第27卷第6期鉆采工藝開采工藝天然氣計量有關(guān)公式剖析鐘水清'2 ,馬發(fā)明'3熊繼有李福德2郭俊2(1西南石油學(xué)院2四川石油管理局 3中國石油西南油氣分公司)摘要:隨著石油天然氣企業(yè)經(jīng)濟體制改革的深化經(jīng)營機制的轉(zhuǎn)換以及西部大開發(fā)使天然氣的應(yīng)用越來越廣泛如何發(fā)揮每一立方米天然氣的最佳經(jīng)濟效益緩解供需矛盾這對天然氣計量工作提出了更高的要求。文中介紹了歐洲、美國燃料市場應(yīng)用孔板流量計的設(shè)計、安裝、維修和分析處理方法,以及我國天然氣計量系統(tǒng)的誤差評定等，以供天然氣計量時參考。關(guān)鍵詞:天然氣計量;孔板流量計;體積流量;測量;分析中圖分類號: TE313.8文獻標(biāo)識碼: A文章編號: 1006- 768X( 2004 )06- 0055 -05進入21世紀(jì)以來隨著全球經(jīng)濟-體化的飛速等多因素的影響。因此,這種計量方式不可能充分發(fā)展,天然氣的需求與質(zhì)量成為企業(yè)在市場競爭中體現(xiàn)天然氣按質(zhì)論價、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的商品交易原則不取勝的關(guān)鍵,質(zhì)量管理成為企業(yè)管理的核心內(nèi)容。利于科學(xué)地、合理地利用有限的天然氣資源對供需天然氣作為優(yōu)質(zhì)、清潔的能源在國民經(jīng)濟建設(shè)和人雙方都不合理。當(dāng)今世界上許多國家都已采用能量民生活中起著舉足輕重的作用,而作為能源的天然計量作為貿(mào)易計量的結(jié)算方式。能量計量體現(xiàn)了天氣人們主要關(guān)注的是它的熱值,即能量(發(fā)熱量)然氣測量的質(zhì)量和數(shù)量更科學(xué)更先進更能反映天天然氣流量是天然氣開發(fā)生產(chǎn)、集輸處理和內(nèi)外供然氣的內(nèi)在價值。天然氣是- -種動態(tài)的間接的多參氣的主要參數(shù)是油氣田勘探開發(fā)、科研、生產(chǎn)和經(jīng)數(shù)的綜合計量。這種計量在整個計量領(lǐng)域中難度是營分析論證的重要依據(jù)。在制定或調(diào)整天然氣開發(fā)最大的影響因素最多。比如,目前所使用的孔板流方案、經(jīng)營管理分析和經(jīng)濟結(jié)算等方面制定或調(diào)整量就需要測量差壓、壓力、溫度、組分、密度、節(jié)流裝都是主要依據(jù)在企業(yè)內(nèi)部的經(jīng)營管理、計算和考核置的幾何尺寸等參數(shù)在計量過程中還要受天然氣各類設(shè)備的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)制定或調(diào)整遠景規(guī)劃及流動狀態(tài)的影響。天然氣計量只要有一個環(huán)節(jié)出了年度計劃等方面也是不可缺少的數(shù)據(jù)。因此，天然問題最后的結(jié)果就難以保證其準(zhǔn)確性。為了更科氣流量是一個極其重要的參數(shù)天然氣流量的測定:學(xué)地進行天然氣貿(mào)易計量，合理地、科學(xué)地利用有限是油氣田一項極為重要的基礎(chǔ)技術(shù)工作。由此可的天然氣資源我國也應(yīng)當(dāng)盡快實施天然氣能量計見,計量是監(jiān)視天然氣開發(fā)生產(chǎn)、集輸處理和供氣全量,以維護供需雙方的合法利益。本文就天然氣計過程的眼睛”是做好各項工作的技術(shù)保證,計量與量的有關(guān)公式進行剖析?？蒲猩a(chǎn)和企業(yè)的經(jīng)濟效益緊密相聯(lián)。因此，實現(xiàn)天然氣計量的有關(guān)公式天然氣計量的準(zhǔn)確性是對計量工作的基本要求。由于歷史的原因我國的天然氣貿(mào)易計量目前仍采用長期以來我國天然氣貿(mào)易計量均采用體積計體積計量方式,即以立方米為結(jié)算單位。眾所周知，量方式 即一段時間內(nèi)天然氣流過某一管道截面的天然氣是一種看不見摸不著只能感覺得到的物質(zhì)。體積量(單位為m3》用于天然氣體積流量測量的天然氣是-種混合物氣體除烷烴以外還含有部分流 量計有孔板流量計、超聲流量計、渦輪流量計、腰二氧化碳和氮氣等不可燃燒的物質(zhì),即不產(chǎn)生熱值;輪流 量計、旋渦流量計和皮膜流量計等。由于孔板同時天然氣的體積計量要受壓縮因子、溫度、壓力流量計用于天然氣流量測量已有相當(dāng)長的歷史取收稿日期: 2004-11-02基金項目:本文系國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目(編號90210022部分成果及西南石油學(xué)院基金項目(院236部分成果。作者簡介:鐘水清高級工程師。畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣井工程專業(yè)從事油氣井工程的技術(shù)研究與管理工作。地址( 610051 )四川省56.鉆采工藝2004年得了較豐富的經(jīng)驗制定了較完善的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)大量研如果按下列術(shù)語定義,我們就可以討論ISO公究表明,只要嚴(yán)格按規(guī)定進行設(shè)計、制造、檢驗、安式中每項因子的實際意義。裝孔板流量計的基本誤差可控制在土1.0%左右;gm為質(zhì)量流量,kg/s2;Qa為規(guī)定或基準(zhǔn)條件正因為如此，目前孔板流量計應(yīng)用最為廣泛特別是下的體積流量m? ;孔板節(jié)流裝置配電動儀表和流量計算機的自動計量a ,a' 為流量系數(shù)特定流量系數(shù)a=a。F.rpobr ;系統(tǒng)已廣泛用于天然氣貿(mào)易計量。c為給定孔板直徑的排出系數(shù),a/E ;1.天然氣能量計量( rd2 )4為孔板開孔面積,m2 ;E為速度的漸近天然氣能量計量方式在許多發(fā)達國家已普遍采修正系數(shù);用。我國目前采用體積流量計量方式,用公式表示ε為流速膨脹系數(shù);F, 為雷諾數(shù)系數(shù);為:0p為孔板前后壓差,N/m2 ir為粗造度系數(shù);Q= V,x H(1)ρ1為在上游取壓口處的氣體密度kg/m3 bk為式中:Q-某時間段內(nèi)天然氣總能量MJ或GJ;孔板銳利度系數(shù)。V,- -同時間段內(nèi)天然氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積量,引用上述定義則IS0公式為:m' ;gm= ae( rd2 )C( 20pp1)^]H-天然氣的單位發(fā)熱量,MJ/m'。= CEe( πd2 )/4( 20pp1 y](2)從原理.上講,天然氣能量就是天然氣流量和天Bu1= gm/Pi或grb= gm/Pb然氣單位發(fā)熱量的乘積流量可以是體積流量也可a'為流量系數(shù)。這是一個通過不同的標(biāo)準(zhǔn)方法以是質(zhì)量流量還可以是能量流量。目前,國際上普遍使用的天然氣能量計量裝置試驗得出來的數(shù)值。這些方法使我們可以運用預(yù)先主要由體積流量或質(zhì)量流量及氣分析設(shè)備構(gòu)成。而標(biāo)定的系數(shù)而不用對每單個計量管和孔板進行標(biāo)直接式的能量流量計尚在研制之中,尚未投入工業(yè)定。為計量準(zhǔn)確要求對每一個設(shè)計、制造、安裝和應(yīng)用。體積流量測量可用前述的任-種流量計;天維護都要滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。否則,要 確定流量然氣發(fā)熱量的測量則有直接法和間接法(計算法)兩系數(shù)就必須對計量管進行標(biāo)定。種方法。直接法對設(shè)備、環(huán)境要求較高操作復(fù)雜，E為流速膨脹系數(shù)。它對氣體流經(jīng)孔板時的密但測量原理更為合理,它基本排除了水分影響能直度變化進行修正并且根據(jù)氣體差靜壓之比和等熵觀地反映天然氣實際發(fā)熱量;間接法主要是由氣相指數(shù)進行計算。色譜儀分析出天然氣組分然后計算天然氣發(fā)熱量,(πd2 )4為孔板開孔面積。通過檢驗就可以而氣相色譜儀又有在線式和離線式兩種?？闯鼍_地確定孔板直徑的重要性,因為它以平方函數(shù)值出現(xiàn)在流量公式中。2.天然氣計量的有關(guān)公式來源關(guān)于天然氣計量公式有兩個來源，無論是在歐Dp為孔板前后壓差。這是在確定精密測量中洲還是在美國的燃料氣市場,該公式都占有很重要的關(guān)鍵性的測量變量,而且在應(yīng)用前面相應(yīng)的流量的地位。大部分的歐洲市場遵循國際標(biāo)準(zhǔn)組織系數(shù)時必須做到取壓正確。它是以平方根代入方(ISO)作為他們的天然氣計量的基礎(chǔ)然而美國和部程式的所以對于精密測量的結(jié)果將取決于其數(shù)值分歐洲國家又是以美國氣體協(xié)會氣體測量委員會的的大小。.“天然氣的孔板計量報告之三”作為他們的計量基ρ1為在.上游取壓口處的氣體密度。多數(shù)情況礎(chǔ)。下這個數(shù)值并不是以直接測量而是通過壓力、溫如果兩種標(biāo)準(zhǔn)都用相同的設(shè)備和修正系數(shù)則度、相對密度和可壓縮性的測量推導(dǎo)而得到的。在得出的答案將是相同的,因為他們都是以基本的水任何情況下所用的數(shù)值務(wù)必表示氣體在.上游測壓力學(xué)公式為基礎(chǔ)而且都是以同樣的實驗做法確定處的狀態(tài)條件。在該取壓處,由于該區(qū)域內(nèi)氣體分其法蘭取壓和管式取壓的系數(shù),而管式取壓方式只布的敏感性要直接測量這個參數(shù)是很困難的。在有在美國的氣體流量計量時才用到它。事實上,在一般情況下在其他地方進行測量和對已確認的數(shù)美國不用法蘭取壓的公司是極少數(shù)的。然而,從技值加以修正考慮是同樣可以做到的。而且還可以用術(shù)的觀點出發(fā)任何取壓裝置其公式和修正系數(shù)都數(shù)學(xué)的方法對于不同的地方加以修正。第27卷第6期鉆采工藝57.本條件下應(yīng)用波義爾( Boyles )及查理( Charls )氣體定F,=1+ E/[ 12835dk( hupryA](4)律而定義確定其密度。它基本上是一個基準(zhǔn)狀態(tài)條式中對于法蘭取壓:件下的數(shù)學(xué)計算方法。在歐洲, -般都是用的一個E= d[ 830 - 5000β - 9000β2 - 4000β3 + 530/標(biāo)準(zhǔn)但也有例外。然而在美國基準(zhǔn)條件下只占其( D)4](5)合同協(xié)議中的一部分并且公司之間又都是一樣經(jīng)K是雷諾數(shù)R,約為10時的理想常數(shù)值。常是按可以變化的情況進行處理。這里所假設(shè)的目的是雷諾數(shù)事先不知道和無法C為給定孔板直徑排出系數(shù)。確定的兩種情況下,允許流體修正系數(shù)的迭代更快E為速度的漸近修正系數(shù)。該修正系數(shù)是指同更簡單。樣尺寸孔板不同計量管徑對流線變化的修正。Y為膨脹系數(shù)。與在ISO公式中的ε膨脹系數(shù)C和E都是按標(biāo)準(zhǔn)進行審定的,并且和a一樣相同。具有相同的限制。Fu為壓力基準(zhǔn)系數(shù);用于任何基準(zhǔn)壓力與為對比起見我們就美國氣體協(xié)會氣體測量委14.73 psi 不同時的修正?？捎上率?jīng)Q定:員會的報告之三討論如下。Fpb= 14.73/合同需要的基準(zhǔn)壓力( psi) (6)其基本計算公式如下:F。為溫度基準(zhǔn)系數(shù)。用于任何基準(zhǔn)溫度60°FQn= F.F.YFIpFFjFFpFm.F.F(hwPpY2 (3)不同時的修正?？捎上率?jīng)Q定:式中:Qn-在基準(zhǔn)條件下流體的流量,fP/h( 1ft3=Fib= 520/實際流動溫度(列氏度R)(7)0.0283 m3 );Fg為相對密度系數(shù)。用于任何相對密度與Fg-相對密度系數(shù);Fo-基本孔板系數(shù);1.00不同時的修正。它是在相同條件下，該氣體重Fpo-超壓性系數(shù);F,-雷諾數(shù)系數(shù);度與空氣重度的比。就這個系數(shù)本身而言會有一些Fm- -壓力計系數(shù);Y-膨脹系數(shù);差異,因而相對密度的基本定義是氣體分子量之比Fa- -孔板熱膨脹系數(shù);Fpb- -壓力基準(zhǔn)系數(shù) ;而只有在氣體重度的壓縮性考慮按大氣壓力為零的F。-儀表位置系數(shù)F,-溫度基準(zhǔn)系數(shù);壓縮性修正值這兩個比值才會相等。在實際的應(yīng)ho- -在60F下,i( 水柱I lin=25.4 mm ;I°F=用中當(dāng)其與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化的時候應(yīng)考慮這方面修5/9C ,下同)正的要求。F,-流動溫度系數(shù)ip-靜壓pis( lpis= 6. 895F為超壓性系數(shù)。這是對于真實氣體偏高于kPa下同)。理想氣體定律的修正。通常情況下由表格查取,而通過對每個系數(shù)的討論我們就能看出他們與這個表格是由實驗確定或通過復(fù)雜公式計算出來ISO標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系。的。Qn= Qrg為按合同換算為基準(zhǔn)條件下的氣體體Fm為壓力計系數(shù),它并不需要對基本流動方程積流量。的結(jié)果進行修正,，但對于壓力計式的差壓儀表要加F,為基本孔板系數(shù)。在給定計量管中流動溫以修正。如果使用的是機械式的差壓儀表而不是壓度為60°F基準(zhǔn)溫度為60°F基準(zhǔn)壓力為14.73 psi，力計式的差壓儀表時 這個修正系數(shù)可不予以修正相對密度為1.00( hupr)?為無窮大,hw/pr比值為而取為1 .00。零時，通過已知孔板的空氣立方英尺數(shù)( 1f2 =F。為儀表位置系數(shù)。事實上是海平面45°緯度0.0283 m3 )在簡化條件計算孔板面積求解孔板直上考 慮地心引力而用的一個基準(zhǔn)系 數(shù)在其他地方,徑(inI lin=25.4 mm,下同]時其單位可以用水柱該系數(shù)會略有變化。(in),psi ,1b/s(1 lb=0.454 kg) ,及包括在雷諾數(shù)為Fa為孔板熱膨脹系數(shù)。事實上是對于溫度變無窮大及速度漸近系數(shù)在內(nèi)的流出系數(shù)( K)在孔化較大的情況下在20°確定的孔板直徑會略有變化板直徑?jīng)]有改變之前對于某一計量裝置允許這些時的修正。數(shù)值作為固定不變的常數(shù)代入則對于所假設(shè)的條h為孔板前后的壓差,in( 水柱),與ISO公式相件和實際流動狀態(tài)的變化進行修正時,Fo 是固定不同。變的。p為在孔板指定取壓處氣體的靜壓。在歐洲采鉆采工藝2004年在精密測量中無論運用哪一個取壓口都是等效的，8Q。但是在美國，使用者們選擇的是下游取壓因為這種Q,-+().()+(21)(曾)取壓其壓力值的任何誤差都可以通過用雷諾數(shù)修正的近似相對誤差予以局部的補償。當(dāng)使用密度計(二八部”+ (到)+(會)與重量流量測量時美國氣體協(xié)會的計算公式可以化簡為:+4(部)+年(部)+()門W.= 1.0618FBF,X( harYn(8)依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143 -或用于體積測量時美國氣體協(xié)會的計算公式1996標(biāo)準(zhǔn)可知:可以化簡為:式中:0為流出系數(shù)不確定度,當(dāng)β≤+0.6時，為Qn= I3.873FfFYFnFu hur y2.(9)+0.6% ,當(dāng)β>0.6時為士β% ;3.天然氣計量系統(tǒng)誤差評定(1 )已定系統(tǒng)誤差。在天然氣流量的實際測量o為可膨脹系數(shù)不確定度其值為+4%由中部分系統(tǒng)誤差在測量過程中可以得到有效控制，北京安控科技發(fā)展 有限公司RIU流量計算機及氣還可以在測量結(jié)果中修正。(如ECHO5000 SCADA體流量實時計算( OP、P為同一單位);監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),為油氣田地面建設(shè)自動化工程提供了獨特而開放的平臺。該系統(tǒng)采用了目前國o為測量內(nèi)徑的不確定度其值為+0.4% ;際上最新的軟、硬件技術(shù)結(jié)合國內(nèi)油氣田生產(chǎn)工藝od為孔板開孔直徑的不確定度,其值為士的特點而研制開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)如計量回路校準(zhǔn)可將計量回路的系統(tǒng)誤差控制在允許范圍內(nèi)并可確0.07% ;定其誤差。O為天然氣相對密度測量的不確定度取值土(2床定系統(tǒng)誤差。對未定系統(tǒng)誤差常常要求以不確定度大小來評價測量結(jié)果(若輸氣干線配備0.5% ;有ECHO5000 SCADA監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可由E- .為天然氣壓縮因子測量的不確定度,取值CH05000 SCADA監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)修正)按照土0.5% ;中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《測量誤差及數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》JC1027- 91要求及國際慣例間接測定量......為孔板開孔直徑比測量管內(nèi)徑,由于的合成不確定度采用方和根方式合成,而合成不確金屬材料在現(xiàn)場常用操作溫度中(-10至+40定度及其各分量均應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)差形式來表征依據(jù)中之間線膨脹系數(shù)變化甚微對孔板開孔直徑的誤差華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)SY/T6143- 1996標(biāo)準(zhǔn)可知,可忽略不計,在此情況下(據(jù)催曉燕等人應(yīng)用計算),測量流量的不確定度相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)偏差的兩倍。因使用d≈d2o即可滿足計算精度要求。此求得了流量測量的不確定度就可以得到測量系結(jié)束語統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。天然氣流量的測量是-個間接測量值對于未定系統(tǒng)誤差,可以根據(jù)天然氣流量計算公孔板流量計是實際意義上的質(zhì)量流量計,作為式對其進行函數(shù)誤差合成。依據(jù)中華人民共和國國體積流量計使用時已是- -種間接方式的流量計。渦家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》SY/T6143輪、渦街、漩渦、腰輪等流量計均是體積流量計。由- 1996標(biāo)準(zhǔn)天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量公式為:于天然氣體積計量是我國目前的貿(mào)易計量結(jié)算方式。要用孔板流量計來精確測量天然氣氣流,那么Qn=匹好Y 2App(天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積，pe4dPn就必須全面掌握和提供適當(dāng)?shù)挠嬎愎胶透鞣N可變流量基本公式)( 10)因素的影響。如果對計量系統(tǒng)沒有一個全面的了Qn= A,CEd FeEFr√P|Ap(根據(jù)基本公式導(dǎo)出解花錢是得不到好的測量結(jié)果的。我們希望通過的實用公式)(11)對計量公式的剖析,有助于達到領(lǐng)會體積計量公式根據(jù)誤差理論中的函數(shù)誤差合成理論(假設(shè)C、的重要性。面對新形勢的挑戰(zhàn)建議中國石油天然ε、d、Ap彼此無關(guān)):氣總公司應(yīng)加強新型計量儀表及設(shè)備性能評價研第27卷第6期鉆采工藝59.化二次計量儀表校準(zhǔn)方法研究:國際及國外先進計量、密度和相對密謀的計算方法S] ,1989.量標(biāo)準(zhǔn)跟蹤研究。建立現(xiàn)代企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計量制度，實[8]中國統(tǒng)計年鑒.000.施國際化運作提高經(jīng)濟效益為中國石油天然氣事[9] [美氣體加工和供應(yīng)者協(xié)會.氣體加工工程數(shù)學(xué)手冊[ M ].北京石油工業(yè)出版社,1992.業(yè)的發(fā)展做出貢獻。[10]王俊奇.天然氣含水計量的簡單方法[J].石油與天然參考文獻氣化工1994(3).[1]陳賡良.天然氣能量計量的有關(guān)法制問題J]天然氣[11 ] Attani Aetal. 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Section9 ,The5 th ISFFM 7 ~ 10April ,2002 Arilington天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法S]1996 22 ~ 23.VA ,USA..[7]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)CB11062-89:天然氣發(fā)熱(編輯黃曉川)(上接第 54頁)然后往地層中注入氮氣 待注入壓力穩(wěn)進行試驗。從表1可以看出無論直井還是水平井,定后開始從油管內(nèi)注入蒸汽根據(jù)最佳注入氮氣比氮氣輔助蒸汽吞吐效果好于蒸汽吞吐效果。直井油例氮氣采用注12h停12 h的段塞方式注入。按汽比提高了0.91 ,回采水率提高0. 29 ;冰平井油汽設(shè)計注完蒸汽量后先停注蒸汽再注3~5h氮氣比提高了 0.46回采水率提高0.13。后進行燜井和放噴。采用一趟管柱的,停噴后下放結(jié)論抽油桿柱生產(chǎn)。采用光油管的則下泵生產(chǎn)。( 1 )氮氣輔助吞吐是對稠油蒸汽吞吐技術(shù)的改現(xiàn)場應(yīng)用效果進和完善是提高蒸汽吞吐改善油田開發(fā)效果的有該工藝在面120-1-平6和面120-1-121井力措施。表1氮氣輔助蒸汽吞吐 與蒸汽吞吐生產(chǎn)效果對比表注汽量注氮量周期產(chǎn)液周期產(chǎn)油回采水率有效期井號油汽比/Nm'/m’/t/%'d面120-1-平6196962000208715630.271870.79面120-1-平(2)36860174112040.142040.33小計- 1717+ 345+ 359-0.13- 17+0.46面120-1-121( 2)10185047018613930.461821.37面120-1- 121( 1)2257142210320.17140- 1239+ 441+ 361+0.29+ 42+0.91(2 )該工藝具有簡化井下管柱結(jié)構(gòu)降低蒸汽注[2] 李士倫張卿冉新權(quán)等.注氣提高石油采收率技術(shù)入量。提高周期產(chǎn)油量和回采水率的特點。[ M]四川科學(xué)技術(shù)出版社.[11張銳等稠油執(zhí)采技術(shù)M1北京石油工業(yè)出版社