李 雷,鄭惠峰,王明偉,劉興斌,呂建華,關(guān)永彪

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163453；2.中國(guó)石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412；3.大慶油田有限責(zé)任公司采油二廠 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煤層氣的開(kāi)采愈來(lái)愈受到重視，尤其淺層氣資源豐富，目前探明煤層氣儲(chǔ)量已達(dá)1012m3數(shù)量級(jí)[1]。雖然經(jīng)過(guò)20多年的攻關(guān)，形成了煤層氣排水降壓開(kāi)采技術(shù)、定向羽狀水平井等MRC特殊結(jié)構(gòu)井鉆完井技術(shù)及開(kāi)采技術(shù)、煤層氣開(kāi)采裸眼洞穴完井技術(shù)等煤層氣開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)體系，但淺層氣的勘探和開(kāi)發(fā)仍處于探索階段[2]。國(guó)內(nèi)淺層氣井井深一般在1 500 m以內(nèi)，淺層氣井的排采工藝多采用管柱排水采氣法，煤層氣井的產(chǎn)水量在3～10 m3/d，平均單井產(chǎn)氣量?jī)H1 000～2 000 m3/d，且井下測(cè)試空間狹小、流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜[3,4]。氣井產(chǎn)出剖面測(cè)試是了解煤層氣井排采狀態(tài)、指導(dǎo)淺層氣開(kāi)發(fā)的重要手段，然而目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)氣剖面測(cè)試使用的主要是PLT多參數(shù)組合生產(chǎn)測(cè)井儀，其中用于測(cè)量氣體流量的CFBM籃式流量計(jì)的渦輪總成重量大，造成儀器啟動(dòng)排量在2 000 m3/d以上，不適于低產(chǎn)出井氣量測(cè)試的應(yīng)用[5,6]；李軍、李雷等[7,8]采用非集流式壓差式密度計(jì)實(shí)現(xiàn)了淺層氣井內(nèi)液面下的產(chǎn)氣量測(cè)量，但不適于井內(nèi)液面以上產(chǎn)層的產(chǎn)氣量測(cè)試。

針對(duì)低產(chǎn)淺層煤層氣井氣體流量測(cè)試問(wèn)題，本文采用傳感器熱敏探頭與流體方向平行結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種井下恒流式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，該儀器具有無(wú)可動(dòng)部件、量程范圍寬、測(cè)量精度高、測(cè)量下限低等特點(diǎn)。通過(guò)開(kāi)展大量模擬井和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，表明了恒流式熱式氣體流量計(jì)用于井下氣體流量測(cè)量的可行性，滿足煤層氣井及淺層氣井的測(cè)試需求。

1 熱式氣體流量計(jì)測(cè)量原理

熱式氣體流量計(jì)是根據(jù)熱擴(kuò)散原理，利用氣體流體與熱源熱量的熱交換量的關(guān)系進(jìn)行氣體質(zhì)量流量測(cè)量[8-10]。熱式氣體流量計(jì)測(cè)量原理示意圖如圖1所示。在測(cè)量管道中放入兩個(gè)鉑電阻傳感器，一個(gè)用于測(cè)量環(huán)境溫度稱為測(cè)溫電阻Pt100，另一個(gè)用來(lái)測(cè)量氣體的速度稱為測(cè)速電阻Pt20，通過(guò)電流加熱電阻Pt20，使其溫度高于周圍介質(zhì)溫度，當(dāng)周圍介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，將發(fā)生熱量的傳遞。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電流對(duì)加熱源的加熱熱量與氣體質(zhì)量流量之間存在一定關(guān)系式，本文建立并經(jīng)實(shí)際標(biāo)定的熱擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型可表示為：

ΔQ/ΔT=k1+k2(ρ·u)k3

(1)

其中，流體密度為ρ，流體流速為u，加熱源被流體帶走的熱量為ΔQ，加熱源與流體的溫差為ΔT，k1為流動(dòng)有關(guān)的系數(shù)，k2為與所測(cè)氣體物性(如熱導(dǎo)率、比熱容、粘度等)有關(guān)的系數(shù)，k3為指數(shù)系數(shù)，在～之間，對(duì)于組分一定的流體，k1，k2，k3為常數(shù)。

若r2·π為管道截面積，則氣體質(zhì)量流量νM可表示為：

νM=ρ·u·r2·π

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可知，氣體質(zhì)量流量νM與ΔQ/ΔT呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且氣體質(zhì)量流量νM和溫差ΔT成反比關(guān)系。本文擬以恒定功率提供熱量，即產(chǎn)生熱量ΔQ為恒值，當(dāng)測(cè)速電阻不隨溫度而變化，則加熱電流I恒定。因此，本文的恒流式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)只要測(cè)出隨流量變化的測(cè)速電阻與測(cè)溫電阻兩探頭之間的溫差ΔT，便可求得流體的質(zhì)量流量νM。

圖1 熱式氣體流量計(jì)測(cè)量原理示意圖

2 熱式氣體流量計(jì)總體設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

在復(fù)雜的煤層氣井下測(cè)試環(huán)境中，傳統(tǒng)熱線式風(fēng)速儀和熱球式風(fēng)速儀不能接觸液體而不適于井下氣體流量的測(cè)試。鉑電阻的溫度變化具有良好線性變化特性且恒流工作時(shí)其工作溫度與環(huán)境溫度的差值基本保持恒定[11]，因此選取鉑電阻作為氣體流量傳感器，其結(jié)構(gòu)剖面圖，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：采用引線貫穿電阻體引出，其引線反端與電阻體利用陶瓷燒結(jié)在一起使其堅(jiān)固；采用鉑絲纏繞在電阻體外表面且用陶瓷覆蓋燒為一體，使得傳感器具有散熱性好、響應(yīng)速度快、自熱系數(shù)小、防振動(dòng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命周期長(zhǎng)等特點(diǎn)；由于鉑絲膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于陶瓷膨脹系數(shù)，傳感器燒結(jié)后的鉑絲將取得足夠大的膨脹空間，從而避免傳感器鉑絲加熱膨脹受外殼陶瓷影響。

圖2 鉑電阻傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

由于傳統(tǒng)常用熱式氣體流量計(jì)的熱敏探頭與風(fēng)向垂直結(jié)構(gòu)無(wú)法應(yīng)用于煤層氣井下狹小空間環(huán)境下，本文設(shè)計(jì)可調(diào)傾角為θ的氣體流量測(cè)量原理樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量范圍為50～2 000 m3/d，開(kāi)展原理樣機(jī)熱敏探頭在不同傾角θ下的模擬井筒內(nèi)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，并記錄下不同氣體流量條件下儀器的響應(yīng)值，繪制響應(yīng)歸一化圖版，如圖4所示。

圖3 傾角為θ的原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖4分析，在傳感器不同傾角θ下，儀器響應(yīng)隨氣流量的增加呈指數(shù)形式遞減，當(dāng)速度傳感器與流速方向垂直時(shí)，傳感器響應(yīng)值最大；隨著傳感器與流速方向傾角減小，傳感器響應(yīng)值逐漸減?。划?dāng)速度傳感器與流速方向平行時(shí)，傳感器響應(yīng)與氣體流速呈單調(diào)遞減且具有很好的分辨率。

圖4 不同傾角θ下速度傳感器響應(yīng)歸一化圖版

由于煤層氣井的井身結(jié)構(gòu)，儀器的最大測(cè)試尺寸為36 mm，所以儀器外徑為28 mm，且速度傳感器與流速方向采用平行結(jié)構(gòu)，其井下熱式氣體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其中試驗(yàn)樣機(jī)包括儀器外殼、熱式傳感器、電路筒、進(jìn)液口、出液口、導(dǎo)流管以及防撞濾網(wǎng)等。熱式傳感器由熱膜式pt20和pt100組成，位于儀器外殼中心，探頭方向與風(fēng)速方向平行。系統(tǒng)電路置于電路密封筒內(nèi)部。導(dǎo)流管道可對(duì)進(jìn)入管道氣體進(jìn)行整流，使氣體方向與探頭平行，流經(jīng)傳感器后由出液口導(dǎo)出。導(dǎo)流管道底端加裝防撞濾網(wǎng)，為儀器精確測(cè)量提供條件。

圖5 井下熱式氣體流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

井下熱式氣體流量計(jì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖，如圖6所示，其工作原理是系統(tǒng)電路提供恒定電流為熱敏傳感器加熱，氣體流經(jīng)熱敏傳感器后產(chǎn)生熱量交換，熱敏傳感器將熱量散失轉(zhuǎn)換為傳感器阻值的變化，利用橋式電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化信號(hào)，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償處理及D/A轉(zhuǎn)換等處理，最終經(jīng)由壓/頻轉(zhuǎn)換電路或以4～20 mA轉(zhuǎn)換電路的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為流量信號(hào)輸出，并通過(guò)電纜傳送至地面。基準(zhǔn)電路作用是通過(guò)調(diào)節(jié)電橋的某些橋臂，使電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為0，以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。由于儀器測(cè)量量程寬，要求放大電路需滿足具有很大共模電壓、電壓信號(hào)變化范圍寬等特點(diǎn)。

圖6 儀器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的恒流式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)可靠性及響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性，本文分別在大慶油田多相流試驗(yàn)室模擬井試驗(yàn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究。

為了探索煤層氣井產(chǎn)氣量測(cè)試問(wèn)題，在模擬井筒內(nèi)展開(kāi)了測(cè)試儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)。其中，模擬試驗(yàn)井筒外徑139.7 mm，內(nèi)徑125 mm，井筒高13 m，試驗(yàn)介質(zhì)為氮?dú)猓{(diào)節(jié)的氣體流量范圍為50～2 000 m3/d。試驗(yàn)過(guò)程中，將測(cè)試儀器下井后通過(guò)扶正器固定于井筒中心位置，試驗(yàn)樣機(jī)供電工作穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)不同風(fēng)速，并記錄不同風(fēng)速下儀器的輸出響應(yīng)值，則測(cè)試儀器的響應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。

由圖7分析，熱式氣體流量計(jì)在0～2 000 m3/d氣流量范圍內(nèi)均有響應(yīng)，隨著流量的增加，儀器的響應(yīng)單調(diào)遞增，且呈近似線性變化，并且在氣體小流量范圍內(nèi)儀器響應(yīng)近似平滑曲線。

通過(guò)反復(fù)的模擬井標(biāo)定試驗(yàn)，可獲得不同流量下傳感器的溫差和功耗，將圖7試驗(yàn)所得到的儀表模型通過(guò)計(jì)算機(jī)寫入到儀器電路系統(tǒng)中，則傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，再通過(guò)標(biāo)定過(guò)的模型進(jìn)行計(jì)算，得出計(jì)算的結(jié)果就是流量，將流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號(hào)輸出，再由脈沖轉(zhuǎn)換器發(fā)回地面。經(jīng)過(guò)電路擬合處理后的儀器輸出值與風(fēng)速之間呈線性關(guān)系，見(jiàn)表1所示。

表1 流量?jī)x表校核結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可知，采用平行結(jié)構(gòu)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行氣體流量測(cè)量整體準(zhǔn)確度較高、誤差較小，滿足煤層氣井產(chǎn)氣層氣體測(cè)量的需要。

4 結(jié) 論

1)熱式氣體流量傳感器的分辨率受熱敏探頭與流速方向傾角(0～90°)影響，傾角越大，分辨率越大。

2)平行結(jié)構(gòu)熱式氣體流量計(jì)在氣流量范圍內(nèi)(0～2 000 m3/d)均有響應(yīng)，儀器的響應(yīng)單調(diào)遞增，且呈近似線性變化。

3)經(jīng)過(guò)校正后的平行結(jié)構(gòu)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量誤差小于6.5%，滿足煤層氣井產(chǎn)氣層氣體測(cè)量的需要。

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