湿天然气测量技术及国际标准化研究进展

典型的湿气是未经处理的井口气或经部分处理的天然气。湿天然气的测量目的是在一定准确度范围内获得气体流量、烃流量和含水率等。湿天然气测量主要采用单相流量计、湿气流量计、多相流流量计计量方法，技术内容包括流量测量原理、修正计算模型、取样分析等。近年来，美国科罗拉多工程实验站CEESI、英国国家工程实验室NEL等国际知名的研究机构和Solartron等流量计生产厂商进行了大量湿气测量技术和测量标准的研究；国内的中国石油大学、浙江大学、海默公司等也开展了大量的湿气测量技术研究。目前，国际标准化组织ISO正在编制湿天然气测量技术报告，旨在推动和规范湿天然气测量技术的发展。

1 湿天然气测量技术

（1）湿天然气量化定义。国际上湿气的量化定义方法主要包括LM参数法、气体体积含率法（GVF法）和气体质量含率法（干度法）。通用的定义方法是LM参数法。国际技术报告ISO/TC193SC3WG2DTR-2010规定，LM参数小于0.3的天然气、烃和（或）水组成的混合流体称为湿天然气。LM参数定义为管道中单独液体流动条件下的液体惯性与管道中单独气体流动条件下的气体惯性之比的平方根，计算公式如下

式中Q1为液体体积流量（m3/s）；Qg为气体体积流量（m3/s）；ρ1为液体密度（kg/m3）；ρg为气体密度（kg/m3）

由式（1）可见，XLM越小，液相含率越低。对于XLM很小的湿天然气，通常采用单相气体流量计测量气体流量。对于XLM较大的湿天然气，通常采用多相流流量计或气液分离的测量方式。当XLM在一定范围内时，可以采用湿天然气流量计同时获得气液两相的流量。

（2）单相流量计。常用的单相气体流量计主要有孔板、文丘里管、喷嘴、涡轮、旋进漩涡流量计等。美国、荷兰、挪威等大石油公司和研究机构开展了大量的利用差压式流量计测量湿气的实验研究，研究结果表明，差压流量计测量湿天然气的结果偏高，需要建立修正模型。典型的修正模型包括孔板测量湿气修正的Lockhart-Martinell公式、Mur-dock公式和Chisholm公式[1]，文丘里管测量湿气修正的DeLeeuw公式和Steven公式等[2-3]。国内石油大学、天津大学等也通过对模拟装置进行研究，获得了孔板、文丘里管等流量计在一定测量范围内的修正公式。

（3）湿气流量计。湿天然气流量计是指能够实时测得气、液两相流量的测量装置，多采用多参数或双参数测量方法，采用两种或多种传感器进行组合测量，产生包含两个未知数的方程，解此方程组得到两相流量，如采用双孔板、双文丘里管组合旋涡流量计等。目前，能够用于湿气测量的湿气流量计有Solartron、TEA、McCrometer、PECO、Agar、FMC等公司的产品。Solartron公司的DualstreamⅡ型双差压流量计测量湿气，气相流量测量不确定度可达到±5%，液相达±10%；Agar公司的WGM型双文丘里管加旋涡流量计测量湿气，气、液相流量测量不确定度可达到±2%；FMC公司的OneStep型加长文丘里管测量湿气，气相流量不确定度可达±2%，液相达±6%。国内天津大学、浙江大学等也进行了双孔板和双文丘里管双参数湿天然气流量计实验研究并开发了产品。

（4）多相流量计。多相流量计定义为能够同时测得气相、液相流量以及不同液体组分的流量计。多相流量计以多传感器为基础进行多参数组合测量，并通过专用微机系统进行数据处理分析，实现自动、连续、在线测量。多相流量计有两种测量方式，一种是部分分离测量方式，美国Agar公司的MPFM-400型多相流量计、英国Jiskoot公司基于小型气液旋流分离器的多相流量计、国内兰州海默公司的MPM2000H型多相流量计是典型的部分分离式多相流量计；另一种是不分离测量方式，它通过两个或更多传感器对多相流流速、流体密度或相分布进行测量，如挪威Roxar公司开发的RFMMPFM1900VI多相流量计和挪威Framo公司的Framo多相流量计。多相流量计一直用于石油天然气开采行业油气水三相流或多相流测量（即XLM＞0.3范围），湿气测量（即XLM≤0.3）始终是多相流量计测量技术的困难领域，测量结果的误差明显大于多相流。

（5）其他测量技术。除了上述3类流量测量技术以外，为了准确获得湿天然气的体积流量、质量流量或者能量流量，还必须获得气相和液相的密度、体积比、组分、热值等参数，因此湿天然气取样技术、体积比测量分析技术、在线组分分析技术、现场测试修正技术等都是需要认真解决的技术问题。

2 国际标准研究进展
由于湿天然气测量技术尚不完善，目前国际上还没有颁布正式的湿气测量标准，已颁布的都是湿气测量技术建议或技术报告，主要有两类：一类是重点阐述多相流测量技术，其中涉及湿气测量技术要求，如挪威油气测量协会《多相流测量手册》、美国阿拉斯加油气保护委员会《多相测量原理》、美国石油学会《多相流测量推荐做法》；另一类是针对湿气和湿天然气测量的技术报告，如美国机械 工程师协会（ASME）《湿气测量指南》、国际标准化委员会封闭管道差压装置流体流量测量分委会技术报告（ISOTC30SC2DTR-11583，2010）《用差压装置测量圆形截面管道湿气流量》、国际标准化委员会天然气技术委员会技术报告（ISOTC193DTR，2011）《封闭管道湿天然气测量》。

（1）以多相流测量为重点的技术手册和建议。《多相流测量手册》是于1995年制定发布的世界上第一个涉及湿气测量的指导性技术文件，并于2005年发布了修订版。该手册主要包括多相流测量原理、流型、流量计性能技术要求、测量不确定度、多相流量计现场安装和运行等内容。《多相测量原理》于2004年颁布，主要包括多相测量原理、多相流量计分类、湿气测量技术、多相流量计性能等内容。《多相流测量推荐做法》于2005年9月发布，主要用于油气单井产量的测量，内容包括多相流测量方式和测量原理、流型、测量不确定度计算方法、流量计的验收和校准等方面的内容。

（2）ASME《湿气测量指南》。该指南于2008年发布，体现了国际上湿气测量技术的发展水平和最新研究成果，它不是只针对天然气行业，而是针对整个工业湿气（如蒸汽等）的通用技术报告，内容包括湿气流型、湿气流量计的分类和工作原理、湿气测量中的实际问题和推荐做法、测量不确定度等。

（3）ISOTC30《用差压装置测量圆形截面管道湿气流量》。该报告草案于2010年12月投票，于2011年发布。报告适用于用孔板和文丘里管测量气体体积含量大于95%的湿气，气体包括空气、氮气、天然气、水蒸气等，液体包括水、煤油、冷凝物等。报告给出了孔板和文丘里管用于湿气测量的适用条件，设计、安装、取压、修正计算公式、XLM参数测定方法，不同XLM参数下的测量不确定度，以及采用示踪技术测得液相含率的方法。

（4）ISOTC193《封闭管道湿天然气测量》。国际标准化委员会天然气技术委员会于2008年7月成立了上游领域湿气测量工作组（ISOTC193SC3/WG2），负责起草ISO湿天然气测量技术报告，并于2010年4月发布报告草案，2011年1月对报告进行了修改。报告名称为《封闭管道湿天然气测量》，适用于石油天然气行业中的湿天然气测量。报告主要给出了湿天然气的定义，流型分类，流量计种类，技术性能，安装、使用及维护的技术要求和建议。同时对于一些相对成熟的测量技术，提出了其在湿气测量应用中的限制条件，安装、校准和检定等方面的技术要求。此技术报告对于保证湿天然气测量的准确可靠具有重要意义，是目前世界上唯一的针对湿天然气测量的技术依据，具有较强的实际指导作用。

3 结语

我国陆上和海上油气田在单井、输配气站等生产环节需要进行大量多次的湿天然气测量，目前绝大多数测量节点采用单相流量计测量湿天然气，在测量工艺、流量计的类型、安装条件、取样方法、组分分析以及湿气修正等方面缺乏理论指导和相关标准的支持。我国尚无针对湿天然气测量的实验测试装置，不能开展湿天然气流量测量校准工作。我国应结合国际湿天然气测量最新技术报告的相关要求，对国内湿天然气测量技术现状进行调查分析，建设湿天然气实验测试标准装置，开展湿天然气测量相关技术研究，及时制定我国的湿天然气测量系列标准。(end)