容积式气体流量计设计与室内试验

容积式气体流量计设计与室内试验

容积式气体流量计设计与室内试验

0.引言

煤层气井***大的难点是产气量低，大多数井的产气量在２０００ｍ ｄ／ 以下。生产测井中常用的流量计有涡轮流量计、电磁流量计、超声流量计和同位素示踪流量计。涡轮流量计分为集流和非集流２种方式。布伞和金属伞对气体的集流效果很差，即使是集流效果好的皮球式集流流量计也不适用于油管下过产层的井。非集流式流量计则存在启动排量和测量精度过低的问题。电磁流量计主要用于测量电导率大于10-7 S/m的单相流体，不适用于气体和含有较大气泡液体的测量。超声波流量计主要用于注水井测井中。

测井中还需要做大量的研究工作。同位素示踪流量计可用于水的测量，气体对同位素的携带能力较差。为解决低产气量情况下气、水两相流中气体测量问题，研制了一种新型气体流量计———容积式气体流量计，。这种流量计在5m立方米/d的低产气量条件下仍能准确测量气体产量。

1.容积式气体流量计工作原理

众多流量计中，精度***高、测量范围不受限制的是容积式流量计。容积式流量计利用按时间计量流体体积方法。试想一个水出现了滴漏的现象，此时由于水量太小，超过了水表的启动排量，漏水量无法显示。如果把水漏的水用容器集中起来，当容器装满水时，记录一下容器装满水所用的时间，用容器的容量除以这个时间即可得到水的漏水流量。这种方法很，而且可以测量很小的流量。为了将这一思想用于煤层气井的气体测量中，设计了如图１所示的容积式气体流量计探测部分。

在煤层气井中，产层附近的流体处于气、水两相流状态。由于气体的密度远小于水的密度，因此气体总是向上运动。容积式气体流量计的探测部分由集气筒、活塞和电容电极等构成，活塞可以打开或关闭。当活塞由打开转为关闭时，进入集气筒的气体会在活塞下面聚集并形成一个气水界面，随着时间增加气水界面逐渐向下移动，***终充满整个集气筒。

集气筒是否充满气体采用电容传感器探测。从活塞关闭到集气筒充满气体的时间我们称之为集气时间。集气筒的体积除以集气时间就是流进集气筒的气体流量，它与整个井筒中的气体流量存在密切的关系。在集气筒中存在气体与水的置换，即在气体进入集气筒的同时有等量体积的水被置换出来。如果没有这一因素的影响并假设气体在井筒中分布是均匀的，整个井筒的气体流量与流进集气筒的气体流量应当是倍数关系。这一倍数就是井筒的横截面面积与集气筒横截面面积之比。实际上，由于多种因素的影响，井筒的气流量与流进集气筒的气流量不是线性关系。因此，容积式气体流量计需要在气、水两相流标定装置中进行标定。

2.机械设计

为实现电动控制活塞打开或关闭集气筒的动作，容积式气体流量计采用了图２所示的结构。仪器由上接头 电路板 马达 滚珠丝杠 密封接头 推拉杆、活塞、电容传感器、气体收集筒等部件构成。马达在电路板的控制下可以正转或反转。滚珠丝杠

3.电路设计

容积式气体流量计电路的作用是将电容传感器的电容量转换为脉冲频率信号，并将其送往地面系统。容积气体流量计电路部分由测量电路、Ｖ－Ｆ转换器、通讯板和马达控制板等构成（见图３）。测量电路将传感器电容量转换为对应的直流电压，Ｖ－Ｆ转换器将该直流电压信号转换为脉冲信号，通讯板对脉冲信号进行计数并通过仪器总线将数据送入

ＷＴＣ。ＷＴＣ是多路数据通讯短节，它将容积式气体流量计的数据通过电缆送到地面系统。马达控制板控制马达正转或反转。

4.电路性能试验

４．１ 传感器电容量测量

将容积式气体流量计置于空气或水中，用电容表测量可以得到传感器在空气中或水中的电容量。经测量，１号仪器传感器在空气和水中的电容量分别为１０２４、３６２０ｐＦ；２号仪器传感器在空气和水中的电容量分别为１０１３、３５９０ｐＦ。

４．２ 测量电路线性试验

为验证传感器电容测量电路以及 Ｖ－Ｆ转换器的线性，将 １ 号仪器传感器分别更换为 １０００、２０００、３０００、４０００ｐＦ的电容，得到表１所示数据。

利用表１得到传感器电容量与测量电路输出电压的关系如图４所示。传感器电容量与 Ｖ－Ｆ转换器输出频率的关系如图５所示。由图４、图５可以看出测量电路和 Ｖ－Ｆ转换器的线性非常好。

４．３ 气、水测量及调试试验

将仪器的传感器置于空气中，调整高值电位器使仪器输出频率为２．５ｋＨｚ左右；将仪器的传感器置于水中，调整低值电位器使仪器输出频率为１ｋＨｚ左右。这样反复调整得到１号仪器在空气和水中的计数率分别为２５０６、１０２４Ｈｚ，２号仪器在空气和水中的计数率分别为２５１２、１００６Ｈｚ。

４．４ 温度性能试验

为考验仪器的温度性能将１号仪器置于空气中进行加温试验，同时测量仪器输出的计数率（见表２）。

由表２可见，仪器输出频率随温度的变化较小，温度稳定性很好。

５ .标定装置试验

将容积式气体流量计置于气、水两相流标定装置中，连接地面系统，采用持水率通道记录容积式气体流量计信号。将容积式气体流量计的活塞打开。在水和气量稳定的情况下，记录持水率曲线（见图６）。待持水率计数率稳定后，关闭活塞。这时持水率曲线随时间上升，表明气体收集筒中的气水界面在逐渐下移。持水率曲线再次稳定后表明气体收集筒已充满气体。从活塞关闭到气体充满收集筒的时间就是集气时间。

水流量为５ｍ３／ｄ的情况下，改变气体产量得到表３。

同样，在水流量为０、２、１０、３０、５０ｍ３／ｄ的情况下，改变气量可以得到相应的解释图版。***后得到图８所示的容积式流量计解释图版。

标定中发现，当气量超过５００ｍ３／ｄ时，水不再呈现连续相，容积式气体流量计失效。

容积式气体流量计所测量的气体流量是一定压力和温度情况下的体积流量，利用压力温度数值，可以将它换算为常温常压下的流量。

６.结束语

容积式气体流量计是一种机械动作结合电路测量的仪器，它通过气体充满收集筒的时间测量气体流量。理论分析和标定装置试验表明，该仪器适用于低产气量井气流量的测量。当容积式气体流量计的活塞处于打开状态时，传感器的电容量还与持气率有关。因此该仪器还可以用于测量持气率。