余訓(xùn)兵 / 遼河油田鉆采工藝研究院

0 引言

對于稠油開采，由于其黏度較高，熱采是較為必要的措施，而能夠提高原油采收率所采用的熱效率最高的技術(shù)就是火驅(qū)。火驅(qū)是指將壓縮空氣注入地層中，然后通過點火器加熱地層。當(dāng)達(dá)到一定溫度時，地層原油就會點燃，產(chǎn)生驅(qū)替作用，提高采收率[1]。其中，空氣是地層點燃的必要條件。

在注氣過程中，由于氣體進(jìn)入的層位不同，會對火燒預(yù)期效果產(chǎn)生不同的影響。因此對火驅(qū)井中各層位的注氣比例的判斷，既可以了解注入空氣的去向，又可以在地層點燃后，判斷并監(jiān)測地層的燃燒情況。

1 氣體流量測試原理

熱式氣體質(zhì)量流量計可以測試空氣流量、溫度、壓力、磁定位等參數(shù)，其空氣流量的測量是基于對流換熱的原理實現(xiàn)的。采用兩支并排的鉑電阻作為探頭，一支為不加熱的測溫探頭，另一支為加熱探頭，介質(zhì)處于靜態(tài)時，讓兩支鉑電阻保持一定溫差。當(dāng)介質(zhì)流動時，被加熱的鉑電阻的熱量被帶走，通過測量熱量變化來獲得流量大小情況（圖1）。按照鉑電阻的加熱方式可以分為恒溫差式和恒功率式兩種熱式氣體質(zhì)量流量計。熱式氣體質(zhì)量流量計的優(yōu)點是可以測量微小氣體流量、穩(wěn)定性好、可靠性高等[2][3]。

流量測試可以了解各層吸氣比例；溫度測試通過鉑電阻實現(xiàn)，可以反映火驅(qū)井井底溫度剖面，判斷各層位燃燒情況；壓力測試反映井底壓力剖面，空氣波及情況以及井底液面位置；磁定位確定井底各層深度等情況?？傊瑹崾綒怏w質(zhì)量流量計對了解火驅(qū)注氣井井下情況十分重要。

圖1 熱式氣體質(zhì)量流量計原理圖

2 流量計

2.1 流量計電路

本文研制的是恒溫差式熱式氣體質(zhì)量流量計。恒溫差的原理是通過反饋控制電路控制加熱的鉑電阻，使得加熱鉑電阻和測量氣體自身溫度值的另一個不加熱鉑電阻之間保持恒定的溫差。當(dāng)流體流動時，會帶走加熱鉑電阻上的熱量，加熱鉑電阻的溫度會下降。此時，通過加大電流給加熱鉑電阻加熱，該電流就與氣體的流量成正比。整個系統(tǒng)方案見圖2。

圖2 系統(tǒng)方案

儀器采用的核心處理器MCU是ADI公司的數(shù)據(jù)采集芯片ADuC834，為主控芯片（圖3）。ADuC834內(nèi)部集成了兩路獨立的Σ-ΔADC，其中主通道ADC為24位，輔助通道ADC為16位。通過兩路獨立的Σ-ΔADC，完成了內(nèi)溫以及壓力信號的采集，通過MCU內(nèi)部自帶的脈沖計數(shù)器完成磁定位的采集。

圖3 ADuC834電路及其外圍接線原理

流量的采集模塊采用AD7799芯片及其外圍電路完成（圖4）。AD7799具有3個差分輸入通道，其中兩個通道連接流量傳感器，并與ADuC834相連，完成流量傳感器的外溫測試、流量測試及恒溫差控制。

圖4 AD7799電路及其接線原理

2.2 流量計的程序

流量計的程序設(shè)計實現(xiàn)了電路的功能，流量計采用C語言完成程序編寫。該流量計對井下的流量、壓力、溫度、磁定位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲，能夠設(shè)置參數(shù)，也能被讀取數(shù)據(jù)。

其程序流程如圖5。圖中通信模式包括參數(shù)的設(shè)置、參數(shù)的讀取、存儲數(shù)據(jù)的讀取。通信完成之后，重新等待客戶端的指令。

采樣模式可以實現(xiàn)井下的流量、壓力、溫度、磁定位等數(shù)據(jù)的采集。其中溫度、流量的采集頻率是500 ms/次，壓力的采集頻率是1 s/次，磁定位的采集頻率是50 ms/次。采樣模式被設(shè)置為兩段，一段是休眠時間，一段是采集時間。開始時系統(tǒng)進(jìn)入休眠，當(dāng)休眠時間結(jié)束時，中斷叫醒整個系統(tǒng)，從而進(jìn)入采集時間。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢時，系統(tǒng)徹底進(jìn)行睡眠，不再被叫醒，等待斷電并讀取數(shù)據(jù)。

當(dāng)電池斷電后重新上電時，系統(tǒng)重新開始執(zhí)行，讀取采樣計劃，重新開始采樣。其程序流程如圖5所示。

圖5 熱式氣體質(zhì)量流量計程序流程

3 實驗誤差分析及處理

在火驅(qū)注氣井中，多次使用熱式氣體質(zhì)量流量計對注入各油層段的氣體流量進(jìn)行測試，結(jié)果顯示有測試誤差。經(jīng)分析，誤差來源主要有：環(huán)境溫度、氣體的濕度、儀器下放速度、儀器在油井中方位。為了將氣體流量的測試準(zhǔn)確度控制在3%以內(nèi)。采用了如下方式來減小誤差：

1）針對環(huán)境溫度對測試準(zhǔn)確度的影響。在儀器內(nèi)部存有溫漂校正表，測試數(shù)據(jù)會進(jìn)行溫漂校正，降低了溫度對儀器流量測試帶來的影響；

2）針對氣體的濕度對儀器示值的影響。由于熱式流量測試原理，在進(jìn)行吸氣剖面測試時，氣體的濕度越大，熱量散失越快，儀器示值會變大。為避開這個因素帶來的影響，采用計算各層吸氣比例的方式，而不是計算流量絕對值的方式來進(jìn)行測試，因為氣體濕度在同一時間、同一地點基本一致。

3）儀器下放速度帶來的影響。當(dāng)儀器下放時，其方向與氣體注入方向是一致的，當(dāng)速度越大時，相對速度就越小，儀器示值越大。速度與示值是反方向變化的。因此，只能通過控制下放速度來解決。儀器下放時，其速度務(wù)必保持較低勻速，才能降低測試的誤差。

4）一般情況下，儀器緊貼在油井壁上測試時對比處于油井中間測試時聽獲的示值要小。針對儀器在井中方位對儀器示值的影響，采用扶正器將儀器固定在油井中間位置下入井中。

通過上述一系列的方式，最終將儀器的流量測試準(zhǔn)確度控制在3%以內(nèi)，極大地提高了火驅(qū)注氣井各層吸氣比例測試的準(zhǔn)確度。

4 應(yīng)用實例

應(yīng)用該測試儀對遼河油田某火驅(qū)注氣井進(jìn)行測試，其測試結(jié)果如圖6所示。以728 m3/h的注氣量（ 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)）將空氣注入油井中，油井有1、2、3、4等4個油層段，采用該儀器測試空氣注入每個油層的比例。儀器下入第1、2、3層時其示值變小，當(dāng)?shù)竭_(dá)井底974 m時，儀器由空氣介質(zhì)進(jìn)入液體介質(zhì)，流量示值變大（在液體中，液體比氣體能帶走更多的能量。由于液體的傳熱比氣體快，因此流量計無法快速進(jìn)行溫差補償，導(dǎo)致其測試值急劇增大）。因此4號層吸氣為0%。

各層的注入比例可以根據(jù)示值的大小差值進(jìn)行計算。如：

1號層注入比例 =ΔF1/(ΔF1+ ΔF2+ ΔF3)式中：ΔF1—— 1號層上下流量值下降值；

ΔF2—— 2號層上下流量值下降值；

ΔF3—— 3號層上下流量值下降值

依此類推計算，1號層比例為：38%，2號層比例為：17%；3號層比例為45%。

圖6 測試及解釋結(jié)果

5 結(jié)語

采用恒溫差原理設(shè)計的熱式氣體質(zhì)量流量計能夠應(yīng)用于火驅(qū)注氣井中，其測試結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映火驅(qū)注氣井的溫度、壓力、流量的變化，也能夠反映注氣井各油層段的注氣比例。對火驅(qū)注氣井點火有一定的指導(dǎo)意義。采取一系列措施后，將儀器的流量測試準(zhǔn)確度控制在3%以內(nèi)。當(dāng)儀器進(jìn)入液面后，其示值會急劇變大，證明其不能應(yīng)用于液體中。實際應(yīng)用表明，該測試儀能較好地應(yīng)用于火驅(qū)注氣井流量測試。