煤层气井产气产水剖面是煤层气开发和生产管理的重要技术资料,我国煤层气已进人规模开发阶段,迫切需要开发配套的测试技术。煤层气井产气产水剖面测试是一个测试新领域,应用于油田气井测试的测试方法、测试仪器和测试工艺在仪器尺寸、测量范围、测试工艺等方面不适应煤层气井的测试要求,因此不能直接应用于煤层气井产气产水剖面测试。十五期间,大庆油田测试分公司针对煤层气井产气产水剖面开展了一系列传感技术实验研究,目前已经在国内实现了煤层气井内液面以下产气剖面的定量测量。但是液面以上、纯气情况下,产气剖面的测量技术仍是一个空白,急需开发一种新的测量技术,以实现整个产气剖面的测试。
热式质量流量计是利用热扩散原理,通过流体流量与热源热量的热交换关系来测量流量的流量计。它具有压力损失小、没有可动部件、结构简单、维护方便、测量范围大的特点,特别适合于测量微小流量的气体流体。
热扩散式质量流量计的工作原理是在测量管路中放入两支铂电阻,一个用于测量环境温度的传感器称为温度传感器,另一个用来测量流体速度的传感器称为速度传感器。测温电阻通以较小电流本身不发热,测速电阻通以较大电流产生一定热量,两支铂电阻保持一定的温差们。当无流体流过时,两支铂电阻温差ZUI大,当有流体流过时根据热扩散原理测速电阻上的热量被带走,测速电阻和测温电阻之间的温差降低。在流体一定的情况下只需要测得测速电阻与测温电阻的温度差就可以得到流体的流速提供给速度传感器的电功率等于流动的气体对流换热所带走的热量。即
I²RH=hAs(T-T0) (1)
其中,是流过速度传感器的电流,RH为速度传感器的电阻,h是表面传热系数,As探头的表面积,T是速度传感器的温度,T0是温度传感器的温度,As可以表示为:
hAs=k1=k2(qm)k3 (2)
对于组成成分一定的流体,k1,k2,k3为常数。qm为流体的质量流量。由(1)和(2)得:
由此可见热式质量流量计有两种测量方式:一种恒温差法,保持两铂电阻温度差恒定,实际上是通过惠更斯桥路保证RH/△T不变,质量流量qm是加热电流I的单值函数。另一种是恒流法,保持速度传感器的电流不变,质量流量qm是流体与速度传感器的温差△T的函数(忽略RH的变化),本文中的热式质量流量计采用的是恒流式。
2.室内静态实验研究
煤层气井下温度存在一定变化,温度范围在35℃~45℃,而热式质量流量计速度传感器响应不但受到流体流量的影响,而且与流体温度关系密切,为了找到流体温度ω对速度探头的影响,我们做了固定气体流量改变气体温度,观察速度传感器输出与环境温度变化的室内实验。
实验在测试公司研发中心恒温箱中进行,将速度传感器固定于恒温箱内,为其提供130mA恒流激励,待速度传感器达到热平衡状态后,改变恒温箱内温度,记录速度传感器的输出电压随环境温度的变化情况。恒温箱是通过提供带有一定热量的气体来调节恒温箱内温度的,我们通过控制速度传感器与恒温箱供气孔的位置来控制气体流量,同时调节恒温箱内温度调节范围在32℃~50℃得到速度传感器的温度与环境温度之间的关系,如图1所示、图1中横坐标表示环境温度,纵坐标表示速度传感器两端电压,不同曲线表示在不同流量下的速度传感器响应.在恒流状态下,速度传感器输出值随环境温度的升高而增加且成线性关系,不同气流量下,表示速度传感器输出值与环境温度之间的变化关系不受气体流量的影响,这种线性递增的关系为不同环境温度下测量时进行温度补偿提供了实验依据。而气体流量影响的是曲线的截距,气流量越大,截距越小,当无气体流过时曲线截距ZUI大。
3.模拟井动态实验研究
煤层气井的井身是由5.5in(1in=25.4mm)的套管和其内部2.5in的油管组成,测试过程中,油管靠近套管一侧,形成月牙形的测试空间,传感器只能在该空间内进行测试,经计算,ZUI大的测试尺寸为36mm.为找到井下传感器响应规律,进行了模拟井动态实验研究。
3.1实验装置及实验方法
为考察热式质量流量计的动态特性,在大庆油田多相流实验室模拟井开展了动态实验研究。模拟井筒外径139.7mm,内径125mm,井筒高度13m。实验中调节的气流量范围为100m3/d~2000m3/d.将测试仪器下井后通过扶正器使之位于井筒中心位置,速度传感器(探头)位于仪器外部与仪器成一定角度,如图2所示。环境温度27℃,通过操作台控制气体流量,给测速电阻提供恒定的电流源,待气体流量与传感器探头输出值稳定后,记录气体流流量与速度传感器的两端电压值,逐渐加大流过气体流量,控制流量范围在100md~2000m3/d,依次记录各值,得到气体流量与速度传感器输出值的关系图板。
3.2倾角0°时传感器响应实验
首先进行速度探头与气体流向倾角为0°的模拟井实验及重复实验,如图3所示。从实验结果可以看出,当测速传感器与气体流向倾角0°时,随着气体流量的变化,传感器有明显的响应。且随着气体流量的增大,传感器的响应值逐渐减小,这是因为随着流量的增大流体带走的热量也随之增加,速度传感器上的温度就会降低,阻值变小,由于选择的是恒流式热式流量计,速度探头供电电流恒定,阻值减小测速电阻两端的电压随之减小,传感器响应减小。对倾角0°试验进行重复,传感器的响应重复性较好。
3.3不同倾角下动态试验研究
对煤层气测试时仪器只能放置于环套下空间内,这种狭长的空间要求尽量减小仪器的径向尺寸・而传统的热式质量流量计都要求速度传感器与流体流向垂直,我们为了节约径向空间希望减小速度传感器与气体流向的成角,做了速度传感器与气体流向成不同角度的模拟井实验。改变速度传感器与气体流向的倾角,取倾角分别为45°和90°,将三条关系曲线进行归一化,如图4所示。归一化的方法是:找到所有传感器响应之中的ZUI大值max和ZUI小值mm,将每一个气体流量下的传感响应值带人到公式Y=[f-fmax]/fmax-fmin中,得到归一化响应Y(Y的范围在0~1之间),ZUI后用Y、气体流量和传感器与气体流量倾角三个参数制作图版。
发现在传感器不同的倾角下都是随着气体流量的增大响应值逐渐降低,符合恒流热式质量流量计的特点。测速传感器与气体流向倾角90°时传感器的响应值ZUI大,随着传感器与气体流向的倾角减小,传感器的响应也随之减小速度传感器与气体流向倾角0°时传感器的响应值虽比90°时小,但是也有恒流热式质量流量计的响应特点。表明速度传感器与气体流向成角0°的方式是可行的。
4.结论
1)热式质量流量计应用于煤层气井下测试时,针对井下环境温度变化情况,得到速度传感器随环境温度变化图板,为将来进行温度补偿减小环境温度对速度传感器的影响进而更准确判断流体的质量流量提供实验依据。
2)热式质量流量计的速度传感器在与气体流向.成角0°时,传感器响应较成角90°要小,但速度传感器响应也是十分明显且重复性较好,说明煤层气井下测试控制速度传感器与气体流向成角0°的方式是可行的,进而可以有效减小仪器的径向尺寸。
3)根据以上结论,热式质量流量计应用于煤层气井产气剖面的测试方法是可行的。