注氣井流量計(jì)

熱式質(zhì)量流量計(jì)是基于熱擴(kuò)散原理的流量?jī)x表，即是利用流體流過(guò)發(fā)熱物體時(shí)，發(fā)熱物體的熱量散失多少與流體的流量成一定的比例關(guān)系，具體來(lái)說(shuō)，該流量計(jì)的傳感器有兩只標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的RTD，一只用來(lái)做熱源，一只用來(lái)測(cè)量流體溫度，流體流過(guò)時(shí)，兩者之間的溫度差與流量的大小成非線性關(guān)系，該儀表就可以把這種關(guān)系轉(zhuǎn)換為測(cè)量流量信號(hào)的線性輸出。

測(cè)量原理：

熱式質(zhì)量流量計(jì)由傳感器和信號(hào)分析、處理與控制單元兩部分構(gòu)成。傳感器一部分測(cè)量溫度，而另一部分用于加熱。前者監(jiān)控實(shí)際過(guò)程溫度值；后者維持一恒定溫度值，使其總是高于實(shí)際過(guò)程溫度且與該過(guò)程溫度保持恒定的溫度差。氣體的質(zhì)量流量越大，冷卻效應(yīng)就越大，維持差分溫度所需的能量也就越大。因此，通過(guò)測(cè)量加熱器的能量便可得出被測(cè)氣體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品應(yīng)用：

?壓縮空氣
?鍋爐房或干燥機(jī)中的天燃?xì)?/span>
?釀酒廠中的氣體
?污水處理廠中的和曝氣
?生成氣體（如氬氣、氮?dú)?、氦氣、氧氣?/span>
?氣體泄露檢測(cè)

產(chǎn)品特點(diǎn)：

?高性能智能微處理器及模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；
?寬量程比100：1；大口徑，低流速，壓損可忽略；
?直接測(cè)量質(zhì)量流量，無(wú)須溫壓補(bǔ)償；
?低流速測(cè)量非常靈敏；
?設(shè)計(jì)、選型方便，安裝、使用簡(jiǎn)便；
?適合各類單一或混合氣體流量測(cè)量。

技術(shù)參數(shù)：

常用氣體量程上限（Nm3/h）（下表可擴(kuò)展）：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量:溫度為20℃，壓力為101.325KPa時(shí)的流量。
注：瞬時(shí)流量的單位可選Nm3/h、Nm3/min 、L/h 、L/min、t/h、t/min 、kg/h 和kg/min。

產(chǎn)品外形：

一種煤氣井產(chǎn)出剖面熱式氣體流量計(jì)的設(shè)計(jì)：

為解決低產(chǎn)煤氣井分層產(chǎn)氣量測(cè)試難題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種井下恒流式熱式氣體流量計(jì)。闡述了熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理,進(jìn)行了熱式氣體流量計(jì)的總體設(shè)計(jì),研制了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樣機(jī),通過(guò)開(kāi)展模擬井試驗(yàn)表明了hualu/華陸恒流式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)用于井下氣體流量測(cè)量的可行性,測(cè)量小流量下限可達(dá)50m3/d,測(cè)試精度高, 可達(dá)到煤層氣井測(cè)試需求。

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)。雖然經(jīng)過(guò)20多年的攻關(guān), 形成了煤層 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。國(guó)內(nèi)淺層氣井井深一般在1500m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 000~2000m3/d,且井下測(cè)試空間狹小、流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜。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2000m3/d以上, 不適于低產(chǎn)出井氣量測(cè)試的應(yīng)用;李軍、李雷等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 hualu/華陸熱式氣體流量計(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)**體質(zhì)量流量測(cè)量。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：

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:

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。

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)專線式風(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, 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。

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。

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)值逐漸減小;當(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。

由于煤層氣井的井身結(jié)構(gòu), 儀器的測(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**測(cè)量提供條件。

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, 經(jīng)由壓/頻轉(zhuǎn)換電路或以4~20 m A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?；鶞?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)。

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)? 調(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 m A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。

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)**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。