巴玺立 杨莉娜 徐英 白晓东 文韵豪 张涛

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.天津大学电气与自动化工程学院）

凝析气田是一种复杂的气田，凝析气藏的气体中含有戊烷以上的重碳氢化合物较多，具有反凝析性。凝析气藏开发机理复杂，同时，采出气和凝析油具有开发难度大、技术工艺要求高等特点。目前，凝析气田井口产量计量多采用单井分离后气液单独计量或集气站分离后气液轮换计量，流程复杂、投资高。

若采用传统的单相气体流量仪表计量湿气，由于液相的存在将会造成较大的测量误差，如，利用孔板测量湿气，当液相体积含量为1%时，测量误差约为10%。随着凝析气田的开发建设，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，以及操作决策的最优化等方面都提出了更高的要求。而现有凝析天然气测量手段无法满足测量范围、测量精度及实时性等方面的需求。因此，凝析天然气在线检测新技术的研究引起越来越多的凝析气田生产者、流量计研究者和生产厂商的极大关注。在过去10年中，凝析天然气的在线不分离计量技术得到了较快的发展，出现了多种不同测量原理的凝析天然气两相流量计，主要有文丘里管+双能伽马射线、超声波流量计+文丘里管等类型，但是，价格均较昂贵，约20～30万美元/台，并且，多数产品尚处于现场试验或实验室研发与改进阶段。

为提高凝析气田的整体开发效益，开展了凝析气田带液计量的研究，提出了长喉径文丘里湿气计量模型，该模型综合考虑了Froude（弗鲁德）数、文丘里管节流比和喉部长度参数对虚高的影响。研制出的工程样机经实验室性能测试，液相误差小于±10%，气相误差小于±5%；气相不确定度 2%，液相不确定度 3%。在塔里木某凝析气田集气站进行了现场性能测试，取得了较好的试验效果。

1 长喉颈文丘里管喉部取压位置仿真研究

在湿气流动状态下，标准的文丘里管中液相的流通面积不会因为节流装置的结构发生直接变化，节流装置对液相不产生直接的加速作用，而对气相产生直接的加速作用。由湿气在管道中的流型特点可知，气相基本不与管壁直接接触，摩阻压降主要由气液两相间摩擦及动量交换决定，而摩擦及动量交换的大小与气液两相的接触面积及两相间的滑差相关。

单相流体流经文丘里管时，在文丘里管收缩段上的摩阻压降的影响因素：一是，流体介质的密度及入口流体的流速，由流体工况参数决定；二是，流体与壁面的摩阻系数，主要由管壁的粗糙程度决定；三是，文丘里管的几何因素，主要包括文丘里管的节流比、收缩段的收缩角度及长度等。由此推断，当湿气流经文丘里管时，不仅工况参数对摩阻压降有着重要影响，文丘里管的结构参数同样也有着直接影响。因此，需要对文丘里喉部的长度和取压位置进行优化。

当湿气流过文丘里管时，气相为连续相，液相为离散相，气相流通面积因文丘里管的节流作用而减小，文丘里管主要对气相产生节流加速作用，而液相的流通面积基本不因节流作用而发生改变，液相的加速主要是通过气相动力的冲击和带动实现的。这就决定了液相的加速不可能在瞬间完成，液相的加速需要加速时间和加速距离。增加喉部长度，喉部前半段会产生较大的加速压降，但是，当液相加速稳定后，喉部后半段加速压降保持稳定，喉部继续加长对前差压的影响不大。因此，适当优化喉部长度，可提高湿气流量测量的特性。本研究与以往成果不同之处在于，在结构参数方面，不仅考虑了节流比的影响，而且考虑了喉部最大截面长宽比的影响。通过仿真模拟，给出了长喉径文丘里模型，详见图1。

图1 长喉颈文丘里模型

本研究中的样机有3处专利设计：一是，长喉颈。不同于标准文丘里管设计，本研究研制的文丘里管具有加长的喉部，喉部长度为喉部直径的 4~6倍，称为长喉颈文丘里管；二是，双差压。不同于标准文丘里管设计，文丘里管在其上游、中游、下游分别取压，构成双差压信号，利用两级差压信号的反向规律实现气液不分离测量；三是，微型环室气液隔离取压器。不同于标准文丘里管设计，本研究研制的文丘里管在全部引压管与计量管体之间的连接设计上，采用环型腔室的取压设计结构，紧凑巧妙微型化，确保取压信号均匀性的同时，能够保障稳态下气液隔离效果良好。

2 样机实验设计与实验室性能测试

2.1 工程样机

根据仿真模拟结果，完成了带液计量流量计，即，“凝析天然气两相流量计”工程样机的设计、加工和制作，以及传感器、变送器、智能二次计算仪一体化系统的软硬件开发及其上位机通讯软件平台的开发。样机共有2套，样机实物见图2。

图2 样机实物

2套样机的管道公称直径分别为80mm、50mm，设计压力均为 16MPa。在高含液情况下，80mm样机适应的流量范围为 6×104～24×104m3/d，50mm样机流量范围为2×104～8×104m3/d；在低含液情况下，80mm 样机流量范围为 6×104～48×104m3/d，50mm样机流量范围为2×104～16×104m3/d。

2.2 实验装置及测试方案

将样机在可调压中压湿气实验装置开展实验研究，装置设计为双闭环式正压法循环结构。实验装置流程见图 3。气相主回路主要由罗茨风机、冷凝器、缓冲罐、气相标准表组、气液混合器、被检表（样机）、气液分离器，以及相应的管道、阀门等构成；液相主回路主要由增压水泵、液相标准表组，气液混合器、被检表（样机）、气液分离器、储液罐，以及相应的管道、阀门等构成。其中，罗茨风机工作压力为1.6MPa，最大升压50kPa。

图3 可调压中压湿气实验装置流程

为了研究压力、含水率、气相流速等因素对样机测量值的影响，实验中采用控制变量的设计方法。管道压力分别为 0.2MPa、0.6MPa、1.0MPa、1.4MPa；在各压力条件下，分别对应4个气相流量，流速为3m/s、5m/s、7m/s、10m/s；在每一个气相流量下，调节9个液相流量，通过整合数据，分析每类参数对测量结果的影响规律。本次实验中，质量含气率GMF为 20%～100%，L-M参数（从能量角度表征的液相含率）范围为0～0.20。具体实验数据见表1。

表1 实验数据

2.3 实验室测试结果

实验样机在实验室内的误差测量结果见图4。

图4 实验样机在实验室内的误差测量结果

气相测量结果有 98.6%的数据相对误差小于±5%，液相测量结果有97.7%的数据满度误差小于±10%。GMF为20%～60%时，气相基本误差为3.97%，不确定度（置信概率 95%）1.44%；液相基本误差为6.50%，液相重复性（置信概率95%）3.22%。GMF为60%～100%时，气相基本误差为2.66%，不确定度（置信概率95%）1.82%；液相基本误差为5.64%，液相重复性（置信概率 95%）3.22%。测试结果表明，样机误差较小，满足气田内部计量要求。

3 工业现场性能测试

3.1 测试比对系统

样机测试地点为塔里木油田某集气站，共测试了6口单井。测试比对系统工艺流程见图5。

测试比对系统包括气液分离器（简称分离器）、孔板流量计、质量流量计及凝析天然气两相流量计等关键设备。其中，孔板流量计和质量流量计的上游均安装有阀门，该阀门根据系统压力和分离器内液位的变化调节开度，使液位保持在35%～50%。凝析天然气两相流量计安装于分离器的上游，孔板流量计和质量流量计安装于分离器下游，可分别测出气相和液相的流量数据，作为测试比对的参比标准。现场测试比对系统见图 6，凝析天然气两相流量计实验样机见图7。

图5 集气站工艺流程

图6 现场测试比对系统

图7 两相流量计实验样机

3.2 测试结果

每口井的累计测试数据及相对误差比对结果见表2。

表2 现场累计测试数据比对结果

由表 2可以看出，6口单井的气相累积流量最大误差小于±2%，液相累积流量最大误差小于±4%。

64天内，6口单井的气相流量共测量了59次，气相误差绝对值的平均值为 2.63%，不确定度为2.19%，其中，90%的比对数据相对误差小于±5%，100%的比对数据相对误差小于±10%。64天内，6口单井的液相流量共测量了61次，液相测量相对误差绝对值的平均值为 4.84%，不确定度为 4.88%，其中，73%的比对数据相对误差小于±5%，92%的比对数据相对误差小于±10%。

4 结语

研发出具有自主知识产权的国产气液两相流量计，可实现凝析气田带液计量，成本仅为国外同类产品的 30%～40%。该项技术不仅可以应用于凝析气田，也可以应用于气田的湿气计量。

对于凝析气田，若能在井口实现带液计量，则可实现所有井的连续计量，同时，可以简化集气管网，实现多井串接，可取消集气站或独立设置的计量管道，大大简化集气流程，优化气田总体布局，方便气田管理和节省气田投资。因此，该项技术具有广泛的应用前景。

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