火驱注气井热式气体质量流量计的研制及应用

余训兵 / 辽河油田钻采工艺研究院

0 引言

对于稠油开采，由于其黏度较高，热采是较为必要的措施，而能够提高原油采收率所采用的热效率最高的技术就是火驱。火驱是指将压缩空气注入地层中，然后通过点火器加热地层。当达到一定温度时，地层原油就会点燃，产生驱替作用，提高采收率[1]。其中，空气是地层点燃的必要条件。

在注气过程中，由于气体进入的层位不同，会对火烧预期效果产生不同的影响。因此对火驱井中各层位的注气比例的判断，既可以了解注入空气的去向，又可以在地层点燃后，判断并监测地层的燃烧情况。

1 气体流量测试原理

热式气体质量流量计可以测试空气流量、温度、压力、磁定位等参数，其空气流量的测量是基于对流换热的原理实现的。采用两支并排的铂电阻作为探头，一支为不加热的测温探头，另一支为加热探头，介质处于静态时，让两支铂电阻保持一定温差。当介质流动时，被加热的铂电阻的热量被带走，通过测量热量变化来获得流量大小情况（图1）。按照铂电阻的加热方式可以分为恒温差式和恒功率式两种热式气体质量流量计。热式气体质量流量计的优点是可以测量微小气体流量、稳定性好、可靠性高等[2][3]。

流量测试可以了解各层吸气比例；温度测试通过铂电阻实现，可以反映火驱井井底温度剖面，判断各层位燃烧情况；压力测试反映井底压力剖面，空气波及情况以及井底液面位置；磁定位确定井底各层深度等情况。总之，热式气体质量流量计对了解火驱注气井井下情况十分重要。

图1 热式气体质量流量计原理图

2 流量计

2.1 流量计电路

本文研制的是恒温差式热式气体质量流量计。恒温差的原理是通过反馈控制电路控制加热的铂电阻，使得加热铂电阻和测量气体自身温度值的另一个不加热铂电阻之间保持恒定的温差。当流体流动时，会带走加热铂电阻上的热量，加热铂电阻的温度会下降。此时，通过加大电流给加热铂电阻加热，该电流就与气体的流量成正比。整个系统方案见图2。

图2 系统方案

仪器采用的核心处理器MCU是ADI公司的数据采集芯片ADuC834，为主控芯片（图3）。ADuC834内部集成了两路独立的Σ-ΔADC，其中主通道ADC为24位，辅助通道ADC为16位。通过两路独立的Σ-ΔADC，完成了内温以及压力信号的采集，通过MCU内部自带的脉冲计数器完成磁定位的采集。

图3 ADuC834电路及其外围接线原理

流量的采集模块采用AD7799芯片及其外围电路完成（图4）。AD7799具有3个差分输入通道，其中两个通道连接流量传感器，并与ADuC834相连，完成流量传感器的外温测试、流量测试及恒温差控制。

图4 AD7799电路及其接线原理

2.2 流量计的程序

流量计的程序设计实现了电路的功能，流量计采用C语言完成程序编写。该流量计对井下的流量、压力、温度、磁定位进行数据采集并存储，能够设置参数，也能被读取数据。

其程序流程如图5。图中通信模式包括参数的设置、参数的读取、存储数据的读取。通信完成之后，重新等待客户端的指令。

采样模式可以实现井下的流量、压力、温度、磁定位等数据的采集。其中温度、流量的采集频率是500 ms/次，压力的采集频率是1 s/次，磁定位的采集频率是50 ms/次。采样模式被设置为两段，一段是休眠时间，一段是采集时间。开始时系统进入休眠，当休眠时间结束时，中断叫醒整个系统，从而进入采集时间。当数据采集完毕时，系统彻底进行睡眠，不再被叫醒，等待断电并读取数据。

当电池断电后重新上电时，系统重新开始执行，读取采样计划，重新开始采样。其程序流程如图5所示。

图5 热式气体质量流量计程序流程

3 实验误差分析及处理

在火驱注气井中，多次使用热式气体质量流量计对注入各油层段的气体流量进行测试，结果显示有测试误差。经分析，误差来源主要有：环境温度、气体的湿度、仪器下放速度、仪器在油井中方位。为了将气体流量的测试准确度控制在3%以内。采用了如下方式来减小误差：

1）针对环境温度对测试准确度的影响。在仪器内部存有温漂校正表，测试数据会进行温漂校正，降低了温度对仪器流量测试带来的影响；

2）针对气体的湿度对仪器示值的影响。由于热式流量测试原理，在进行吸气剖面测试时，气体的湿度越大，热量散失越快，仪器示值会变大。为避开这个因素带来的影响，采用计算各层吸气比例的方式，而不是计算流量绝对值的方式来进行测试，因为气体湿度在同一时间、同一地点基本一致。

3）仪器下放速度带来的影响。当仪器下放时，其方向与气体注入方向是一致的，当速度越大时，相对速度就越小，仪器示值越大。速度与示值是反方向变化的。因此，只能通过控制下放速度来解决。仪器下放时，其速度务必保持较低匀速，才能降低测试的误差。

4）一般情况下，仪器紧贴在油井壁上测试时对比处于油井中间测试时听获的示值要小。针对仪器在井中方位对仪器示值的影响，采用扶正器将仪器固定在油井中间位置下入井中。

通过上述一系列的方式，最终将仪器的流量测试准确度控制在3%以内，极大地提高了火驱注气井各层吸气比例测试的准确度。

4 应用实例

应用该测试仪对辽河油田某火驱注气井进行测试，其测试结果如图6所示。以728 m3/h的注气量（ 在标准大气压状态）将空气注入油井中，油井有1、2、3、4等4个油层段，采用该仪器测试空气注入每个油层的比例。仪器下入第1、2、3层时其示值变小，当到达井底974 m时，仪器由空气介质进入液体介质，流量示值变大（在液体中，液体比气体能带走更多的能量。由于液体的传热比气体快，因此流量计无法快速进行温差补偿，导致其测试值急剧增大）。因此4号层吸气为0%。

各层的注入比例可以根据示值的大小差值进行计算。如：

1号层注入比例 =ΔF1/(ΔF1+ ΔF2+ ΔF3)式中：ΔF1—— 1号层上下流量值下降值；

ΔF2—— 2号层上下流量值下降值；

ΔF3—— 3号层上下流量值下降值

依此类推计算，1号层比例为：38%，2号层比例为：17%；3号层比例为45%。

图6 测试及解释结果

5 结语

采用恒温差原理设计的热式气体质量流量计能够应用于火驱注气井中，其测试结果能较准确地反映火驱注气井的温度、压力、流量的变化，也能够反映注气井各油层段的注气比例。对火驱注气井点火有一定的指导意义。采取一系列措施后，将仪器的流量测试准确度控制在3%以内。当仪器进入液面后，其示值会急剧变大，证明其不能应用于液体中。实际应用表明，该测试仪能较好地应用于火驱注气井流量测试。