一种煤气井产出剖面热式气体流量计的设计

2018-03-26郑惠峰王明伟刘兴斌吕建华关永彪

石油管材与仪器 2018年1期

李雷,郑惠峰,王明伟,刘兴斌,吕建华,关永彪

(1.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163453；2.中国石油集团大庆钻探工程公司测井公司黑龙江大庆 163412；3.大庆油田有限责任公司采油二厂黑龙江大庆 163453)

0 引言

近年来，国内煤层气的开采愈来愈受到重视，尤其浅层气资源丰富，目前探明煤层气储量已达1012m3数量级[1]。虽然经过20多年的攻关，形成了煤层气排水降压开采技术、定向羽状水平井等MRC特殊结构井钻完井技术及开采技术、煤层气开采裸眼洞穴完井技术等煤层气开采的关键技术体系，但浅层气的勘探和开发仍处于探索阶段[2]。国内浅层气井井深一般在1 500 m以内，浅层气井的排采工艺多采用管柱排水采气法，煤层气井的产水量在3～10 m3/d，平均单井产气量仅1 000～2 000 m3/d，且井下测试空间狭小、流动状态复杂[3,4]。气井产出剖面测试是了解煤层气井排采状态、指导浅层气开发的重要手段，然而目前国内产气剖面测试使用的主要是PLT多参数组合生产测井仪，其中用于测量气体流量的CFBM篮式流量计的涡轮总成重量大，造成仪器启动排量在2 000 m3/d以上，不适于低产出井气量测试的应用[5,6]；李军、李雷等[7,8]采用非集流式压差式密度计实现了浅层气井内液面下的产气量测量，但不适于井内液面以上产层的产气量测试。

针对低产浅层煤层气井气体流量测试问题，本文采用传感器热敏探头与流体方向平行结构，设计实现一种井下恒流式热式气体质量流量计，该仪器具有无可动部件、量程范围宽、测量精度高、测量下限低等特点。通过开展大量模拟井和现场动态试验，表明了恒流式热式气体流量计用于井下气体流量测量的可行性，满足煤层气井及浅层气井的测试需求。

1 热式气体流量计测量原理

热式气体流量计是根据热扩散原理，利用气体流体与热源热量的热交换量的关系进行气体质量流量测量[8-10]。热式气体流量计测量原理示意图如图1所示。在测量管道中放入两个铂电阻传感器，一个用于测量环境温度称为测温电阻Pt100，另一个用来测量气体的速度称为测速电阻Pt20，通过电流加热电阻Pt20，使其温度高于周围介质温度，当周围介质流动时，将发生热量的传递。在稳定状态下，电流对加热源的加热热量与气体质量流量之间存在一定关系式，本文建立并经实际标定的热扩散数学模型可表示为：

ΔQ/ΔT=k1+k2(ρ·u)k3

(1)

其中，流体密度为ρ，流体流速为u，加热源被流体带走的热量为ΔQ，加热源与流体的温差为ΔT，k1为流动有关的系数，k2为与所测气体物性(如热导率、比热容、粘度等)有关的系数，k3为指数系数，在～之间，对于组分一定的流体，k1，k2，k3为常数。

若r2·π为管道截面积，则气体质量流量νM可表示为：

νM=ρ·u·r2·π

(2)

根据式(1)和式(2)可知，气体质量流量νM与ΔQ/ΔT呈一一对应的关系，且气体质量流量νM和温差ΔT成反比关系。本文拟以恒定功率提供热量，即产生热量ΔQ为恒值，当测速电阻不随温度而变化，则加热电流I恒定。因此，本文的恒流式热式气体质量流量计只要测出随流量变化的测速电阻与测温电阻两探头之间的温差ΔT，便可求得流体的质量流量νM。

图1 热式气体流量计测量原理示意图

2 热式气体流量计总体设计

2.1 传感器选型

在复杂的煤层气井下测试环境中，传统热线式风速仪和热球式风速仪不能接触液体而不适于井下气体流量的测试。铂电阻的温度变化具有良好线性变化特性且恒流工作时其工作温度与环境温度的差值基本保持恒定[11]，因此选取铂电阻作为气体流量传感器，其结构剖面图，如图2所示。其结构特点为：采用引线贯穿电阻体引出，其引线反端与电阻体利用陶瓷烧结在一起使其坚固；采用铂丝缠绕在电阻体外表面且用陶瓷覆盖烧为一体，使得传感器具有散热性好、响应速度快、自热系数小、防振动、稳定性强、寿命周期长等特点；由于铂丝膨胀系数远大于陶瓷膨胀系数，传感器烧结后的铂丝将取得足够大的膨胀空间，从而避免传感器铂丝加热膨胀受外壳陶瓷影响。

图2 铂电阻传感器结构剖面图

2.2 仪器结构设计及试验

由于传统常用热式气体流量计的热敏探头与风向垂直结构无法应用于煤层气井下狭小空间环境下，本文设计可调倾角为θ的气体流量测量原理样机，其结构如图3所示。通过调节气体流量范围为50～2 000 m3/d，开展原理样机热敏探头在不同倾角θ下的模拟井筒内动态试验，并记录下不同气体流量条件下仪器的响应值，绘制响应归一化图版，如图4所示。

图3 倾角为θ的原理样机结构示意图

由图4分析，在传感器不同倾角θ下，仪器响应随气流量的增加呈指数形式递减，当速度传感器与流速方向垂直时，传感器响应值最大；随着传感器与流速方向倾角减小，传感器响应值逐渐减小；当速度传感器与流速方向平行时，传感器响应与气体流速呈单调递减且具有很好的分辨率。

图4 不同倾角θ下速度传感器响应归一化图版

由于煤层气井的井身结构，仪器的最大测试尺寸为36 mm，所以仪器外径为28 mm，且速度传感器与流速方向采用平行结构，其井下热式气体流量计的结构，如图5所示。其中试验样机包括仪器外壳、热式传感器、电路筒、进液口、出液口、导流管以及防撞滤网等。热式传感器由热膜式pt20和pt100组成，位于仪器外壳中心，探头方向与风速方向平行。系统电路置于电路密封筒内部。导流管道可对进入管道气体进行整流，使气体方向与探头平行，流经传感器后由出液口导出。导流管道底端加装防撞滤网，为仪器精确测量提供条件。

图5 井下热式气体流量计结构图

2.3 系统电路设计

井下热式气体流量计系统电路设计框图，如图6所示，其工作原理是系统电路提供恒定电流为热敏传感器加热，气体流经热敏传感器后产生热量交换，热敏传感器将热量散失转换为传感器阻值的变化，利用桥式电路将电阻变化转换成电压变化信号，经放大、A/D转换、补偿处理及D/A转换等处理，最终经由压/频转换电路或以4～20 mA转换电路的标准信号作为流量信号输出，并通过电缆传送至地面。基准电路作用是通过调节电桥的某些桥臂，使电桥处于平衡状态，输出为0，以消除系统的静态误差。由于仪器测量量程宽，要求放大电路需满足具有很大共模电压、电压信号变化范围宽等特点。

图6 仪器系统电路设计框图

3 试验及结果分析

为验证设计实现的恒流式热式气体质量流量计可靠性及响应动态特性，本文分别在大庆油田多相流试验室模拟井试验装置和现场开展了动态试验研究。

为了探索煤层气井产气量测试问题，在模拟井筒内展开了测试仪器的动态标定试验。其中，模拟试验井筒外径139.7 mm，内径125 mm，井筒高13 m，试验介质为氮气，调节的气体流量范围为50～2 000 m3/d。试验过程中，将测试仪器下井后通过扶正器固定于井筒中心位置，试验样机供电工作稳定后，经过反复调节不同风速，并记录不同风速下仪器的输出响应值，则测试仪器的响应关系，如图7所示。

由图7分析，热式气体流量计在0～2 000 m3/d气流量范围内均有响应，随着流量的增加，仪器的响应单调递增，且呈近似线性变化，并且在气体小流量范围内仪器响应近似平滑曲线。

通过反复的模拟井标定试验，可获得不同流量下传感器的温差和功耗，将图7试验所得到的仪表模型通过计算机写入到仪器电路系统中，则传感器采集到的信号进行数字转换，再通过标定过的模型进行计算，得出计算的结果就是流量，将流量数据转换成4～20 mA信号输出，再由脉冲转换器发回地面。经过电路拟合处理后的仪器输出值与风速之间呈线性关系，见表1所示。