摘要: 介紹一種熱式流量計測量油水兩相流流量的測量方法。利用流體流過加熱探頭時帶走的熱量與流體流量的關(guān)系間接測量流體流量。在圓形測量管道中沿流體流動方向放置可控的熱源發(fā)生器，由熱源發(fā)生器在周圍流體中形成溫度場，當(dāng)流體流動時熱源周圍的溫度場隨流量變化，通過檢測熱源發(fā)生器被冷卻的程度測量流量。設(shè)計加工了熱式流量計原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在大型多相流試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了動態(tài)實(shí)驗(yàn)，在含水率 90% 以上時流量測量誤差在 8% 以內(nèi)。在油水兩相條件下，熱式流量計更適于特高含水條件下應(yīng)用。

0、引言：
  大慶油田產(chǎn)出剖面測井技術(shù)中主要應(yīng)用渦輪流量計進(jìn)行油水兩相流流量測量。渦輪流量計存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，容易被井下異物卡死，導(dǎo)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(jìn)行低流量測量等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服渦輪流量計存在的缺點(diǎn)。研制了原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，開展了原理性實(shí)驗(yàn)，取得了令人樂觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gòu)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(chǔ)溫度傳感器 A，目的是為了測量流體的基礎(chǔ)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(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖

2、原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計：
  圖 2 所示為設(shè)計的用于開展可行性實(shí)驗(yàn)的熱式流量計原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)流道內(nèi)徑為20 mm、外徑為28 mm，采用集流方式進(jìn)行流量測量。
  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(shí)驗(yàn)樣機(jī)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(shí)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(jié)構(gòu)示意圖。


圖 3 熱源發(fā)生器包裹著溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
3、多相流試驗(yàn)裝置上實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
  利用熱式流量計原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司的多相流模擬試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。垂直模擬井筒內(nèi)徑為 125 mm，實(shí)驗(yàn)時集流傘張開，封閉了樣機(jī)和井筒之間的環(huán)形空間，使全部流體流過樣機(jī)的測量通道并提高了流體流速。

3.1、不同含水率時實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
  實(shí)驗(yàn)介質(zhì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 4。圖 4 中橫坐標(biāo)為配比的標(biāo)準(zhǔn)流量，縱坐標(biāo)為測量的溫度傳感器電阻值。將圖 4中測量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得到圖 5。從圖 4 中可以看出原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在流量 1 ～ 40 m3/ d 范圍、含水率分別為 80% 、90% 、100% 時標(biāo)準(zhǔn)流量和測量電阻之間呈非線性變化關(guān)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(shí)驗(yàn)條件下熱式流量計的動態(tài)測量范圍在 200 Ω 以內(nèi)， 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(biāo)準(zhǔn)流量與測量電阻的關(guān)系圖版圖 5 對圖 4 擬合結(jié)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流量相比，***大誤差為 3． 06 m3/ d，相對于 40m3/ d 滿量程，流量測量誤差為 7． 65% 。同樣得到含水率 90% 下的***大誤差為 6． 59% ; 含水率 80%下的***大誤差為 25． 09% 。通過對 3 組流量測量數(shù)據(jù)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(yīng)用。

3． 2、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)：
  介質(zhì)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(fù)進(jìn)行 2 組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證測量重復(fù)性與穩(wěn)定性。
  從圖 6 可以看出，在不同含水率下，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測量結(jié)果重復(fù)性很好，數(shù)據(jù)波動較小，經(jīng)計算重復(fù)性誤差在 3% 以內(nèi); 各流量點(diǎn)對應(yīng)的溫度傳感器測量電阻值的動態(tài)變化范圍在 200 Ω 以內(nèi)，能夠?qū)α髁窟M(jìn)行正確指示，說明本文設(shè)計的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性較好。

圖 6 不同含水率時標(biāo)準(zhǔn)流量與測量電阻的關(guān)系圖

4、結(jié) 論：
  ( 1) 標(biāo)準(zhǔn)流量和測量電阻之間呈非線性變化關(guān)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)測量結(jié)果重復(fù)性較好，數(shù)據(jù)波動較小，說明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)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(shè)計的熱式流量計原理樣機(jī)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(yīng)用。