容積式氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)與室內(nèi)試驗(yàn)

0.引言

煤層氣井***大的難點(diǎn)是產(chǎn)氣量低，大多數(shù)井的產(chǎn)氣量在２０００ｍ ｄ／ 以下。生產(chǎn)測(cè)井中常用的流量計(jì)有渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)和同位素示蹤流量計(jì)。渦輪流量計(jì)分為集流和非集流２種方式。布傘和金屬傘對(duì)氣體的集流效果很差，即使是集流效果好的皮球式集流流量計(jì)也不適用于油管下過(guò)產(chǎn)層的井。非集流式流量計(jì)則存在啟動(dòng)排量和測(cè)量精度過(guò)低的問(wèn)題。電磁流量計(jì)主要用于測(cè)量電導(dǎo)率大于10-7 S/m的單相流體，不適用于氣體和含有較大氣泡液體的測(cè)量。超聲波流量計(jì)主要用于注水井測(cè)井中。

測(cè)井中還需要做大量的研究工作。同位素示蹤流量計(jì)可用于水的測(cè)量，氣體對(duì)同位素的攜帶能力較差。為解決低產(chǎn)氣量情況下氣、水兩相流中氣體測(cè)量問(wèn)題，研制了一種新型氣體流量計(jì)———容積式氣體流量計(jì)，。這種流量計(jì)在5m立方米/d的低產(chǎn)氣量條件下仍能準(zhǔn)確測(cè)量氣體產(chǎn)量。

1.容積式氣體流量計(jì)工作原理

眾多流量計(jì)中，精度***高、測(cè)量范圍不受限制的是容積式流量計(jì)。容積式流量計(jì)利用按時(shí)間計(jì)量流體體積方法。試想一個(gè)水龍頭出現(xiàn)了滴漏的現(xiàn)象，此時(shí)由于水量太小，超過(guò)了水表的啟動(dòng)排量，漏水量無(wú)法顯示。如果把水龍頭漏的水用容器集中起來(lái)，當(dāng)容器裝滿水時(shí)，記錄一下容器裝滿水所用的時(shí)間，用容器的容量除以這個(gè)時(shí)間即可得到水龍頭的漏水流量。這種方法很，而且可以測(cè)量很小的流量。為了將這一思想用于煤層氣井的氣體測(cè)量中，設(shè)計(jì)了如圖１所示的容積式氣體流量計(jì)探測(cè)部分。

在煤層氣井中，產(chǎn)層附近的流體處于氣、水兩相流狀態(tài)。由于氣體的密度遠(yuǎn)小于水的密度，因此氣體總是向上運(yùn)動(dòng)。容積式氣體流量計(jì)的探測(cè)部分由集氣筒、活塞和電容電極等構(gòu)成，活塞可以打開(kāi)或關(guān)閉。當(dāng)活塞由打開(kāi)轉(zhuǎn)為關(guān)閉時(shí)，進(jìn)入集氣筒的氣體會(huì)在活塞下面聚集并形成一個(gè)氣水界面，隨著時(shí)間增加氣水界面逐漸向下移動(dòng)，***終充滿整個(gè)集氣筒。

集氣筒是否充滿氣體采用電容傳感器探測(cè)。從活塞關(guān)閉到集氣筒充滿氣體的時(shí)間我們稱之為集氣時(shí)間。集氣筒的體積除以集氣時(shí)間就是流進(jìn)集氣筒的氣體流量，它與整個(gè)井筒中的氣體流量存在密切的關(guān)系。在集氣筒中存在氣體與水的置換，即在氣體進(jìn)入集氣筒的同時(shí)有等量體積的水被置換出來(lái)。如果沒(méi)有這一因素的影響并假設(shè)氣體在井筒中分布是均勻的，整個(gè)井筒的氣體流量與流進(jìn)集氣筒的氣體流量應(yīng)當(dāng)是倍數(shù)關(guān)系。這一倍數(shù)就是井筒的橫截面面積與集氣筒橫截面面積之比。實(shí)際上，由于多種因素的影響，井筒的氣流量與流進(jìn)集氣筒的氣流量不是線性關(guān)系。因此，容積式氣體流量計(jì)需要在氣、水兩相流標(biāo)定裝置中進(jìn)行標(biāo)定。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)控制活塞打開(kāi)或關(guān)閉集氣筒的動(dòng)作，容積式氣體流量計(jì)采用了圖２所示的結(jié)構(gòu)。儀器由上接頭 電路板 馬達(dá) 滾珠絲杠 密封接頭 推拉桿、活塞、電容傳感器、氣體收集筒等部件構(gòu)成。馬達(dá)在電路板的控制下可以正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。滾珠絲杠

3.電路設(shè)計(jì)

容積式氣體流量計(jì)電路的作用是將電容傳感器的電容量轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號(hào)，并將其送往地面系統(tǒng)。容積氣體流量計(jì)電路部分由測(cè)量電路、Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器、通訊板和馬達(dá)控制板等構(gòu)成（見(jiàn)圖３）。測(cè)量電路將傳感器電容量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流電壓，Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器將該直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，通訊板對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并通過(guò)儀器總線將數(shù)據(jù)送入

ＷＴＣ。ＷＴＣ是多路數(shù)據(jù)通訊短節(jié)，它將容積式氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)通過(guò)電纜送到地面系統(tǒng)。馬達(dá)控制板控制馬達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

4.電路性能試驗(yàn)

４．１ 傳感器電容量測(cè)量

將容積式氣體流量計(jì)置于空氣或水中，用電容表測(cè)量可以得到傳感器在空氣中或水中的電容量。經(jīng)測(cè)量，１號(hào)儀器傳感器在空氣和水中的電容量分別為１０２４、３６２０ｐＦ；２號(hào)儀器傳感器在空氣和水中的電容量分別為１０１３、３５９０ｐＦ。

４．２ 測(cè)量電路線性試驗(yàn)

為驗(yàn)證傳感器電容測(cè)量電路以及 Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器的線性，將 １ 號(hào)儀器傳感器分別更換為 １０００、２０００、３０００、４０００ｐＦ的電容，得到表１所示數(shù)據(jù)。

利用表１得到傳感器電容量與測(cè)量電路輸出電壓的關(guān)系如圖４所示。傳感器電容量與 Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器輸出頻率的關(guān)系如圖５所示。由圖４、圖５可以看出測(cè)量電路和 Ｖ－Ｆ轉(zhuǎn)換器的線性非常好。

４．３ 氣、水測(cè)量及調(diào)試試驗(yàn)

將儀器的傳感器置于空氣中，調(diào)整高值電位器使儀器輸出頻率為２．５ｋＨｚ左右；將儀器的傳感器置于水中，調(diào)整低值電位器使儀器輸出頻率為１ｋＨｚ左右。這樣反復(fù)調(diào)整得到１號(hào)儀器在空氣和水中的計(jì)數(shù)率分別為２５０６、１０２４Ｈｚ，２號(hào)儀器在空氣和水中的計(jì)數(shù)率分別為２５１２、１００６Ｈｚ。

４．４ 溫度性能試驗(yàn)

為考驗(yàn)儀器的溫度性能將１號(hào)儀器置于空氣中進(jìn)行加溫試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量?jī)x器輸出的計(jì)數(shù)率（見(jiàn)表２）。

由表２可見(jiàn)，儀器輸出頻率隨溫度的變化較小，溫度穩(wěn)定性很好。

５ .標(biāo)定裝置試驗(yàn)

將容積式氣體流量計(jì)置于氣、水兩相流標(biāo)定裝置中，連接地面系統(tǒng)，采用持水率通道記錄容積式氣體流量計(jì)信號(hào)。將容積式氣體流量計(jì)的活塞打開(kāi)。在水和氣量穩(wěn)定的情況下，記錄持水率曲線（見(jiàn)圖６）。待持水率計(jì)數(shù)率穩(wěn)定后，關(guān)閉活塞。這時(shí)持水率曲線隨時(shí)間上升，表明氣體收集筒中的氣水界面在逐漸下移。持水率曲線再次穩(wěn)定后表明氣體收集筒已充滿氣體。從活塞關(guān)閉到氣體充滿收集筒的時(shí)間就是集氣時(shí)間。

水流量為５ｍ３／ｄ的情況下，改變氣體產(chǎn)量得到表３。

同樣，在水流量為０、２、１０、３０、５０ｍ３／ｄ的情況下，改變氣量可以得到相應(yīng)的解釋圖版。***后得到圖８所示的容積式流量計(jì)解釋圖版。

標(biāo)定中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣量超過(guò)５００ｍ３／ｄ時(shí)，水不再呈現(xiàn)連續(xù)相，容積式氣體流量計(jì)失效。

容積式氣體流量計(jì)所測(cè)量的氣體流量是一定壓力和溫度情況下的體積流量，利用壓力溫度數(shù)值，可以將它換算為常溫常壓下的流量。

６.結(jié)束語(yǔ)

容積式氣體流量計(jì)是一種機(jī)械動(dòng)作結(jié)合電路測(cè)量的儀器，它通過(guò)氣體充滿收集筒的時(shí)間測(cè)量氣體流量。理論分析和標(biāo)定裝置試驗(yàn)表明，該儀器適用于低產(chǎn)氣量井氣流量的測(cè)量。當(dāng)容積式氣體流量計(jì)的活塞處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，傳感器的電容量還與持氣率有關(guān)。因此該儀器還可以用于測(cè)量持氣率。