容積式氣體流量計設計與室內試驗

0.引言

煤層氣井***大的難點是產氣量低，大多數井的產氣量在２０００ｍ ｄ／ 以下。生產測井中常用的流量計有渦輪流量計、電磁流量計、超聲流量計和同位素示蹤流量計。渦輪流量計分為集流和非集流２種方式。布傘和金屬傘對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也不適用于油管下過產層的井。非集流式流量計則存在啟動排量和測量精度過低的問題。電磁流量計主要用于測量電導率大于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量。超聲波流量計主要用于注水井測井中。

測井中還需要做大量的研究工作。同位素示蹤流量計可用于水的測量，氣體對同位素的攜帶能力較差。為解決低產氣量情況下氣、水兩相流中氣體測量問題，研制了一種新型氣體流量計———容積式氣體流量計，。這種流量計在5m立方米/d的低產氣量條件下仍能準確測量氣體產量。

1.容積式氣體流量計工作原理

眾多流量計中，精度***高、測量范圍不受限制的是容積式流量計。容積式流量計利用按時間計量流體體積方法。試想一個水龍頭出現了滴漏的現象，此時由于水量太小，超過了水表的啟動排量，漏水量無法顯示。如果把水龍頭漏的水用容器集中起來，當容器裝滿水時，記錄一下容器裝滿水所用的時間，用容器的容量除以這個時間即可得到水龍頭的漏水流量。這種方法很，而且可以測量很小的流量。為了將這一思想用于煤層氣井的氣體測量中，設計了如圖１所示的容積式氣體流量計探測部分。

在煤層氣井中，產層附近的流體處于氣、水兩相流狀態。由于氣體的密度遠小于水的密度，因此氣體總是向上運動。容積式氣體流量計的探測部分由集氣筒、活塞和電容電極等構成，活塞可以打開或關閉。當活塞由打開轉為關閉時，進入集氣筒的氣體會在活塞下面聚集并形成一個氣水界面，隨著時間增加氣水界面逐漸向下移動，***終充滿整個集氣筒。

集氣筒是否充滿氣體采用電容傳感器探測。從活塞關閉到集氣筒充滿氣體的時間我們稱之為集氣時間。集氣筒的體積除以集氣時間就是流進集氣筒的氣體流量，它與整個井筒中的氣體流量存在密切的關系。在集氣筒中存在氣體與水的置換，即在氣體進入集氣筒的同時有等量體積的水被置換出來。如果沒有這一因素的影響并假設氣體在井筒中分布是均勻的，整個井筒的氣體流量與流進集氣筒的氣體流量應當是倍數關系。這一倍數就是井筒的橫截面面積與集氣筒橫截面面積之比。實際上，由于多種因素的影響，井筒的氣流量與流進集氣筒的氣流量不是線性關系。因此，容積式氣體流量計需要在氣、水兩相流標定裝置中進行標定。

2.機械設計

為實現電動控制活塞打開或關閉集氣筒的動作，容積式氣體流量計采用了圖２所示的結構。儀器由上接頭 電路板 馬達 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成。馬達在電路板的控制下可以正轉或反轉。滾珠絲杠

3.電路設計

容積式氣體流量計電路的作用是將電容傳感器的電容量轉換為脈沖頻率信號，并將其送往地面系統。容積氣體流量計電路部分由測量電路、Ｖ－Ｆ轉換器、通訊板和馬達控制板等構成（見圖３）。測量電路將傳感器電容量轉換為對應的直流電壓，Ｖ－Ｆ轉換器將該直流電壓信號轉換為脈沖信號，通訊板對脈沖信號進行計數并通過儀器總線將數據送入

ＷＴＣ。ＷＴＣ是多路數據通訊短節，它將容積式氣體流量計的數據通過電纜送到地面系統。馬達控制板控制馬達正轉或反轉。

4.電路性能試驗

４．１ 傳感器電容量測量

將容積式氣體流量計置于空氣或水中，用電容表測量可以得到傳感器在空氣中或水中的電容量。經測量，１號儀器傳感器在空氣和水中的電容量分別為１０２４、３６２０ｐＦ；２號儀器傳感器在空氣和水中的電容量分別為１０１３、３５９０ｐＦ。

４．２ 測量電路線性試驗

為驗證傳感器電容測量電路以及 Ｖ－Ｆ轉換器的線性，將 １ 號儀器傳感器分別更換為 １０００、２０００、３０００、４０００ｐＦ的電容，得到表１所示數據。

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

４．３ 氣、水測量及調試試驗

將儀器的傳感器置于空氣中，調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，調整低值電位器使儀器輸出頻率為１ｋＨｚ左右。這樣反復調整得到１號儀器在空氣和水中的計數率分別為２５０６、１０２４Ｈｚ，２號儀器在空氣和水中的計數率分別為２５１２、１００６Ｈｚ。

４．４ 溫度性能試驗

為考驗儀器的溫度性能將１號儀器置于空氣中進行加溫試驗，同時測量儀器輸出的計數率（見表２）。

由表２可見，儀器輸出頻率隨溫度的變化較小，溫度穩定性很好。

５ .標定裝置試驗

將容積式氣體流量計置于氣、水兩相流標定裝置中，連接地面系統，采用持水率通道記錄容積式氣體流量計信號。將容積式氣體流量計的活塞打開。在水和氣量穩定的情況下，記錄持水率曲線（見圖６）。待持水率計數率穩定后，關閉活塞。這時持水率曲線隨時間上升，表明氣體收集筒中的氣水界面在逐漸下移。持水率曲線再次穩定后表明氣體收集筒已充滿氣體。從活塞關閉到氣體充滿收集筒的時間就是集氣時間。

水流量為５ｍ３／ｄ的情況下，改變氣體產量得到表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的解釋圖版。***后得到圖８所示的容積式流量計解釋圖版。

標定中發現，當氣量超過５００ｍ３／ｄ時，水不再呈現連續相，容積式氣體流量計失效。

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

６.結束語

容積式氣體流量計是一種機械動作結合電路測量的儀器，它通過氣體充滿收集筒的時間測量氣體流量。理論分析和標定裝置試驗表明，該儀器適用于低產氣量井氣流量的測量。當容積式氣體流量計的活塞處于打開狀態時，傳感器的電容量還與持氣率有關。因此該儀器還可以用于測量持氣率。