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    應用于煤層氣井測試的熱式質量流量計研究

    作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
    煤層氣井產氣產水剖面是煤層氣開發和生產管理的重要技術資料,我國煤層氣已進入規模開發階段,迫切需要開發配套的測試技術.煤層氣井產氣產水剖面測試是一個測試新領域,應用于油田氣井測試的測試方法、測試儀器和測試工藝在儀器尺寸、測量范圍、測試工藝等方面不適應煤層氣井的測試要求,因此不能直接應用于煤層氣井產氣產水剖面測試。十一五期間,大慶油田測試分公司針對煤層氣井產氣產水剖面開展了一系列傳感技術實驗研究,目前已經在國內首次實現了煤層氣井內液面以下產氣剖面的定量測量。但是液面以上、純氣情況下,產氣剖面的測量技術仍是一個空白,急需開發一種新的測量技術,以實現整個產氣剖面的測試。熱式質量流量計是利用熱擴散原理,通過流體流量與熱源熱量的熱交換關系來測量流量的流量計。它具有壓力損失小、沒有可動部件、結構簡單、維護方便、測量范圍大的特點,特別適合于測量微小流量的氣體流體。
     
    1.熱式質量流量計測量原理
    熱擴散式質量流量計的工作原理是在測量管路中放入兩支鉑電阻,一個用于測量環境溫度的傳感器稱為溫度傳感器,另一個用來測量流體速度的傳感器稱為速度傳感器。測溫電阻通以較小電流本身不發熱,測速電阻通以較大電流產生一定熱量,兩支鉑電阻保持一定的溫差。當無流體流過時,兩支鉑電阻溫差zui大,當有流體流過時根據熱擴散原理測速電阻上的熱量被帶走,測速電阻和測溫電阻之間的溫差降低。在流體一定的情況下只需要測得測速電阻與測溫電阻的溫度差就可以得到流體的流速。提供給速度傳感器的電功率等于流動的氣體對流換熱所帶走的熱量。即:
    其中,I是流過速度傳感器的電流,RH為速度傳感器的電阻,h是表面傳熱系數,As探頭的表面積,T是速度傳感器的溫度,T0是溫度傳感器的溫度。As可以表示為:
    對于組成成分一定的流體,k1,k2,k3為常數。qm為流體的質量流量。由(1)和(2)得:
    由此可見熱式質量流量計有兩種測量方式:一種恒溫差法,保持兩鉑電阻溫度差恒定,實際上是通過更斯橋路保證RH/△T不變,質量流量qm是加熱電流的單值函數。另一種是恒流法,保持速度傳感器的電流不變,質量流量qm是流體與速度傳感器的溫差△T的函數(忽略RH的變化)。本文中的熱式質量流量計采用的是恒流式。
     
    2.室內靜態實驗研究
    煤層氣井下溫度存在一定變化,溫度范圍在35℃ヘ45℃,而熱式質量流量計速度傳感器響應不但受到流體流量的影響,而且與流體溫度關系密切。為了找到流體溫度T對速度探頭的影響,我們做了固定氣體流量改變氣體溫度,觀察速度傳感器輸出與環境溫度變化的室內實驗。
    實驗在測試公司研發中心恒溫箱中進行。將速度傳感器固定于恒溫箱內,為其提供130mA恒流激勵,待速度傳感器達到熱平衡狀態后,改變恒溫箱內溫度,記錄速度傳感器的輸出電壓隨環境溫度的變化情況。恒溫箱是通過提供帶有一定熱量的氣體來調節恒溫箱內溫度的,我們通過控制速度傳感器與恒溫箱供氣孔的位置來控制氣體流量,同時調節恒溫箱內溫度調節范圍在32℃~50℃得到速度傳感器的溫度與環境溫度之間的關系,如圖1所示。圖1中橫坐標表示環境溫度,縱坐標表示速度傳感器兩端電壓,不同曲線表示在不同流量下的速度傳感器響應。在恒流狀態下,速度傳感器輸出值隨環境溫度的升高而增加且成線性關系,不同氣流量下,表示速度傳感器輸出值與環境溫度之間的變化關系不受氣體流量的影響,這種線性遞增的關系為不同環境溫度下測量時進行溫度補償提供了實驗依據。而氣體流量影響的是曲線的截距,氣流量越大,截距越小,當無氣體流過時曲線截距zui大。
     
    3.模擬井動態實驗研究
    煤層氣井的井身是由5.5in(1in=25.4mm)的套管和其內部2.5in的油管組成,測試過程中,油管靠近套管一側,形成月牙形的測試空間,傳感器只能在該空間內進行測試,經計算,zui大的測試尺寸為36mm,為找到井下傳感器響應規律,進行了模擬井動態實驗研究。
    3.1實驗裝置及實驗方法
    為考察熱式質量流量計的動態特性,在大慶油田多相流實驗室模擬井開展了動態實驗研究.模擬井筒外徑139.7mm,內徑125mm,井筒高度13m。實驗中調節的氣流量范圍為100m3/d~2000m3/d.將測試儀器下井后通過扶正器使之位于井筒中心位置,速度傳感器(探頭)位于儀器外部與儀器成一定角度,如圖2所示.環境溫度27℃,通過操作臺控制氣體流量,給測速電阻提供恒定的電流源,待氣體流量與傳感器探頭輸出值穩定后,記錄氣體流流量與速度傳感器的兩端電壓值,逐漸加大流過氣體流量,控制流量范圍在100m3/d~2000m3/d,依次記錄各值,得到氣體流量與速度傳感器輸出值的關系圖板。
    3.2傾角0°時傳感器響應實驗
    首先進行速度探頭與氣體流向傾角為0°的模擬井實驗及重復實驗,如圖3所示。從實驗結果可以看出,當測速傳感器與氣體流向傾角0°時,隨著氣體流量的變化,傳感器有明顯的響應。且隨著氣體流量的增大,傳感器的響應值逐漸減小,這是因為隨著流量的增大流體帶走的熱量也隨之增加,速度傳感器上的溫度就會降低,阻值變小,由于選擇的是恒流式熱式流量計,速度探頭供電電流恒定,阻值減小測速電阻兩端的電壓隨之減小,傳感器響應減小。對傾角0°試驗進行重復,傳感器的響應重復性較好。
    3.3不同傾角下動態試驗研究
    對煤層氣測試時儀器只能放置于環套下空間內,這種狹長的空間要求盡量減小儀器的徑向尺寸。而傳統的熱式質量流量計都要求速度傳感器與流體流向垂直,我們為了節約徑向空間希望減小速度傳感器與氣體流向的成角,做了速度傳感器與氣體流向成不同角度的模擬井實驗。改變速度傳感器與氣體流向的傾角,取傾角分別為45°和90°,將三條關系曲線進行歸一化,如圖4所示。歸一化的方法是:找到所有傳感器響應之中的zui大值fmax和zui小值fmin,將每一個氣體流流量下的傳感器響應值帶人到公式:Y=If-fmaxI/fmax-fmin中,得到歸一化響應Y(Y的范圍在0~1之間),zui后用Y、氣體流量和傳感器與氣體流量傾角三個參數制作圖版。
    發現在傳感器不同的傾角下都是隨著氣體流量的增大響應值逐漸降低,符合恒流熱式質量流量計的特點。測速傳感器與氣體流向傾角90°時傳感器的響應值zui大,隨著傳感器與氣體流向的傾角減小,傳感器的響應也隨之減小.速度傳感器與氣體流向傾角0°時傳感器的響應值雖比90°時小,但是也有恒流熱式質量流量計的響應特點。表明速度傳感器與氣體流向成角0°的方式是可行的。
     
    4.結論
    1)熱式質量流量計應用于煤層氣井下測試時,針對井下環境溫度變化情況,得到速度傳感器隨環境溫度變化圖板,為將來進行溫度補償減小環境溫度對速度傳感器的影響進而更準確判斷流體的質量流量提供實驗依據。
    2)熱式質量流量計的速度傳感器在與氣體流向成角0°時,傳感器響應較成角90°要小,但速度傳感器響應也是十分明顯且重復性較好,說明煤層氣井下測試控制速度傳感器與氣體流向成角0°的方式是可行的,進而可以有效減小儀器的徑向尺寸。
    3)根據以上結論,熱式質量流量計應用于煤層氣井產氣剖面的測試方法是可行的。
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