陳永昌, 門(mén)相勇, 李瑞安, 解輝, 左俊林, 薛素麗, 陳輝

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部, 河北 任丘 062550;2.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司, 北京 100095)

0 引 言

煤層氣井最大的難點(diǎn)是產(chǎn)氣量低,大多數(shù)井的產(chǎn)氣量在2 000 m3/d以下。生產(chǎn)測(cè)井中常用的流量計(jì)有渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)和同位素示蹤流量計(jì)[1]。渦輪流量計(jì)分為集流和非集流2種方式。布傘和金屬傘對(duì)氣體的集流效果很差,即使是集流效果好的皮球式集流流量計(jì)也不適用于油管下過(guò)產(chǎn)層的井。非集流式流量計(jì)則存在啟動(dòng)排量和測(cè)量精度過(guò)低的問(wèn)題。電磁流量計(jì)主要用于測(cè)量電導(dǎo)率大于10-7S/m的單相流體[2],不適用于氣體和含有較大氣泡液體的測(cè)量。超聲波流量計(jì)主要用于注水井測(cè)井中[3-4],如果將其應(yīng)用到氣、水兩相流測(cè)井中還需要做大量的研究工作。同位素示蹤流量計(jì)可用于水的測(cè)量,氣體對(duì)同位素的攜帶能力較差。為解決低產(chǎn)氣量情況下氣、水兩相流中氣體測(cè)量問(wèn)題,研制了一種新型氣體流量計(jì)——容積式氣體流量計(jì)。這種流量計(jì)在5 m3/d的低產(chǎn)氣量條件下仍能準(zhǔn)確測(cè)量氣體產(chǎn)量。

1 容積式氣體流量計(jì)工作原理

眾多流量計(jì)中,精度最高、測(cè)量范圍不受限制的是容積式流量計(jì)。容積式流量計(jì)利用按時(shí)間計(jì)量流體體積方法。試想一個(gè)水龍頭出現(xiàn)了滴漏的現(xiàn)象,此時(shí)由于水量太小,超過(guò)了水表的啟動(dòng)排量,漏水量無(wú)法顯示。如果把水龍頭漏的水用容器集中起來(lái),當(dāng)容器裝滿(mǎn)水時(shí),記錄一下容器裝滿(mǎn)水所用的時(shí)間,用容器的容量除以這個(gè)時(shí)間即可得到水龍頭的漏水流量。這種方法很精確,而且可以測(cè)量很小的流量。為了將這一思想用于煤層氣井的氣體測(cè)量中,設(shè)計(jì)了如圖1所示的容積式氣體流量計(jì)探測(cè)部分。

在煤層氣井中,產(chǎn)層附近的流體處于氣、水兩相流狀態(tài)。由于氣體的密度遠(yuǎn)小于水的密度,因此氣體總是向上運(yùn)動(dòng)。容積式氣體流量計(jì)的探測(cè)部分由集氣筒、活塞和電容電極等構(gòu)成,活塞可以打開(kāi)或關(guān)閉。當(dāng)活塞由打開(kāi)轉(zhuǎn)為關(guān)閉時(shí),進(jìn)入集氣筒的氣體會(huì)在活塞下面聚集并形成一個(gè)氣水界面,隨著時(shí)間增加氣水界面逐漸向下移動(dòng),最終充滿(mǎn)整個(gè)集氣筒。集氣筒是否充滿(mǎn)氣體采用電容傳感器探測(cè)。從活塞關(guān)閉到集氣筒充滿(mǎn)氣體的時(shí)間我們稱(chēng)之為集氣時(shí)間。集氣筒的體積除以集氣時(shí)間就是流進(jìn)集氣筒的氣體流量,它與整個(gè)井筒中的氣體流量存在密切的關(guān)系。在集氣筒中存在氣體與水的置換,即在氣體進(jìn)入集氣筒的同時(shí)有等量體積的水被置換出來(lái)。如果沒(méi)有這一因素的影響并假設(shè)氣體在井筒中分布是均勻的,整個(gè)井筒的氣體流量與流進(jìn)集氣筒的氣體流量應(yīng)當(dāng)是倍數(shù)關(guān)系。這一倍數(shù)就是井筒的橫截面面積與集氣筒橫截面面積之比。實(shí)際上,由于多種因素的影響,井筒的氣流量與流進(jìn)集氣筒的氣流量不是線性關(guān)系。因此,容積式氣體流量計(jì)需要在氣、水兩相流標(biāo)定裝置中進(jìn)行標(biāo)定。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制活塞打開(kāi)或關(guān)閉集氣筒的動(dòng)作,容積式氣體流量計(jì)采用了圖2所示的結(jié)構(gòu)。儀器由上接頭、電路板、馬達(dá)、滾珠絲杠、密封接頭、推拉桿、活塞、電容傳感器、氣體收集筒等部件構(gòu)成。馬達(dá)在電路板的控制下可以正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。滾珠絲杠上下分別與馬達(dá)和推拉桿連接,它將馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橥评瓧U的直線運(yùn)動(dòng),推拉桿與活塞連接。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠和推拉桿可以實(shí)現(xiàn)活塞的打開(kāi)或關(guān)閉。

活塞下端連接的是電容電極,電容電極與集氣筒構(gòu)成了電容傳感器。電容傳感器的電容量與集氣筒中介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。氣體的介電常數(shù)為1,水的介電常數(shù)為80。因此,集氣筒中介質(zhì)為水或氣時(shí)傳感器電容量差異較大,通過(guò)測(cè)量傳感器的電容可以確定集氣筒是否已充滿(mǎn)氣體。電容電極的導(dǎo)線通過(guò)推拉桿內(nèi)孔引到儀器內(nèi)部。

氣體收集筒和電極長(zhǎng)度的選取對(duì)氣體流量測(cè)量范圍和精度都有影響,氣體收集筒長(zhǎng)度與電極長(zhǎng)度應(yīng)匹配。如果氣體收集筒選擇較短,在測(cè)量較大流量時(shí),收集筒很快會(huì)被充滿(mǎn),這不利于集氣時(shí)間的測(cè)量。如果氣體收集筒選擇過(guò)長(zhǎng),在測(cè)量小流量時(shí),等待時(shí)間較長(zhǎng),同時(shí)儀器長(zhǎng)度也會(huì)過(guò)大。綜合考慮,電極長(zhǎng)度確定為85 cm。在內(nèi)徑為124 mm的套管中,每天5 m3產(chǎn)氣量情況下,對(duì)集氣筒集氣時(shí)間進(jìn)行推算。

套管橫截面面積

S=πR2=3.14×0.0622=0.012 m2

(1)

5 m3氣體占用的套管高度

H=5÷S=5÷0.012=417 m

(2)

每天5 m3產(chǎn)氣量情況下,如果用一個(gè)封隔器暫時(shí)把整個(gè)套管封住,封隔器下累積85 cm長(zhǎng)度的氣體柱所需要的時(shí)間為60×60×24×0.85÷417=176 s。假設(shè)氣體在整個(gè)井筒內(nèi)是均勻分布的,容積式氣體流量計(jì)氣體收集筒充滿(mǎn)85 mm的氣柱所需要的集氣時(shí)間也為176 s。

用同樣的方法類(lèi)推,每天300 m3產(chǎn)氣量的情況下,集氣時(shí)間約為3 s。

圖1 容積式氣體流量計(jì)原理示意圖 圖2 容積式氣體流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

3 電路設(shè)計(jì)

容積式氣體流量計(jì)電路的作用是將電容傳感器的電容量轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號(hào),并將其送往地面系統(tǒng)。容積氣體流量計(jì)電路部分由測(cè)量電路、V-F轉(zhuǎn)換器、通訊板和馬達(dá)控制板等構(gòu)成(見(jiàn)圖3)。測(cè)量電路將傳感器電容量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流電壓,V-F轉(zhuǎn)換器將該直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),通訊板對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并通過(guò)儀器總線將數(shù)據(jù)送入WTC。WTC是多路數(shù)據(jù)通訊短節(jié),它將容積式氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)通過(guò)電纜送到地面系統(tǒng)。馬達(dá)控制板控制馬達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

圖3 容積式氣體流量計(jì)電路原理圖

4 電路性能試驗(yàn)

4.1 傳感器電容量測(cè)量

將容積式氣體流量計(jì)置于空氣或水中,用電容表測(cè)量可以得到傳感器在空氣中或水中的電容量。經(jīng)測(cè)量,1號(hào)儀器傳感器在空氣和水中的電容量分別為1 024、3 620 pF;2號(hào)儀器傳感器在空氣和水中的電容量分別為1 013、3 590 pF。

4.2 測(cè)量電路線性試驗(yàn)

為驗(yàn)證傳感器電容測(cè)量電路以及V-F轉(zhuǎn)換器的線性,將1號(hào)儀器傳感器分別更換為1 000、2 000、3 000、4 000 pF的電容,得到表1所示數(shù)據(jù)。

利用表1得到傳感器電容量與測(cè)量電路輸出電壓的關(guān)系如圖4所示。傳感器電容量與V-F轉(zhuǎn)換器輸出頻率的關(guān)系如圖5所示。由圖4、圖5可以看出測(cè)量電路和V-F轉(zhuǎn)換器的線性非常好。

表1 傳感器電容與測(cè)量電路輸出電壓及頻率測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 傳感器電容與輸出電壓關(guān)系

圖5 傳感器電容與輸出頻率關(guān)系

4.3 氣、水測(cè)量及調(diào)試試驗(yàn)

將儀器的傳感器置于空氣中,調(diào)整高值電位器使儀器輸出頻率為2.5 kHz左右;將儀器的傳感器置于水中,調(diào)整低值電位器使儀器輸出頻率為1 kHz左右。這樣反復(fù)調(diào)整得到1號(hào)儀器在空氣和水中的計(jì)數(shù)率分別為2 506、1 024 Hz,2號(hào)儀器在空氣和水中的計(jì)數(shù)率分別為2 512、1 006 Hz。

4.4 溫度性能試驗(yàn)

為考驗(yàn)儀器的溫度性能將1號(hào)儀器置于空氣中進(jìn)行加溫試驗(yàn),同時(shí)測(cè)量?jī)x器輸出的計(jì)數(shù)率(見(jiàn)表2)。

表2 1號(hào)儀器加溫試驗(yàn)時(shí)頻率輸出數(shù)據(jù)

由表2可見(jiàn),儀器輸出頻率隨溫度的變化較小,溫度穩(wěn)定性很好。

5 標(biāo)定裝置試驗(yàn)

將容積式氣體流量計(jì)置于氣、水兩相流標(biāo)定裝置中,連接地面系統(tǒng),采用持水率通道記錄容積式氣體流量計(jì)信號(hào)。將容積式氣體流量計(jì)的活塞打開(kāi)。在水和氣量穩(wěn)定的情況下,記錄持水率曲線(見(jiàn)圖6)。待持水率計(jì)數(shù)率穩(wěn)定后,關(guān)閉活塞。這時(shí)持水率曲線隨時(shí)間上升,表明氣體收集筒中的氣水界面在逐漸下移。持水率曲線再次穩(wěn)定后表明氣體收集筒已充滿(mǎn)氣體。從活塞關(guān)閉到氣體充滿(mǎn)收集筒的時(shí)間就是集氣時(shí)間。

水流量為5 m3/d的情況下,改變氣體產(chǎn)量得到表3。

圖6 容積式氣體流量計(jì)記錄曲線

表3 水流量為5 m3/d的情況下氣體產(chǎn)量與累計(jì)時(shí)間

通過(guò)對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到圖7所示的解釋圖版。

圖7 水流量5 m3/d解釋圖版

同樣,在水流量為0、2、10、30、50 m3/d的情況下,改變氣量可以得到相應(yīng)的解釋圖版。最后得到圖8所示的容積式流量計(jì)解釋圖版。

圖8 容積式氣體流量計(jì)解釋圖版

標(biāo)定中發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣量超過(guò)500 m3/d時(shí),水不再呈現(xiàn)連續(xù)相,容積式氣體流量計(jì)失效。

容積式氣體流量計(jì)所測(cè)量的氣體流量是一定壓力和溫度情況下的體積流量,利用壓力溫度數(shù)值,可以將它換算為常溫常壓下的流量。

6 結(jié)束語(yǔ)

容積式氣體流量計(jì)是一種機(jī)械動(dòng)作結(jié)合電路測(cè)量的儀器,它通過(guò)氣體充滿(mǎn)收集筒的時(shí)間測(cè)量氣體流量。理論分析和標(biāo)定裝置試驗(yàn)表明,該儀器適用于低產(chǎn)氣量井氣流量的測(cè)量。當(dāng)容積式氣體流量計(jì)的活塞處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí),傳感器的電容量還與持氣率有關(guān)。因此該儀器還可以用于測(cè)量持氣率。

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