熱式流量計測量油水兩相流量的實驗研究

王延軍，胡金海，劉興斌，姜兆宇，劉繼新，4

(1.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;2.哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150006;3.東北石油大學電子科學學院，黑龍江 大慶 163318;4.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

大慶油田產出剖面測井技術中主要應用渦輪流量計進行油水兩相流流量測量。渦輪流量計存在機械旋轉部件，容易被井下異物卡死，導致流量測量失敗，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、可進行低流量測量等優(yōu)點，能夠克服渦輪流量計存在的缺點。研制了原理實驗樣機，開展了原理性實驗，取得了令人樂觀的實驗結果。

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個基礎溫度傳感器A，目的是為了測量流體的基礎溫度。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 測量裝置結構示意圖

對測量管段中的熱源發(fā)生器進行恒流供電加熱，當有流體流過熱源發(fā)生器時，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。這種方法稱為熱導式測量方法，屬于這種測量方法的儀表有熱線風速儀[3]、浸入型流量計[4]等。

2 原理實驗樣機的設計

圖2所示為設計的用于開展可行性實驗的熱式流量計原理實驗樣機示意圖，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。熱式流量計原理實驗樣機流道內徑為20 mm、外徑為28 mm，采用集流方式進行流量測量。

圖2 熱式流量計示意圖

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，熱式流量計原理實驗樣機采用的溫度檢測傳感器為鎧裝鉑電阻(PT1000)。利用FLUKE PM6306 LCR測量儀可以實時測量鉑電阻的阻值。圖3為熱源發(fā)生器包裹著溫度傳感器的結構示意圖。

圖3 熱源發(fā)生器包裹著溫度傳感器結構示意圖

3 多相流試驗裝置上實驗結果

利用熱式流量計原理實驗樣機在大慶油田測試技術服務分公司的多相流模擬試驗裝置上進行了實驗研究。垂直模擬井筒內徑為125 mm，實驗時集流傘張開，封閉了樣機和井筒之間的環(huán)形空間，使全部流體流過樣機的測量通道并提高了流體流速。

3.1 不同含水率時實驗結果

實驗介質為油水兩相流，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%。

實驗結果見圖4。圖4中橫坐標為配比的標準流量，縱坐標為測量的溫度傳感器電阻值。將圖4中測量數據進行曲線擬合得到圖5。從圖4中可以看出原理實驗樣機在流量1～40 m3/d范圍、含水率分別為80%、90%、100%時標準流量和測量電阻之間呈非線性變化關系，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;實驗條件下熱式流量計的動態(tài)測量范圍在200Ω以內，隨著總流量的增加，熱式流量計的靈敏度下降。

圖4 不同含水率時標準流量與測量電阻的關系圖版

圖5 對圖4擬合結果

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，與對應的標準流量相比，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組流量測量數據的誤差分析可知，在油水兩相條件下，熱式流量計更適于特高含水條件下應用。

3.2 重復性實驗結果

實驗介質為油水兩相流，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%，每個含水率重復進行2組實驗，驗證測量重復性與穩(wěn)定性。

從圖6可以看出，在不同含水率下，實驗樣機的測量結果重復性很好，數據波動較小，經計算重復性誤差在3%以內;各流量點對應的溫度傳感器測量電阻值的動態(tài)變化范圍在200Ω以內，能夠對流量進行正確指示，說明本文設計的實驗樣機的可靠性和穩(wěn)定性較好。

圖6 不同含水率時標準流量與測量電阻的關系圖

4 結論

(1)標準流量和測量電阻之間呈非線性變化關系，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，同時靈敏度下降。在不同含水率下，實驗樣機測量結果重復性較好，數據波動較小，說明實驗樣機的可靠性和穩(wěn)定性較好。

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

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

[2]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.

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

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