容积式气体流量计设计与室内试验

2016-05-07陈永昌门相勇李瑞安解辉左俊林薛素丽陈辉

测井技术 2016年1期

陈永昌, 门相勇, 李瑞安, 解辉, 左俊林, 薛素丽, 陈辉

(1.中国石油集团测井有限公司华北事业部, 河北任丘 062550;2.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司, 北京 100095)

0 引言

煤层气井最大的难点是产气量低,大多数井的产气量在2 000 m3/d以下。生产测井中常用的流量计有涡轮流量计、电磁流量计、超声流量计和同位素示踪流量计[1]。涡轮流量计分为集流和非集流2种方式。布伞和金属伞对气体的集流效果很差,即使是集流效果好的皮球式集流流量计也不适用于油管下过产层的井。非集流式流量计则存在启动排量和测量精度过低的问题。电磁流量计主要用于测量电导率大于10-7S/m的单相流体[2],不适用于气体和含有较大气泡液体的测量。超声波流量计主要用于注水井测井中[3-4],如果将其应用到气、水两相流测井中还需要做大量的研究工作。同位素示踪流量计可用于水的测量,气体对同位素的携带能力较差。为解决低产气量情况下气、水两相流中气体测量问题,研制了一种新型气体流量计——容积式气体流量计。这种流量计在5 m3/d的低产气量条件下仍能准确测量气体产量。

1 容积式气体流量计工作原理

众多流量计中,精度最高、测量范围不受限制的是容积式流量计。容积式流量计利用按时间计量流体体积方法。试想一个水龙头出现了滴漏的现象,此时由于水量太小,超过了水表的启动排量,漏水量无法显示。如果把水龙头漏的水用容器集中起来,当容器装满水时,记录一下容器装满水所用的时间,用容器的容量除以这个时间即可得到水龙头的漏水流量。这种方法很精确,而且可以测量很小的流量。为了将这一思想用于煤层气井的气体测量中,设计了如图1所示的容积式气体流量计探测部分。

在煤层气井中,产层附近的流体处于气、水两相流状态。由于气体的密度远小于水的密度,因此气体总是向上运动。容积式气体流量计的探测部分由集气筒、活塞和电容电极等构成,活塞可以打开或关闭。当活塞由打开转为关闭时,进入集气筒的气体会在活塞下面聚集并形成一个气水界面,随着时间增加气水界面逐渐向下移动,最终充满整个集气筒。集气筒是否充满气体采用电容传感器探测。从活塞关闭到集气筒充满气体的时间我们称之为集气时间。集气筒的体积除以集气时间就是流进集气筒的气体流量,它与整个井筒中的气体流量存在密切的关系。在集气筒中存在气体与水的置换,即在气体进入集气筒的同时有等量体积的水被置换出来。如果没有这一因素的影响并假设气体在井筒中分布是均匀的,整个井筒的气体流量与流进集气筒的气体流量应当是倍数关系。这一倍数就是井筒的横截面面积与集气筒横截面面积之比。实际上,由于多种因素的影响,井筒的气流量与流进集气筒的气流量不是线性关系。因此,容积式气体流量计需要在气、水两相流标定装置中进行标定。

2 机械设计

为实现电动控制活塞打开或关闭集气筒的动作,容积式气体流量计采用了图2所示的结构。仪器由上接头、电路板、马达、滚珠丝杠、密封接头、推拉杆、活塞、电容传感器、气体收集筒等部件构成。马达在电路板的控制下可以正转或反转。滚珠丝杠上下分别与马达和推拉杆连接,它将马达的转动变为推拉杆的直线运动,推拉杆与活塞连接。马达驱动滚珠丝杠和推拉杆可以实现活塞的打开或关闭。

活塞下端连接的是电容电极,电容电极与集气筒构成了电容传感器。电容传感器的电容量与集气筒中介质的介电常数有关。气体的介电常数为1,水的介电常数为80。因此,集气筒中介质为水或气时传感器电容量差异较大,通过测量传感器的电容可以确定集气筒是否已充满气体。电容电极的导线通过推拉杆内孔引到仪器内部。

气体收集筒和电极长度的选取对气体流量测量范围和精度都有影响,气体收集筒长度与电极长度应匹配。如果气体收集筒选择较短,在测量较大流量时,收集筒很快会被充满,这不利于集气时间的测量。如果气体收集筒选择过长,在测量小流量时,等待时间较长,同时仪器长度也会过大。综合考虑,电极长度确定为85 cm。在内径为124 mm的套管中,每天5 m3产气量情况下,对集气筒集气时间进行推算。

套管横截面面积

S=πR2=3.14×0.0622=0.012 m2

(1)

5 m3气体占用的套管高度

H=5÷S=5÷0.012=417 m

(2)

每天5 m3产气量情况下,如果用一个封隔器暂时把整个套管封住,封隔器下累积85 cm长度的气体柱所需要的时间为60×60×24×0.85÷417=176 s。假设气体在整个井筒内是均匀分布的,容积式气体流量计气体收集筒充满85 mm的气柱所需要的集气时间也为176 s。

用同样的方法类推,每天300 m3产气量的情况下,集气时间约为3 s。

图1 容积式气体流量计原理示意图图2 容积式气体流量计结构示意图

3 电路设计

容积式气体流量计电路的作用是将电容传感器的电容量转换为脉冲频率信号,并将其送往地面系统。容积气体流量计电路部分由测量电路、V-F转换器、通讯板和马达控制板等构成(见图3)。测量电路将传感器电容量转换为对应的直流电压,V-F转换器将该直流电压信号转换为脉冲信号,通讯板对脉冲信号进行计数并通过仪器总线将数据送入WTC。WTC是多路数据通讯短节,它将容积式气体流量计的数据通过电缆送到地面系统。马达控制板控制马达正转或反转。

图3 容积式气体流量计电路原理图

4 电路性能试验

4.1 传感器电容量测量

将容积式气体流量计置于空气或水中,用电容表测量可以得到传感器在空气中或水中的电容量。经测量,1号仪器传感器在空气和水中的电容量分别为1 024、3 620 pF;2号仪器传感器在空气和水中的电容量分别为1 013、3 590 pF。

4.2 测量电路线性试验

为验证传感器电容测量电路以及V-F转换器的线性,将1号仪器传感器分别更换为1 000、2 000、3 000、4 000 pF的电容,得到表1所示数据。

利用表1得到传感器电容量与测量电路输出电压的关系如图4所示。传感器电容量与V-F转换器输出频率的关系如图5所示。由图4、图5可以看出测量电路和V-F转换器的线性非常好。

表1 传感器电容与测量电路输出电压及频率测量数据

图4 传感器电容与输出电压关系

图5 传感器电容与输出频率关系

4.3 气、水测量及调试试验

将仪器的传感器置于空气中,调整高值电位器使仪器输出频率为2.5 kHz左右;将仪器的传感器置于水中,调整低值电位器使仪器输出频率为1 kHz左右。这样反复调整得到1号仪器在空气和水中的计数率分别为2 506、1 024 Hz,2号仪器在空气和水中的计数率分别为2 512、1 006 Hz。

4.4 温度性能试验

为考验仪器的温度性能将1号仪器置于空气中进行加温试验,同时测量仪器输出的计数率(见表2)。

表2 1号仪器加温试验时频率输出数据

由表2可见,仪器输出频率随温度的变化较小,温度稳定性很好。

5 标定装置试验

将容积式气体流量计置于气、水两相流标定装置中,连接地面系统,采用持水率通道记录容积式气体流量计信号。将容积式气体流量计的活塞打开。在水和气量稳定的情况下,记录持水率曲线(见图6)。待持水率计数率稳定后,关闭活塞。这时持水率曲线随时间上升,表明气体收集筒中的气水界面在逐渐下移。持水率曲线再次稳定后表明气体收集筒已充满气体。从活塞关闭到气体充满收集筒的时间就是集气时间。

水流量为5 m3/d的情况下,改变气体产量得到表3。