浅析二氧化碳的精准计量
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摘 要：本文以二氧化碳为例，详细阐述了二氧化碳从低温液态到常温气态、超临界状态和各种气液比混合状态的流量计量方式和流量计的选择使用要点，重点阐述了气态、液态混合比值改变频率高的状态之下的二氧化碳流量计量。二氧化碳的计量方法多种多样、层出不穷，计量过程中必须确保二氧化碳测量数据的精准性和操作过程的规范性，其中，计量方法的选择尤为重要。
关键词：二氧化碳 测量 流量 超临界 精准度
引言
在二氧化碳的计量方面，国家还没有明确的规定。处在临界状态的时候，二氧化碳会有多相流的存在，这时对二氧化碳进行精准的计量就会存在某些问题。本文根据情字井油田开发过程中的相关实验数据，阐述了二氧化碳的各种回注计量方法。
一、生产情况及其生产过程中存在的问题
情字井油田实施的驱油实验内容是：把石油天然气开发过程中出现的二氧化碳最大限度地分隔开来，再灌注进油层，这样可以避免大气污染的出现，这项实验的落实一方面可以提升原油的采收效率，另一方面也可以对二氧化碳进行处理，实现经济效益、社会效益的双赢。生产程序如下：将生产带来的二氧化碳和天然气分隔开来，然后将天然气外输出去，分隔之后留存下来的二氧化碳，可以分为两个部分，第一部分是利用加压冷却的方式实现二氧化碳的液化，保存在-200摄氏度、2.0MPa的低温储罐里，然后通过罐车外输出去，第二部分是利用二氧化碳压缩设备增加压力直到注入压力（10-30MPa），利用高压管网输送到注入间，再配置进单井管线的回注油罐层。系统不采取连续运转的形式，管线通过埋地的形式配送，低压配送管线的长度是0.5千米，注入的干线长度范围在0.5到6千米之间，单井管线的长度是1.5千米，管内的介质流动速度范围在0.2到1.2m/s之间，流量计量的节点包括：低温储罐到罐车流量计量、高压缩机之前的流量计量、高压单井流量计量、低温储罐到注入站流量计量。在实际实验的过程中，二氧化碳的在线连续计量存在着某些问题，计量的准确度让人质疑，偏差高至百分之二百。
二、工况详析
以具体的压力级别和介质温度为依据，可以把流量计量分成两种：第一种是比7MPa小的低压，第二种是比7MPa大的高压。第一种里还包括两类状况：第一类状况指的是气态二氧化碳，第二种状况指的是液态的二氧化碳；第二种里还可细分为如下三种：超临界状态、气态、液态。第一种状况之下的液态二氧化碳其相态情况如图1所示。
图1 液态二氧化碳的饱和蒸汽压曲线图
由上图可知，二氧化碳在-200摄氏度、2.0MPa状态之下是饱和的。二氧化碳的气态、液态形式随着温度、压力的改变而改变。换而言之，温度上升或者压力下降的时候，二氧化碳就会朝着气态的形式转变，相反，气态形式的二氧化碳也会由于温度、压力的变化改变成液态形式的二氧化碳。实际测量的过程中，二氧化碳会遭受外在环境局部温度的影响，液态形式的二氧化碳在被测量管路之中会渐渐气化变成微小的气泡，变成泡状流的同时出现了轻微的震动，进而影响测量效果。降低误差发生率的方法主要有两种：
第一种，在流量计之前配置一种增压泵，利用增加压力的手段控制液态形式的二氧化碳的气化过程；第二种方法是保温，换而言之，在流量计的前端管路之上实施保温操作，降低管内液态二氧化碳和外界的热交换频率，避免二氧化碳气化现象的出现。这种情况之下，只好选用普遍适用的流量计，譬如：差压式流量计、科式质量流量计、涡流流量计、靶式流量计、多普勒流量计等。
正如上文所述，低压-200摄氏度、2.0MPa的液态二氧化碳处在饱和的状态，所以，选择流量计的时候必须充分考虑降低流量计测量时候对液体二氧化碳的温度上升及节流。一旦压力下降、温度上升幅度太大，液态的二氧化碳就会因此气化掉，在这种状况之下测量所得的流量值也比较大。气化的时候也会出现气泡，震动的时候也会对部分测量仪表造成影响。所以，实施流量测量比较好的仪表设备是差压式喷嘴、弯管流量计、文氏里管等，质量流量计可以分成两种：间接和直接。间接式质量流量计在被测介质的状况方面要求得很严。
直接式质量流量计还可以分成如下两种：科里奥利质量流量计、热式质量流量计。科里奥利质量流量计在上述状况之下运转的时候，必须做好进液管道线路和流量计本体的保温工作，避免液态二氧化碳进入流量计的时候出现气化的现象，导致大量气泡的产生，气泡破裂时候的震动会给科里奥利质量流量计的测量工作带来影响，第二种高压状态之下，二氧化碳的温度数值在-20摄氏度到-100摄氏度之间，压力数值在10MPa到31MPa之间的时候，二氧化碳就是液态的形式，压力远远超过了7.1MPA的临界点压力，二氧化碳的饱和蒸气压曲线图如图2所示。
图2 二氧化碳的饱和蒸气压曲线图
二氧化碳处在20到400摄氏度、压力处在10到31MPa的时候，二氧化碳的气态、液态转换过程就是热能量交换的过程。二氧化碳和外在环境的热交换过程是持续存在着的，介质流动过程中温度降低时候的气态、液态变化如图3所示。变化过程中，温度数值是不变的，同一种物质的不同存在状态在10到31MPa的压力之下，气态、液态的密度有着一定程度上的不同，这2种不同的状态按照一定的比例混合，这种计量之下的精准度就会有明显的提升。实际进行过程中，二氧化碳和外在环境的热交换是持续进行的，这两种介质的比例随着时间、地点的变化而变化。使用通用流量计量①和⑦的时候，计量的准确度不会受到太大的影响。在2到6的液态状态之下，外在环境并没有太大的变化，热交换也没有发生，测量之处气态、液态的比例保持不变。
图3 二氧化碳的气态、液态变化过程示意图
为了最大限度地降低测量误差，还必须在管段之上配置振动测量仪器，将管段震动带来的测量误差弥补起来，一旦被测量的介质其气态、液态的分隔特别明显，就必须将质量测量传感器打开，根据环形的形状运算所在位置，更科学的测量手段是：首先实施气态、液态的分隔，然后将流动的速度降下来，让气态、液态混合液体在重力的作用之下分隔开来，最后就是确保被测管段的无热交换，或者只是存在微量的热交换活动，与此同时，还必须确保管道里的气体、液体流速处在平衡稳定的状态，测量出气液流动速度、界面的位置，根据一定的比例折算在被测压力温度之下的气态、液态体积流量。传感器配置如图4所示。
图4 传感器配置示意图
三、结语
综上所述，相流的测量方式多种多样，必须解决的问题是分清楚各项之间的比值，各项介质的测量可以分成两种：主动与被动。主动指的是将被测量的介质分隔开来，再逐一测量，被动测量指的是使用概率法多点、多频度测量，以测量数据为依据提升测量的精准度。构造被测介质的P-T-P三维模型是其中的关键步骤，数据库完善之后才可以实现测量值与真实值的转换。
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