基于熱示蹤的流量測量實驗研究*

張自成

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163453)

基于熱示蹤的流量測量實驗研究*

張自成

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163453)

大慶油田產出剖面測井普遍采用渦輪流量計進行流量測量，由于渦輪流量計具有旋轉部件，容易被井筒中的塊狀固體卡死，影響測井成功率，因此提出了一種無可動部件的熱示蹤流量測量新方法。熱示蹤流量測量方法是通過測量熱脈沖流過兩個固定距離的溫度探頭的時間來確定流體流量。對研制的熱示蹤流量計，在多相流試驗裝置上垂直和水平模擬井中開展了動態實驗研究。實驗結果表明：在3～40 m3/d流量范圍，標準流量和測量流量成線性關系，測量重復性好；垂直井中測量誤差大于水平井中測量誤差。熱示蹤方法在水平井分層流動條件下的測量效果較好。

熱示蹤；產出剖面；測井；流量測量

0 引 言

目前，國內油田采用的產出剖面測井技術，普遍使用渦輪流量計測量流體流量。井下測量環境十分惡劣，油井產層經常出砂、井筒中固體絮狀物富集，由于渦輪流量計具有旋轉部件容易卡死，導致流量測量成功率低。因此，國內從事產出剖面測井方法研究的廣大科研人員，都在積極探索無可動部件、可靠性高的產出剖面測井方法。何安定等[1]、沈躍等[2]較早開展了基于熱示蹤法的油水兩相流流量測量方法研究；本文作者所在的課題組多年來持續開展了基于熱示蹤法的多相流流量測量方法研究[3, 4]，為推動基于熱示蹤法的流量測井技術的現場應用奠定了基礎。本文介紹了一種面向現場應用的熱示蹤流量計在多相流試驗裝置上的實驗結果。

1 測量原理與傳感器總成

1.1 測量原理

圖1所示為測量原理示意圖，當流體流過測量通道中的熱源發生器時，利用脈沖方式控制電容對熱源發生器放電，在極短的時間內電容能夠為熱源發生器提供一個較大的功率，使熱源發生器快速發熱，根據熱傳導原理進而加熱熱源發生器周圍的運動流體，使流體溫度迅速升高，產生熱脈沖流體。當熱脈沖流體流經熱源發生器下游的溫度傳感器時，由于流體溫差原因，將引起溫度傳感器的測量信號突變，形成標記脈沖。根據互相關算法原理，對兩個溫度傳感器檢測的信號波形進行互相關運算，可以求出熱脈沖流體流經兩個溫度傳感器的時間，稱為渡越時間[5, 6]。

假設圖1中圓形測量管段的直徑為D、兩個溫度傳感器的間距為L、渡越時間為τ、流體的測量流速為V、流體的測量流量為Q，則有關系式(1)和(2)成立：

V=L/τ

(1)

(2)

只要求出渡越時間，由式(1)和式(2)就可計算油水兩相流體的總流量。

圖1 測量原理示意圖

1.2 傳感器總成

課題組早期研制的熱示蹤流量計，熱源發生器和溫度傳感器是兩組獨立部件，缺點是安裝維護不方便。最新研制的熱示蹤流量計，將熱源發生器和溫度傳感器進行優化集成，形成了熱源與溫度傳感器總成，如圖2所示。熱源發生器是將電加熱絲均勻繞制在一個長方形具有一定剛度的絕緣支架上，該支架沿流道直徑方向水平放置。在熱源發生器的前端加了一個基礎溫度檢測探頭，用來測量流體的基礎溫度，使流量檢測不受井溫影響。在溫度傳感器工藝設計方面，采用國外高精度的溫度傳感器，在封裝前后進行嚴格的篩選，保證了不同溫度探頭的參數一致性。

圖2 熱源與溫度傳感器總成示意圖

2 在多相流試驗裝置上的實驗結果

2.1 實驗目的和實驗設計

實驗目的：采用集流測量方式，研究實驗樣機在垂直和水平模擬井中不同含水率情況下的動態響應規律。實驗設計：實驗介質為油/水兩相流，配比流量分別為40、30、25、20、15、10、5、3 m3/d，含水率分別為90%、100%。

2.2 實驗樣機在垂直井中的響應規律

利用實驗樣機在垂直井中純水條件下進行了3組實驗，圖3顯示標準流量和測量流量都成線性關系，表1顯示數據測量重復性較好，誤差在10%以內。圖4顯示在垂直井中含水90%條件下進行了3組實驗，標準流量和測量流量都成線性關系，表2顯示數據測量重復性較好，誤差在10%以內。圖5通過對比純水和含水90%時的實驗數據發現：20 m3/d時測量數據波動性大，表3顯示20 m3/d時測量誤差較大。分析其原因為：在實驗過程中通過觀察模擬井筒發現，在流量小于20 m3/d時，油相成間歇性流動，所以造成了純水和含水90%時，數據波動性大，誤差較大。

圖3 垂直井純水實驗圖版

2.3 實驗樣機在水平井中的響應規律

利用實驗樣機在水平井中純水條件下進行了2組實驗，在水平井中含水90%條件下進行了2組實驗，圖6顯示標準流量和測量流量都成線性關系；圖6和表4顯示測量數據線性較好，測量重復性較好，數據離散性較小，誤差在10%以內。實驗觀察90%含水時，在5～40 m3/d流量范圍內，油水進入集流通道后還是分層流動。

圖4 垂直井含水90%實驗圖版

圖5 垂直井純水—含水90%對比實驗圖版

標準流量/m3·d-1第1次流量/m3·d-1第2次流量/m3·d-1第3次流量/m3·d-1平均流量/m3·d-1誤差/%34.594.704.554.612.156.456.636.646.571.578.508.258.368.371.21010.209.919.839.982.01513.0613.9913.1113.394.52016.3016.5215.4916.103.72519.6919.45119.0419.392.13025.3324.9622.0624.118.3

表2 垂直井含水90%時3次實驗數據

表3 垂直井純水—含水90%時實驗數據對比

表4 水平井純水—含水90%時實驗數據對比

圖6 水平井純水—含水90%對比實驗圖版

3 結 論

在3～30 m3/d垂直井中，在單相水中和90%含水時，標準流量和測量流量都成線性關系。線性和重復性較好，誤差小于10%。對比兩種條件下的實驗數據，只是在20 m3/d含水90%時誤差較大，其他點的誤差都在10%以內。在5～40 m3/d水平井中，在單相水中和90%含水時，標準流量和測量流量都成線性關系。數據離散性小，測量誤差小于10%。水平井中的測量效果優于垂直井中的測量效果。熱示蹤方法適合在水平井兩相流中分層流條件下的流量測量。

[1] 何安定，李 斌，周芳德，等．相關分析及量熱法在油水兩相流測量中的應用[J]．化學工程，2000，28(1)：40-43.

[2] 沈 躍，朱宏良，陳世廉．熱示蹤法測量流體流量的研究[J]．西安石油大學學報自然科學版，2002，17(1)：58-61.

[3] 謝榮華，趙 娜，馬水龍，等．熱示蹤流量計電學參數及結構參數的仿真[J]．油氣田地面工程，2011，30(12)：6-8.

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

[5] XU L A，GREEN R G，PLASKOWSKI A，et al．The pulsed ultrasonic cross-correlation flowmeter for two-phase flow measurement[J]．Journal of Physics E Scientific Instruments，1988，21(4)：406.

[6] 李英偉，孔令富，劉興斌,等．基于互相關理論的油井流量測量系統[J]．電子器件，2007，30(4)：1458-1461.

Experimental Study on Flowrate Measurement Based on Thermal Tracing

ZHANG Zicheng

(Logging&TestingServicesCompany,DaqingOilfieldCo.Ltd.,Daqing,Heilongjiang163453,China)

The turbine flowmeter is widely used to measure the flowrate in the production profile logging in Daqing Oilfield. But the success rate of logging is low because the turbine flowmeter has rotating parts, which can be easily blocked by the solid stuck in the wellbore. Consequently, a new method of flowrate measurement is put forward based on thermal tracing which has no moving parts. The method of flowrate measurement based on thermal tracing is by measuring the time of the heat pulse flowing through the two fixed distance temperature probe to determine the fluid flowrate. The research of dynamic experiments is done by using the thermal tracing flowmeter on the multiphase flow test equipment in the vertical and horizontal simulation wells. The experimental results show that the standard flowrate and the measuring flowrate have linear relationship and good repeatability for the flowrate ranging from 3m3/d to 40m3/d. The errors of flowrate measurement in the vertical simulation well are greater than that in the horizontal simulation well. The thermal tracing method of flowrate measurement has better effect under the condition of horizontal stratified flow.

thermal tracing； production profile； well logging； flowrate measurement

國家科技重大專項課題“油氣田開發動態監測測井系列技術與裝備”(課題編號：2011ZX05020-006)

張自成，男，1985年生，工程師，2016年畢業于東北石油大學石油地質專業，獲碩士學位。目前從事套管井注產剖面測井技術研究及新技術推廣。E-mail: dlts_zhangzch@petrochina.com.cn

P631.8+1

A

2096-0077(2017)04-0041-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.010

2016-11-21 編輯：馬小芳)