进水平。
表2为英国Solartron ISA公司、美国Weatherford公司与挪威Roxar公司湿气流量计产品技术指标与天津大学湿气测量技术水平的比较。
6 研究结论
1) 基于流体边壁收缩的内锥与流体中心收缩的文丘里双节流湿气流量测量装置能够形成两种差异性鲜明的虚高特性，可针对其各自的虚高特点采取相应的数学模型体现其虚高规律。
2) 以DN50mm口径样机为例，节流比为0.75的内锥节流装置和节流比为0.40的文丘里节流装置组合测量装置测量湿气获得了较高的气相测量精度。经过迭代后测量值基本收敛，气相测量的相对误差在±2%以内，平均误差在1%以内。
3) 在天津大学湿气流量实验装置上的性能测试结果表明气相流量测量误差在±2%以内，液相测量误差在±10%以内，精度指标达到甚至超过了国外同类产品的技术水平。
4) 在工业现场实验白测、比对测试及用户测试过程中，气相累计流量偏差在±2%以内，液相累计流量偏差在±10%以内，相对短时的液塞对总的测量结果不会产生较大影响。
参考文献
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