王延軍，胡金海，劉興斌，姜兆宇，劉繼新，4

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163453;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006;3.東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318;4.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

大慶油田產(chǎn)出剖面測井技術(shù)中主要應(yīng)用渦輪流量計(jì)進(jìn)行油水兩相流流量測量。渦輪流量計(jì)存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，容易被井下異物卡死，導(dǎo)致流量測量失敗，影響測井成功率。因此，需要探索無可動部件、可靠性高的流量測量方法。

本文提出了一種基于在線加熱方式的測溫式流量測量新方法，該方法具有可靠性高、無可動部件、可進(jìn)行低流量測量等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服渦輪流量計(jì)存在的缺點(diǎn)。研制了原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，開展了原理性實(shí)驗(yàn)，取得了令人樂觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 測量原理

測量原理如圖1所示。測量裝置由熱源發(fā)生器、2個溫度傳感器以及測量電路構(gòu)成。在圓形測量管段下方沿流體流動方向用支架固定1個基礎(chǔ)溫度傳感器A，目的是為了測量流體的基礎(chǔ)溫度。在溫度傳感器A上方一定距離用支架固定1個溫度傳感器B，在溫度傳感器B外部纏繞熱源發(fā)生器，對熱源發(fā)生器進(jìn)行恒流供電，溫度傳感器B測量熱源發(fā)生器的溫度隨流量的變化情況。

圖1 測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

對測量管段中的熱源發(fā)生器進(jìn)行恒流供電加熱，當(dāng)有流體流過熱源發(fā)生器時(shí)，流體帶走熱量的變化隨著流體流量變化。高靈敏度溫度傳感器(PT1000)的性質(zhì)是溫度越高阻值越大[1-2]，可知流量變大，流體帶走的熱量增多，熱源發(fā)生器的溫度降低，溫度傳感器B所測的電阻值也就變小;流量變小，流體帶走的熱量減少，熱源發(fā)生器的溫度升高，溫度傳感器B所測的電阻值也就變大。根據(jù)該原理就可通過測量2個溫度傳感器的阻值之差檢測流體的流量。這種方法稱為熱導(dǎo)式測量方法，屬于這種測量方法的儀表有熱線風(fēng)速儀[3]、浸入型流量計(jì)[4]等。

2 原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)

圖2所示為設(shè)計(jì)的用于開展可行性實(shí)驗(yàn)的熱式流量計(jì)原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)示意圖，自下向上依次由集流器傘、溫度傳感器、熱源發(fā)生器及電路筒組成。熱式流量計(jì)原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)流道內(nèi)徑為20 mm、外徑為28 mm，采用集流方式進(jìn)行流量測量。

圖2 熱式流量計(jì)示意圖

利用直流電源分析儀安捷倫N6705B為熱源發(fā)生器提供恒流供電，熱式流量計(jì)原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用的溫度檢測傳感器為鎧裝鉑電阻(PT1000)。利用FLUKE PM6306 LCR測量儀可以實(shí)時(shí)測量鉑電阻的阻值。圖3為熱源發(fā)生器包裹著溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 熱源發(fā)生器包裹著溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

3 多相流試驗(yàn)裝置上實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用熱式流量計(jì)原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司的多相流模擬試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。垂直模擬井筒內(nèi)徑為125 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)集流傘張開，封閉了樣機(jī)和井筒之間的環(huán)形空間，使全部流體流過樣機(jī)的測量通道并提高了流體流速。

3.1 不同含水率時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為油水兩相流，配比總流量分別為1、5、10、20、30、40 m3/d;含水率分別為 80%、90%、100%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。圖4中橫坐標(biāo)為配比的標(biāo)準(zhǔn)流量，縱坐標(biāo)為測量的溫度傳感器電阻值。將圖4中測量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到圖5。從圖4中可以看出原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在流量1～40 m3/d范圍、含水率分別為80%、90%、100%時(shí)標(biāo)準(zhǔn)流量和測量電阻之間呈非線性變化關(guān)系，隨著總流量的增加，流體帶走的熱量增加，測量的溫度傳感器阻值逐漸降低;實(shí)驗(yàn)條件下熱式流量計(jì)的動態(tài)測量范圍在200Ω以內(nèi)，隨著總流量的增加，熱式流量計(jì)的靈敏度下降。

圖4 不同含水率時(shí)標(biāo)準(zhǔn)流量與測量電阻的關(guān)系圖版

圖5 對圖4擬合結(jié)果

將100%含水率、不同流量下的測量電阻值代入圖5中的擬合公式中得到測量流量，與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流量相比，最大絕對誤差為3.06 m3/d，相對于40 m3/d滿量程，流量測量誤差為7.65%。同樣得到含水率90%下的最大誤差為6.59%;含水率80%下的最大誤差為25.09%。通過對3組流量測量數(shù)據(jù)的誤差分析可知，在油水兩相條件下，熱式流量計(jì)更適于特高含水條件下應(yīng)用。

3.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為油水兩相流，配比總流量分別為1、5、10、20、30、40 m3/d;含水率分別為 80%、90%、100%，每個含水率重復(fù)進(jìn)行2組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證測量重復(fù)性與穩(wěn)定性。

從圖6可以看出，在不同含水率下，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測量結(jié)果重復(fù)性很好，數(shù)據(jù)波動較小，經(jīng)計(jì)算重復(fù)性誤差在3%以內(nèi);各流量點(diǎn)對應(yīng)的溫度傳感器測量電阻值的動態(tài)變化范圍在200Ω以內(nèi)，能夠?qū)α髁窟M(jìn)行正確指示，說明本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性較好。

圖6 不同含水率時(shí)標(biāo)準(zhǔn)流量與測量電阻的關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1)標(biāo)準(zhǔn)流量和測量電阻之間呈非線性變化關(guān)系，隨著總流量增加，流體帶走的熱量增加，溫度傳感器測量的電阻值逐漸降低，同時(shí)靈敏度下降。在不同含水率下，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測量結(jié)果重復(fù)性較好，數(shù)據(jù)波動較小，說明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性較好。

(2)在流量范圍為1～40 m3/d、含水率高于90%時(shí)設(shè)計(jì)的熱式流量計(jì)原理樣機(jī)流量測量誤差優(yōu)于8%;在含水率為80%時(shí)，流量測量誤差為25.09%。在油水兩相條件下，熱式流量計(jì)更適合于特高含水條件下應(yīng)用。

[1]沈躍，朱宏良，陳世廉.熱示蹤法測量流體流量的研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，17(1):58-61.

[2]趙娜，王延軍，劉興斌，等.水平井熱示蹤相關(guān)流量測量方法研究[J].石油儀器，2011，25(2):57-59.

[3]陸青松，王元.熱線風(fēng)速儀制作的初步研究[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，(3):62-66.

[4]梁國偉，文英杰，黃震威，等.熱式氣體流量計(jì)原理及影響因數(shù)分析研究[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19(8):201-206.