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 技术论文
 

马来西亚 Bintang 地区 Smartvent湿气体流量计的现场安装

H.de leeuw B.Dybdahl
晁宏洲译 王文华校
(塔里木油田分公司计量检定测试中心)

摘 要

    用独立的湿气体流量计取代价格昂贵的开口测试分离器和相关的配套设施的湿气体流量测量技术日益被接受。目前超过 140台的Petrotech湿气体流量计已被世界范围内的操作者所购买。除了可以节省相当可观的费用外,每一井口产量可以连续读数的适用性使得可以深化对储量的管理和产品的优化。

    这篇文章提出了目前湿气体流量测量技术在 Bintang地区的应用。该油田由ExxonMobil公司开发。Bintang的开发包括在每一单井位置永久安装的Smartvent湿气体文丘里流量计。研发了特别的湿气体流量计算和监测软件用以工艺控制,安装了一台独立的流量计算机,同主机DCS系统界面通讯。在油田开始投入运行后,将会使用Multitrace示踪技术方法对产品流量测量进行现场检定/校准。

    安装前,在挪威的 K-lab高压气体/液体流量测试设备上对流量计的全程湿气体流量进行了测试。使用的测试流体包括烃类天然气和冷凝物,建立了一套独一无二的实验性质的湿气体数据,获得了有价值的测量经验。结果显示,De leeuw气体校正相关性能够在±2~4%范围内校正烃类天然气流量。De leeuw连续流体流量测量相关性能够在超出测试范围的大约±10~15%内确定总体液体流量。相应的较小的操作窗口与现场示踪校准测量相结合可以获得较低的不确定度。此外,示踪方法将会提供独立的水和冷凝物流量。

1.引 言

    如果常规的测试分离器和相关的附属设备用每条井口流出管线的 Petrotech文丘里湿气体流量计取代,与气井/凝析油井产品流量测量相联系的昂贵的费用就可以节省下来,并且流体的湿度使用非放射性的Multitrace示踪技术可以检定/校准。与示踪技术相结合,可以得到准确的井口流出物PVT样品,用以快速计算和工艺模拟。此外,借助Multitrace气体示踪技术和Petrotech分流井口采样技术(ISO-分流)可以得到各个水平的充足的数据。

    湿气体流量测试设备是 ExxonMobil公司为Bintang油田开发所选用的。该油田位于离开马来西亚Terenganu海岸的地方。在安装前,湿气体流量计在挪威的K-lab高压天然气/冷凝物测试设备上进行了全程的湿气体测试。测试的目标之一是在单一相流体中校准所有15台流量计以建立实际的流出系数。在原理上,ISO5167标准中给出的数值不能作为Bintang井口流出物的流动雷诺数,它要比标准中列出的最大数值还要高。测试的第二个目标是在烃类湿气体流量条件下,试验3台独立的4″流量计和3台独立的6″流量计以评价De leeuw气体校正相关性和De leeuw连续流体流量测量相关性。

    这些试验大约在 35bar和65bar的压力下进行,应用各种不同的气体粘度,液体体积分数高至大约4~5%。后者与高至大约0.125的Lockhart-Martinelli参数相一致。最为重要的是这些试验使用烃类天然气和冷凝物。

图 1-正在建设中的Bintang-A平台

2.计量原理

    Bintang地区选用的湿气体流量计系统包括在每个独立的井口安装Smartvent湿气体文丘里流量计,提供气体和总液体流量的连续测量数值。测量的液体相借助已建立的流体物性数据和快速计算最初划分为水和冷凝物分数。从油田投入运行开始,示踪技术将被用来独立测量水和冷凝物的含量。

图 2-湿气体流量计测量方法示意图

    湿气体流量计,如图 3所示,合并De leeuw气体校正相关性对湿气体中自由水含量作出校对,De leeuw连续流体流量测量相关性确定总的液体流量。两种相关性不依赖于相似的流量条件,也不需要流量作其它调节。除了湿气体,文丘里流量计流动管线中没有其它障碍物。

图 3-典型的湿气体流量计算方法

    De leeuw连续流体流量测量相关性基于规格化实际液体含量的的次级差压测量的灵敏性。这种相关性的初期发展基于来自Trondheim流量回路测试的数据。在这个基础上,早期的De leeuw气体校正相关性得以发展。典型的测试结果显示于图4中,在该图中,对一个压力范围(15和30bar数据没有显示出来),归一化的次级差压对Lockhart-Martinelli参数作图。与气体流量溢出读数的性质相似,压力损失进一步取决于气体流速和气体Froude数。

图 4-Trondheim流量回路结果,压损比

    这种相关性的准确性显示在下面的图 5中。在该图中,计算出来的总的液体流量的相对误差对以Lockhart-Martinelli参数表示的参考液体负荷作图。可以看出,基于Trondheim数据的总体偏差大约在±10%。

图 5-双差压法得到的校正液体流量数据的可能偏差

    MultiTrace跟踪技术可以阶段性地应用来检定或校准独立的水和冷凝物流量。这种跟踪方法包括把合适的的跟踪剂注入到流量管线中,再在注入点下游合适位置采集液体样。跟踪剂稀释比的测量使得可以确定水和冷凝物的流量。为了对湿气体计性能进行现场检定,可以应用MultiTrace跟踪技术检定实际的经校正的气体流量。相对于每一单一相,跟踪技术的准确度优于±5~10%,并且与测试流体的特定体积无关。

图6-典型采样仪器                      图7-实时趋势线

    为了监测单井产量,研发了特别的湿气体流量计算软件,并且安装在一台独立的流量计算机上,同主机平面 DCS系统通讯。流量计算结合De leeuw相关性,软件综合湿气体文丘里流量计数据,跟踪技术结果和用于快速计算的各种选项。所有的测量结果可以在实时趋势线中显示,如图7,产生用户定义格式的报告。

3. KARST ? 计量技术实验室( K LAB)

    KARST?计量技术实验室,位于挪威Haugesund附近,是一个用附近KARST?气体终端站天然气烃类气体和冷凝物作试验流体的大型测试设备。该设备的线压力可以在大约20到150bar范围内变化,流量回路是一个密闭的系统。单相气体体积流量可以在大约40到2000实际m 3 /h之间变化。

    为适应两相气 /液测试,该测试设备进行了扩展,增加了一台冷凝物注入设备,安装了2台分离器,一台安装在上游,另一台安装在流量计测试部分的下游。单相冷凝物体积流量可以在大约0.1到10m 3 /h之间变化。

    K-LAB测试设备示意在图8中,显示了3台流量计同时测试的情况。

    参考气体流量可以用一台涡轮流量计测量,该涡轮流量计可以定期用音速喷嘴校准,反过来,每年一次再用称量容器校准音速喷嘴。液体参考流量用校准过的科里奥利流量计测量。

图 8-K-Lab测试设备示意图

4.湿气体文丘里流量计实验安装

    流量计测试部分布置包括系列安装的 3台独立的流量计,如图9中。这种安装减少总体测试时间,提供评价不同流量计一致性的可能。两台流量计之间的距离大于20倍管径长度,防止它们之间的影响。

    流量计处的温度用测试部分的上游和下游测得的实际压力值进行内插得到。这也可以用图 2说明。这种方法被认为非常准确,因为测试部分的温度变化从不超过0.5℃。

图例

T=温度变送器

P=压力变送器

DP1=差压变送器(流量)

DP2=差压变送器 (液气比)

图 9-流量计测试部分平面图

    一台独立的湿气体流量计示意图在图 10中给出,可以看出,最基本的需要测量四个量:绝对压力、2个差压和温度。

图 10-湿气体流量计示意图

图 11-K-Lab测试现场总览

5.单一相校准结果

    为了确定实际的湿气体流量计流出系数,所有的流量计在单一相流体中进行校准。国际 ISO-5167标准中列出的流出系数在原理上不能用作对应的流体雷诺数,因为在井口遇到的气体流量不在标准中列出的有效性范围内。

    每一台流量计在 6个不同的气体速度或雷诺数下进行校准。在每一次运行中测量数据在大约480s(8min)内采集并平均。图12和图13分别给出了6″和4″流量计结果的图形效果。对一些流量计反复运行检查一致性。

    这可以从下面的图形中看出来,测量的流出系数在 0.95到1.02的范围之内。

图 12-单一相中流量计校准(6″)——流出系数

图 13-单一相中流量计校准(4″)——流出系数

6.湿气体评价测试

    湿气体测试结果的提出分两部分。在第一部分提出了烃类湿气体流量条件下 De leeuw气体校正相关性。第二部分提出了De leeuw连续流体流量测量的相关性。

6.1 De leeuw气体校正相关性

    对由于存在液体而进行的测量气体体积流量校正的 De leeuw相关性最初由高压测试设备上收集的数据发展而来,该测试用典型氮气作气相,用炼制油作液相。后来的工业评价都基于相似的测试流体。

    这篇报告中陈述的 K-Lab评价测试是用烃类天然气和液体作为试验流体的全程实验。对于井口现场流量的测试数据非常有限。这些结果常常要受到一些因素的妨碍,如相对小的压力和液体负荷范围,很差的甚至没有参考流量设备。

    通过比较实测的气体流量溢出读数和计算的溢出读数因子而作出评价。使用的液体流量采自参考流量设备,因为这提供了排除其它影响因素而评价 De leeuw气体校正相关性的可能。例如,其中一台流量计的测试结果绘制成曲线显示在图14中,这里是用气体流量溢出读数对用Lockhart-Martinelli参数形式表示的液体含量作图。点代表测量值,线代表De leeuw相关性。

图 14-气体流量溢出读数对液体含量

    所有测试的 6台流量计参考气体流量和计算经校正的气体流量之间的相对偏差结合显示在图15中。结果表明,De leeuw气体校正相关性在大多数条件下使气相溢出读数在大约±2%范围之内。因此可以得出结论,De leeuw气体校正相关性的准确性用烃类试验流体已作出了验证。

图 15-经校正的气体流量的相对误差

6.2 De leeuw连续流体流量相对性

    De leeuw连续流体流量相关性的评价起先用液体流量结果表示,后来用最终的气体流量结果表示,这与前面的章节相反。气体流量结果现在用De leeuw液体相关性确定的实际液体流量表示出来。

6.2.1 液体流量结果

    连续液体流量测量结果的 De leeuw相关性是基于气体流中总的液体含量归一化附加差压测量的灵敏性。其中一台4″流量计的结果示于图16中,图中用归一化次级差压对用Lockhart-Martineli参数表示的液体含量作图。图中用3个不同流量条件的结果作图。

图 16-双差压对Lockhart-Martineli参数参数(4″流量计)

    从显示的灵敏性实际液体含量可以被计算出来。 6″和4″流量计的最终结果分别在图17和图18中表示出来,计算出的液体流量对参考液体流量作图,10%误差线也表示出来。

图 17-计算出的液体流量对参考液体流量(10%误差线)

图 18-计算出的液体流量对参考液体流量(10%误差线)

    可以看出, 6″流量计的结果稍微比4″流量计的结果准确一些,特别是最高100m 3 /d的低液体流量区。出现这种现象的原因是3台独立6″流量计的原始测量数据与4″流量计相比显示出较小的偏离。大一些的偏离最终导致了液体流量计算的准确性要差一些。

6.2.2 气体流量结果

    最终的校正气体流量是基于来自次级差压测量结果的实际计算液体流量值的应用。校正气体流量的最终结果误差显示在图 19中,可以看出,总体结果仍然很好地介于目标准确度±5%之内。

    校正气体流量准确度非常好的一个原因是气体流量溢出读数对液体含量的灵敏度相对要低。基本上, 10%的液体流量误差将导致校正气体流量最大只有0~2%的误差,取决于实际液体含量。

图 19-校正气体流量的相对误差,使用De leeuw连续流体流量相关性

为了说明,将结果绘制成校正气体流量对参考气体流量的曲线,显示在图 20中。

图 20-校正气体流量对参考气体流量(5%误差线)

7.结论

    用于产品监测的 Petrotech湿气体流量测量设备被ExxonMobil公司选用于Bintang油田开发,位于马来西亚离开海岸的地方。

    安装前,在 K-Lab高压测试设备上进行了湿气体流量计评价测试。用天然气和冷凝物作试验流体。在单相流中校准的流量计流出系数落在0.95到1.02的范围之内。这些数值与ISO-5167标准中列出的数值稍微有些差异。

    De leeuw气体校正相关性,反映由于自由液体的存在导致的实际气体流量的溢出读数。表明可以校正气体流量到±2~4%范围内。这个结果来自K-Lab条件下测试的6台不同流量计,基于这些结果,良好的相关性得到了说明。

    De leeuw连续液体流量相关性,反映气流中的总液体含量,表明可以确定实际液体流量到±10~15%范围内。对应的较小的操作窗口结合现场示踪标准设备可以获得低的不确定度。示踪方法也提供了独立的水和冷凝物流量的测量结果。

8.参考文献

[1] ISO 5167-1:1991(E), Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices - Part 1: Orifice plates, nozzles and Venturi tubes inserted in circular crosssection conduits running full.

[2] de LEEUW, H., Nilsson, C.N., van MAANEN, H.R.E., et. al., Wet Gas Flow Measurement and Field Development Experience in Oman . Wet Gas Metering Seminar proceedings, NEL, Paris , France , June 2001.

[3] KONOPCZYNSKI, M.R., de LEEUW, H., Large-Scale Application of Wet Gas Metering at the Oman Upstream LNG Project, SPE 63119, Dallas, Oct. 2000.

[4] de LEEUW, H., Venturi Meter Performance in Wet Gas Flow., Multiphase '97 proceedings, BHR Group, Cannes, France, 1997.

[5] de LEEUW, H., Wet Gas Flow Measurement Using a Combination of a Venturi Meter and a Tracer Technique, North Sea Flow Measurement Workshop proceedings, Kristiansand, Norway, Oct. 1997.

 
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