基于热示踪的流量测量实验研究*

张自成

(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)

基于热示踪的流量测量实验研究*

张自成

(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)

大庆油田产出剖面测井普遍采用涡轮流量计进行流量测量，由于涡轮流量计具有旋转部件，容易被井筒中的块状固体卡死，影响测井成功率，因此提出了一种无可动部件的热示踪流量测量新方法。热示踪流量测量方法是通过测量热脉冲流过两个固定距离的温度探头的时间来确定流体流量。对研制的热示踪流量计，在多相流试验装置上垂直和水平模拟井中开展了动态实验研究。实验结果表明：在3～40 m3/d流量范围，标准流量和测量流量成线性关系，测量重复性好；垂直井中测量误差大于水平井中测量误差。热示踪方法在水平井分层流动条件下的测量效果较好。

热示踪；产出剖面；测井；流量测量

0 引 言

目前，国内油田采用的产出剖面测井技术，普遍使用涡轮流量计测量流体流量。井下测量环境十分恶劣，油井产层经常出砂、井筒中固体絮状物富集，由于涡轮流量计具有旋转部件容易卡死，导致流量测量成功率低。因此，国内从事产出剖面测井方法研究的广大科研人员，都在积极探索无可动部件、可靠性高的产出剖面测井方法。何安定等[1]、沈跃等[2]较早开展了基于热示踪法的油水两相流流量测量方法研究；本文作者所在的课题组多年来持续开展了基于热示踪法的多相流流量测量方法研究[3, 4]，为推动基于热示踪法的流量测井技术的现场应用奠定了基础。本文介绍了一种面向现场应用的热示踪流量计在多相流试验装置上的实验结果。

1 测量原理与传感器总成

1.1 测量原理

图1所示为测量原理示意图，当流体流过测量通道中的热源发生器时，利用脉冲方式控制电容对热源发生器放电，在极短的时间内电容能够为热源发生器提供一个较大的功率，使热源发生器快速发热，根据热传导原理进而加热热源发生器周围的运动流体，使流体温度迅速升高，产生热脉冲流体。当热脉冲流体流经热源发生器下游的温度传感器时，由于流体温差原因，将引起温度传感器的测量信号突变，形成标记脉冲。根据互相关算法原理，对两个温度传感器检测的信号波形进行互相关运算，可以求出热脉冲流体流经两个温度传感器的时间，称为渡越时间[5, 6]。

假设图1中圆形测量管段的直径为D、两个温度传感器的间距为L、渡越时间为τ、流体的测量流速为V、流体的测量流量为Q，则有关系式(1)和(2)成立：

V=L/τ

(1)

(2)

只要求出渡越时间，由式(1)和式(2)就可计算油水两相流体的总流量。

图1 测量原理示意图

1.2 传感器总成

课题组早期研制的热示踪流量计，热源发生器和温度传感器是两组独立部件，缺点是安装维护不方便。最新研制的热示踪流量计，将热源发生器和温度传感器进行优化集成，形成了热源与温度传感器总成，如图2所示。热源发生器是将电加热丝均匀绕制在一个长方形具有一定刚度的绝缘支架上，该支架沿流道直径方向水平放置。在热源发生器的前端加了一个基础温度检测探头，用来测量流体的基础温度，使流量检测不受井温影响。在温度传感器工艺设计方面，采用国外高精度的温度传感器，在封装前后进行严格的筛选，保证了不同温度探头的参数一致性。

图2 热源与温度传感器总成示意图

2 在多相流试验装置上的实验结果

2.1 实验目的和实验设计

实验目的：采用集流测量方式，研究实验样机在垂直和水平模拟井中不同含水率情况下的动态响应规律。实验设计：实验介质为油/水两相流，配比流量分别为40、30、25、20、15、10、5、3 m3/d，含水率分别为90%、100%。

2.2 实验样机在垂直井中的响应规律

利用实验样机在垂直井中纯水条件下进行了3组实验，图3显示标准流量和测量流量都成线性关系，表1显示数据测量重复性较好，误差在10%以内。图4显示在垂直井中含水90%条件下进行了3组实验，标准流量和测量流量都成线性关系，表2显示数据测量重复性较好，误差在10%以内。图5通过对比纯水和含水90%时的实验数据发现：20 m3/d时测量数据波动性大，表3显示20 m3/d时测量误差较大。分析其原因为：在实验过程中通过观察模拟井筒发现，在流量小于20 m3/d时，油相成间歇性流动，所以造成了纯水和含水90%时，数据波动性大，误差较大。

图3 垂直井纯水实验图版

2.3 实验样机在水平井中的响应规律

利用实验样机在水平井中纯水条件下进行了2组实验，在水平井中含水90%条件下进行了2组实验，图6显示标准流量和测量流量都成线性关系；图6和表4显示测量数据线性较好，测量重复性较好，数据离散性较小，误差在10%以内。实验观察90%含水时，在5～40 m3/d流量范围内，油水进入集流通道后还是分层流动。

图4 垂直井含水90%实验图版

图5 垂直井纯水—含水90%对比实验图版

标准流量/m3·d-1第1次流量/m3·d-1第2次流量/m3·d-1第3次流量/m3·d-1平均流量/m3·d-1误差/%34.594.704.554.612.156.456.636.646.571.578.508.258.368.371.21010.209.919.839.982.01513.0613.9913.1113.394.52016.3016.5215.4916.103.72519.6919.45119.0419.392.13025.3324.9622.0624.118.3

表2 垂直井含水90%时3次实验数据

表3 垂直井纯水—含水90%时实验数据对比

表4 水平井纯水—含水90%时实验数据对比

图6 水平井纯水—含水90%对比实验图版

3 结 论

在3～30 m3/d垂直井中，在单相水中和90%含水时，标准流量和测量流量都成线性关系。线性和重复性较好，误差小于10%。对比两种条件下的实验数据，只是在20 m3/d含水90%时误差较大，其他点的误差都在10%以内。在5～40 m3/d水平井中，在单相水中和90%含水时，标准流量和测量流量都成线性关系。数据离散性小，测量误差小于10%。水平井中的测量效果优于垂直井中的测量效果。热示踪方法适合在水平井两相流中分层流条件下的流量测量。

[1] 何安定，李 斌，周芳德，等．相关分析及量热法在油水两相流测量中的应用[J]．化学工程，2000，28(1)：40-43.

[2] 沈 跃，朱宏良，陈世廉．热示踪法测量流体流量的研究[J]．西安石油大学学报自然科学版，2002，17(1)：58-61.

[3] 谢荣华，赵 娜，马水龙，等．热示踪流量计电学参数及结构参数的仿真[J]．油气田地面工程，2011，30(12)：6-8.

[4] 赵 娜，王延军，刘兴斌，等．水平井热示踪相关流量测量方法研究[J]．石油仪器，2011，25(2)：57-59.

[5] XU L A，GREEN R G，PLASKOWSKI A，et al．The pulsed ultrasonic cross-correlation flowmeter for two-phase flow measurement[J]．Journal of Physics E Scientific Instruments，1988，21(4)：406.

[6] 李英伟，孔令富，刘兴斌,等．基于互相关理论的油井流量测量系统[J]．电子器件，2007，30(4)：1458-1461.

Experimental Study on Flowrate Measurement Based on Thermal Tracing

ZHANG Zicheng

(Logging&TestingServicesCompany,DaqingOilfieldCo.Ltd.,Daqing,Heilongjiang163453,China)

The turbine flowmeter is widely used to measure the flowrate in the production profile logging in Daqing Oilfield. But the success rate of logging is low because the turbine flowmeter has rotating parts, which can be easily blocked by the solid stuck in the wellbore. Consequently, a new method of flowrate measurement is put forward based on thermal tracing which has no moving parts. The method of flowrate measurement based on thermal tracing is by measuring the time of the heat pulse flowing through the two fixed distance temperature probe to determine the fluid flowrate. The research of dynamic experiments is done by using the thermal tracing flowmeter on the multiphase flow test equipment in the vertical and horizontal simulation wells. The experimental results show that the standard flowrate and the measuring flowrate have linear relationship and good repeatability for the flowrate ranging from 3m3/d to 40m3/d. The errors of flowrate measurement in the vertical simulation well are greater than that in the horizontal simulation well. The thermal tracing method of flowrate measurement has better effect under the condition of horizontal stratified flow.

thermal tracing； production profile； well logging； flowrate measurement

国家科技重大专项课题“油气田开发动态监测测井系列技术与装备”(课题编号：2011ZX05020-006)

张自成，男，1985年生，工程师，2016年毕业于东北石油大学石油地质专业，获硕士学位。目前从事套管井注产剖面测井技术研究及新技术推广。E-mail: dlts_zhangzch@petrochina.com.cn

P631.8+1

A

2096-0077(2017)04-0041-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.010

2016-11-21 编辑：马小芳)