湿ったガス

湿潤ガスとは、少量の液体を含むガスのことです。^[1]「湿潤ガス」という用語は、液体蒸気で飽和したガスである湿潤ガスから、ガスの体積が 90% の多相流まで、さまざまな状態を表すために使用されています。その実際の定義については議論があり、^[2]現在、湿潤ガス流の完全に定義された、普遍的に受け入れられている定量的な定義はありません。

湿りガスは、構成物質の密度の変化が重大な問題を引き起こすため、流量測定の分野では特に重要な概念です。

湿ったガスの流れの典型的な例は、石油およびガス産業における天然ガスの生産です。天然ガスは、さまざまな非炭化水素を含む炭化水素化合物の混合物です。これは、気相または液相、または多孔質の岩石層内の原油の溶液として存在します。抽出された湿ったガスの液相に存在する炭化水素の数は、ガスと液体が除去されるにつれて時間の経過とともに変化する貯留層の温度と圧力条件によって異なります。液体とガスの含有量の変化は、湿ったガスが高温高圧の貯留層からより低い温度と圧力にさらされる地表に輸送されるときにも発生します。この湿ったガスの存在と変化により、ガス相の流量を正確に測定する能力に問題やエラーが発生する可能性があります。

個々の井戸からの生産量を定量化し、コスト削減に役立つ機器とリソースの使用を最大限にするためには、これらの湿ったガスの流れを正確に測定できることが重要です。

湿性ガス流の特性を説明するために使用される特定の用語はいくつかある： ^{[3] [4]}

表面ガス速度は、湿ったガス流に液体が存在しない場合のガス速度です。湿ったガス流では、液体の存在によってパイプ面積が減少するため、ガス速度は高くなります。

表面液体速度は、湿潤ガス流にガスが存在しない場合の液体速度です。

液体負荷は、液体の質量流量とガスの質量流量の比であり、通常はパーセンテージで表されます。

GVF – ガス体積分率は、ガスの体積流量と総体積流量 の比です。

LVF – 液体体積分率は、液体の体積流量と総体積流量の比です。

ホールドアップとは、湿ったガスの流れを運ぶパイプ内の液体が占める断面積のことです。

空隙率とは、ガスが占める流路面積と全流路面積の比率です。

ロックハート・マルティネリパラメータ[ ^5] 気体は圧縮性があり、圧力の変化に応じて密度が大きく変化します。一方、液体は非圧縮性であると考えられているため、圧力の変化によって密度が変化する傾向はありません。湿潤ガスシステムの圧力が上昇すると、ガスの密度は増加しますが、液体の密度は変化しません。流れ成分の密度は、存在する流体の実際の質量量に関係するため、流量測定において重要な考慮事項です。液体相とガス相の流量と密度の両方を考慮するために、ガスの湿潤度または液体負荷をロックハート・マルティネリパラメータ（χ（ギリシャ文字のカイ）と呼ばれる無次元数）を使用して定義するのが一般的です。このパラメータは、質量流量または体積流量と流体の密度 から計算できます。次のように定義されます。

${\displaystyle \chi ={\frac {m_{\ell }}{m_{g}}}{\sqrt {\frac {\rho _{g}}{\rho _{\ell }}}},}$

どこ

• ${\displaystyle m_{\ell}}$液相の質量流量です。
• ${\displaystyle m_{g}}$気相質量流量です。
• ${\displaystyle \rho_{g}}$ガスの密度です。
• ${\displaystyle \rho _{\ell}}$液体の密度です。

このロックハート・マルティネリパラメータχは、値がゼロのときに完全に乾燥したガスを定義するために使用できます。湿ったガスの流れはχの値がゼロから約0.3の間であり、0.3を超える値は通常多相流として定義されます。^[6]

パイプ内のガスと液体の挙動は、ガス圧、ガス速度、液体含有量、および配管の向き（水平、傾斜、垂直）に応じてさまざまな流動特性を示します。液体は小さな液滴の形になっている場合もあれば、パイプが完全に液体で満たされている場合もあります。ガスと液体の相互作用は複雑ですが、この挙動を分類する試みがなされてきました。これらのガスと液体の相互作用は、一般に流動様式または流動パターンと呼ばれます。^[7]

環状の霧流は、ガス速度が高いときに発生します。パイプの環状部の周りには薄い液体の膜が存在します。通常、液体のほとんどはガスコアに液滴の形で取り込まれます。重力の影響により、パイプの上部よりも下部のほうが液体の膜が厚くなります。

重力分離が完全になると、層状（滑らかな）流れが生まれます。液体はパイプの底に沿って流れ、ガスはパイプの上部を流れます。この状態では液体のホールドアップは大きくなりますが、ガスの速度は低くなります。

成層波流は成層平滑流に似ていますが、ガス速度が速いです。ガス速度が速いと、液体表面に波が発生します。これらの波は、波のピークで液滴を分離してガスに巻き込まれるほど大きくなる場合があります。これらの液滴は、パイプのさらに下方に分散されます。

スラグ フローは、大きな泡状の液体の波がパイプを完全に満たすスラグを形成するものです。これらのスラグは、パイプの底にある厚い液体の膜上に存在するサージ波の形をとることもあります。

細長い気泡流は 、主に液体の流れで構成され、細長い気泡がパイプの上部近くに表示されます。

分散流では、パイプが完全に液体で満たされ、少量のガスが混入していると想定されます。ガスは小さな泡の形をしています。重力によって液体がパイプの底部に保持されるため、これらのガスの泡はパイプの上部領域に留まる傾向があります。

単一の主要ガス成分の流量のみが必要な状況もあり、その場合は単相計測が採用されます。計測値は、液体がメーターに与える影響を補正するように調整できます。液相の計測に使用できる技術には、次のものがあります。

液体をガスから物理的に分離して各相の流量を決定し、各相を個別に計測するテストセパレーター。この方法では、すべての相に関する情報が提供され、それを使用して、メーターに必要な補正を計算し、メーターを通過するガス流量をチェックできます。テスト セパレーターの圧力と温度は、湿式ガス流量メーターと同じである必要があります。そうでない場合、相が測定された相と異なる可能性があるため、ガスと液体の流量をメーターの条件に合わせて補正する必要があります。

サンプリングとは、パイプラインから湿ったガスのサンプルを採取し、分析して構成成分を特定することです。ガス相と液相の両方の分率を代表するサンプルを収集し、サンプリング中に相間で物質移動が起こらないようにすることが重要です。

トレーサー法では、トレーサー染料を湿ったガス流に注入し、下流の特定の距離でサンプルを採取して染料の希釈度を測定します。液体相での染料の希釈度は、液体の流量を計算するために使用されます。この技術は、このテストを実行するために必要な正しいポイントにアクセスするのが難しいため、適用がかなり難しい場合があります。

マイクロ波技術は、炭化水素よりも高い水の誘電率を利用して、液体および気体の相における全体的な水分の割合を検出します。水成分のみを検出して測定するため、液体炭化水素成分は別の方法で測定する必要があります。

ベンチュリ管を使用して流量を測定するさまざまな圧力計全体の圧力損失により、流量の圧力降下が生じますが、この圧力降下は流量計の下流で部分的に回復します。乾燥ガス流では、液体成分のため、湿潤ガス流よりも回復が大きくなります。この差を利用して、液体分率の測定を行うことができます。この方法では、ベンチュリ管の下流に 2 番目の圧力タップを追加して、部分的に回復した圧力降下の測定を行います。この方法は、システム圧力とガス速度の変化によって影響を受ける可能性があります。

DP 流量計の圧力変動や超音波流量計の音速の変化など、液相が測定信号に影響を及ぼす場合には、 高度な信号処理が使用されます。これらの信号の複雑な分析とモデリングにより、液体とガスの流量を判定できます。

市販の湿式ガス流量計は多数あります。ほとんどの流量計は、ガス相には差圧を使用し、液相には液体検出または湿式ガス密度測定の形式を使用し、通常は上記のいずれかの技術を活用します。

• 天然ガスコンデンセート
• 炭化水素の露点
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