基于槽式孔板的凝析天然气计量技术

　　1　引　　言

　　多相流量计与计量分离器相比,技术上和经济上都具有较大优势,正在成为海洋、沙漠新油气田开发的首选[1]。为准确计量凝析天然气,开发了一种新型气液两相流量传感器———槽式孔板,并在理论分析的基础上,对传感器特性进行了系统的实验研究。

　　凝析天然气是指在工作条件下,气相体积含率大于90%,液相与其他组分体积含率小于10%的气井产物。计量技术研究中,将它简化成低含液率两相流计量问题。国内气田中凝析气藏较多[2],原先含液率较低的气井随着地层压力下降,液相含率也会升高。现有多相流量计主要针对含液率为10%~90%的油气水三相流进行测量,不能直接用于凝析天然气计量[3];用单相气体流量仪表测量凝析天然气时,又会由于液相的存在产生很大的测量误差。目前,石油天然气工业生产中仍然使用计量分离器,生产流程复杂、造价高、计量精度低。在对槽式孔板测量单相流、气液两相流特性仿真研究的基础上,针对低含液率的凝析天然气流量测量进行实验研究和理论分析,以期找到一种实用的凝析天然气计量技术。

　　2　槽式孔板

　　管道中凝析天然气的流型以光滑分层流、分层波浪流和环状流为主,液相成分集中在管壁或管底,气相成分分布在管道中心或水平管上半部分。用标准节流元件测量凝析天然气流量时,由于缩颈以及流体与节流件的碰撞分离效应,节流件上游出现液相累积,产生液相断续通过节流件的现象,导致很大的附加阻力和差压波动,影响测量精度。该现象对标准孔板的影响最为明显,喷嘴次之,文丘里管最小。

　　基于上述原因,国外凝析天然气计量在研究技术中一次传感元件以文丘里管为主。为进一步提高文丘里管的测量精度,NEL (national engineering lab)、INEEL (i2daho national engineering and environmental lab)、Solar2tron ISA等对标准文丘里管进行了多项改进,如减小文丘里管入口锥度[4]、加长喉部[5]、增加流动调整器[6]等。此外,文丘里管具有压降低、流量系数对流型敏感程度低等优点,但文丘里管也存在着加工要求高、流量系数受加工精度和实际磨损程度影响大等缺点。

　　借鉴Morrison蒸汽流量传感器的开发思路[7],基于CFD (computational fluid dynamics)仿真结果对传感器结构进行优化设计,开发了一种新型气液两相流量传感器———槽式孔板[8]。环室取压的槽式孔板基本结构如图1所示,其工作原理与标准孔板相同。槽式孔板的流通面积均匀地分布在整个管道截面上,其槽孔外缘与管道内壁相切,根据孔径比的不同,流通面积由若干圈径向分布的槽式小孔组成。能够使液相成分自由通过,大大减少了标准孔板的差压波动现象,又较文丘里管加工容易。槽式孔板流量方程如式(1)、(2)所示。式中:Aslot是所有槽孔面积总和,其余参数含义与标准孔板定义相同。下面结合实验数据分析两相流测量条件下,影响槽式孔板两相压降倍率Φg的各种因素。