流量、溫度和液位的測量【優(yōu)選內(nèi)容】

1、第三章 流量、溫度、液位的測量,油氣井生產(chǎn)測試,1,行業(yè)借鑒#,第一節(jié) 流量的測量,流量和壓力一樣，也是油氣井測試的最重要的參數(shù)，無論地面計量還是地層評價，必須使用各種儀器、儀表來測取石油、天然氣、地層水的流量。 流量：是指每單位時間內(nèi)流經(jīng)有效截面積的流體數(shù)量，該數(shù)量可以用體積和質量來表示，分別稱為體積流量和質量流量，單位分別為米3/時，千克/時等。 總量：是指某一段時間間隔內(nèi)流經(jīng)有效截面的流體數(shù)量之總和，相應地該總和可以用體積、質量來表示。,2,行業(yè)借鑒#,第一節(jié) 流量的測量,流量計是指測量流體流量的儀表，它能指示和記錄某瞬時流體的流量值。 計量表（總量計）是指測量流體總量的儀表，它能累積某

2、段時間間隔內(nèi)流體的總量值。 流量計的種類繁多，各自建立在不同的物理原理和規(guī)律上，沒有一個統(tǒng)一分類。但是按照測量方法可以分為：差壓流量計、靶式流量計、轉子流量計、容積式計量表、速度式計量表、電磁流量計、旋渦流量計、超聲波流量計、質量流量計等等。,3,行業(yè)借鑒#,第一節(jié) 流量的測量,本節(jié)要講述的內(nèi)容 了解6種流量計，只講玻璃轉子流量計和體積管流量計以及流量計的標定方法； 至于墊圈流量計、臨界速度流量計和浮子式井下流量計在普通試油工藝中講。,4,行業(yè)借鑒#,一、玻璃轉子流量計,轉子流量計是以節(jié)流原理為基礎的一種流量測量儀表。節(jié)流現(xiàn)象：當流體流經(jīng)孔板時，孔板前后有壓力差產(chǎn)生，壓力差的大小隨著流體流量的

3、變化而變化，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。 轉子流量計在測量過程中，轉子上的全壓差始終保持不變，只是流通的面積隨流量的變化而變化，所以也稱為定壓差式流量計或面積流量計。 轉子流量計有玻璃轉子流量計（只用作就地指示）和金屬轉子流量計（可以進行信號傳輸）兩種。,5,行業(yè)借鑒#,一、玻璃轉子流量計,玻璃轉子流量計可以用來測量非混相液體、氣體等單相介質的流量。在油田上，一般用來計量清水流量。 這種儀表測量范圍大、壓力損失小、結構簡單、顯示直觀、便于維修。,6,行業(yè)借鑒#,一、玻璃轉子流量計,1、結構 轉子流量計主要是由一根自下而上擴大的圓錐形玻璃管和一只隨流體流量大小而上下浮動的轉子（又稱浮子）組成（圖3-3

4、）。,7,行業(yè)借鑒#,一、玻璃轉子流量計,錐形管 錐形管的錐度根據(jù)流量的大小而定，一般在1：201：200范圍內(nèi);錐管外表刻有百分數(shù)或流量刻度線，透過透明的被測介質，轉子的高度即可指示流量的大小;錐形管大端在上、小端在下。 錐形管使用壓力為20公斤/厘米2以下，溫度為-20+120內(nèi)。 只有長度、錐度和口徑相同的錐形管才能互換，互換后一般要求重新標定，錐形管一般用高硼硬質玻璃制成，也可用有機玻璃制成。,8,行業(yè)借鑒#,一、玻璃轉子流量計,浮子 一般用鋁、鉛、不銹鋼玻璃、膠木、有機玻璃等制成，使用時可根據(jù)流體的化學性質加以選用。浮子形狀常見的有I、II、III型三種（圖3-3）。 I型大都使用于

5、氣體、小流量，而且流量系數(shù)也較小的地方。有時浮子在流體作用下不斷旋轉，為了使浮子穩(wěn)定在中心位置，在浮子的上邊沿開有斜槽。 II型大都使用于液體、大流量且流量系數(shù)比較大的地方。對于大流量的流量計為使其穩(wěn)定在中心位置，往往帶有中心導桿。 III型使用較少，它的特點是粘度變化時流量指示影響較小。,9,行業(yè)借鑒#,2轉子流量計的測量原理 當流體自下而上流經(jīng)錐管時，由于流體在轉子與錐管間的流通面積在變化，產(chǎn)生節(jié)流作用，流體在轉子前后產(chǎn)生的靜壓差對轉子有一向上的作用力； 另外，流體流過轉子時，對轉子產(chǎn)生一定的沖擊力（即動壓力）和流體對轉子的粘滯摩擦力； 轉子在這些流體推力作用下，克服自身在流體中的重力而向

6、上運動；,10,行業(yè)借鑒#,隨著轉子的上升，轉子與錐形管之間的環(huán)形流通面積增大，流體的流速降低，流體對轉子的沖擊作用力和摩擦力減小，而靜壓差產(chǎn)生的作用力保持不變，即： 直到流體作用在轉子上的向上推力與轉子在流體中的重力相平衡時，轉子停留在錐形管中的某一高度上。因而，轉子高度反映了流量的大小，所以通過轉子的高度變化就能知道流量的大小。,11,行業(yè)借鑒#,3轉子流量計的流量方程,為了明確轉子平衡位置高度h和被測介質流量q之間的定量關系，以及其它參數(shù)對流量示值的影響，下面推導轉子流量計的流量方程。 作用在轉子上的流體作用力包括：沖擊力（動壓作用力）、節(jié)流作用而產(chǎn)生的靜壓差作用力以及流體對轉子的粘滯摩

7、擦力。根據(jù)流體在孔板前后的伯努力方程和連續(xù)性方程，經(jīng)過一系列推導有：,12,行業(yè)借鑒#,13,行業(yè)借鑒#,14,行業(yè)借鑒#,一、玻璃轉子流量計,注意 由于玻璃轉子流量計出廠時是按水（或空氣）標定的，但在生產(chǎn)中被測流體的性質、浮子重量等均與標定條件不同，會使流量計指示值產(chǎn)生誤差。因此，在有條件的情況下，應對流量計重新標定，無條件時，根據(jù)有關公式，對流體密度、流體溫度和壓力、浮子重量進行修正。,15,行業(yè)借鑒#,二、標準體積管,標準體積管是大口徑、高精度的大型流量校驗設備。 它是利用管道本身已校部分作為標定裝置，校驗工業(yè)用流量計。,16,行業(yè)借鑒#,1、結構 標準體積管分為兩大部分： 本體部分 附

8、屬部分，見左圖。,17,行業(yè)借鑒#,本體部分包括: 外部聯(lián)系部分：包括上游閥、下游閥和截止閥等串接在主管線上。當需要對工業(yè)用流量計進行校驗時，則將截止閥關閉，打開上、下游閥，即可將實際使用液體引進標準體積管。 直管段和U形管段：是組成標準體積管的關鍵部位。,18,行業(yè)借鑒#,彈性膠球：此裝置有三個膠球，兩個球起密封作用，將流進與流出的液體隔開，防止泄露，以保證全部液體流過直線段和U形管段；一個膠球在運行。對膠球的要求是密封性好和耐磨損。 檢測開關：在直管段靠近進出口處，各裝一個檢測開關。,19,行業(yè)借鑒#,脈沖計數(shù)器：有兩個電子數(shù)字式脈沖計數(shù)器，一個記錄被校驗的流量計發(fā)出的脈沖數(shù)（與流量有一定

9、比例關系）；另一個記錄膠球從檢測開關1到檢測開關2的時間。它們的啟動和停止都由檢測開關控制，在一定時間內(nèi)，從流量計發(fā)來的脈沖數(shù)越多，表示計量越精確。,分離三通：作用是使膠球從流動的液體中分離出來，靠它自重（減去浮力后）慢慢落到上插銷上。分離三通直徑要比直管直徑大，使膠球能可靠的分離出來。,20,行業(yè)借鑒#,發(fā)出三通：它的直徑比膠球直徑大，有平滑過渡的連接件導入標準體積管的直管段，它應向直管段稍傾斜，以便在低流量時球能夠很好的進入直管段。 上插銷和下插銷：上插銷是為了收回膠球用的，而下插銷是為了發(fā)送膠球用的。當插銷插入管內(nèi)時，球只能落在它上面，只有當拔出插銷時球才能落下。它們的動作是用液壓缸帶動

10、的。,快速盲板：用來將膠球投入發(fā)送三通或取出膠球的。 推球器：利用液壓推動連桿，桿端有個推球的球面形碗。,21,行業(yè)借鑒#,二、標準體積管,附屬部分主要包括：液壓泵和油箱、操作臺、儀表盤（裝有電子脈沖計數(shù)器和溫度計等儀表）、標準量器（精度很高的標準容器兩個，用來確定標準體積管的精度）、換向器、小量器或高精度的大天平。,22,行業(yè)借鑒#,二、標準體積管,2、工作原理 標準體積管是依靠流體進出口壓力差來推動一個膠球，使膠球前面的液體推到出口處，當膠球達到檢測開關1時，發(fā)出電脈沖信號，使電子脈沖計數(shù)器開始接受被檢驗流量計發(fā)來的脈沖數(shù)（與流量有一定比例關系），并同時記下時間； 當膠球達到檢測開關2時，

11、又發(fā)出電脈沖信號使兩個脈沖計數(shù)器停止記數(shù)。,23,行業(yè)借鑒#,由于兩個檢測開關之間的距離是一定的（經(jīng)過精確標定的標準體積管段）,因此，在不同的流量下，由流量計發(fā)來的脈沖數(shù)N乘上一定的系數(shù)K（它代表若干流量的一個脈沖），再乘上時間t就是已知的標準體積管的標準容積。,24,行業(yè)借鑒#,3、 檢測開關結構及原理,它是由一個插入直管內(nèi)一定深度的小剛球及與之相連的磁鋼和干簧管組成。 當膠球到來時頂起剛球，壓縮剛球上的彈簧。 將剛球上面的永久磁鋼頂起，磁鋼使干簧管內(nèi)兩觸點接觸發(fā)出一個電脈沖信號，當膠球通過之后剛球落下，永久磁鋼也落下，干簧管內(nèi)兩觸點離開，這樣就完成了一次發(fā)信，當膠球運行到出口處檢測開關時又

12、發(fā)出一脈沖。,25,行業(yè)借鑒#,（1）誤差小，精度高 由于采用實液標定或校驗，流體的溫度、壓力、密度、粘度等同管線內(nèi)介質基本一致，即試驗狀態(tài)和工作狀態(tài)相同，因而誤差小、精度高； 由于標準體積管是直接連接在測量管線上的，當校驗流量計時只需要打開閥門即可，所以不存在因為介質揮發(fā)而造成的誤差； 由于彈性球在管內(nèi)多次經(jīng)過，可以消除管內(nèi)結蠟和積垢，所以不會產(chǎn)生因為介質粘度較高而附掛于容器內(nèi)壁所產(chǎn)生的誤差。 （2）校驗效率高，允許在足夠的大排量下進行標定校驗。 （3）使用標準體積管有助于實現(xiàn)高度自動化。,4.標準體積管的特點,26,行業(yè)借鑒#,第二節(jié) 溫度測量,一地面溫度的測量 1、玻璃管水銀溫度計 在地

13、面溫度測試中，最常用的是玻璃管水銀溫度計，它是一種液體膨脹式溫度計； 其測溫范圍:-35的凝固溫度375蒸發(fā)溫度。如果用惰性氣體如氮對毛細管加壓，還可以擴展應用到510； 為了更安全和遠距離讀數(shù)，可以采用金屬管液體溫度計。 在地面溫度測試中，還可采用熱電阻法和熱電偶作為感溫元件實現(xiàn)遙測、遙控。,27,行業(yè)借鑒#,2、熱電阻法,測溫原理：熱電阻就是利用物質（一般為純金屬）的電阻隨溫度變化而變化并呈一定函數(shù)關系的特性，制成溫度傳感器來進行測溫的。 熱電阻：感溫元件，用細金屬絲均勻地纏繞在絕緣材料制成的骨架上，當被測介質中存在溫度梯度時，測出的溫度是感溫元件在介質層中的平均溫度。 測溫范圍：-200

14、+500的液體、蒸汽和氣體介質以及固體表面的溫度。,28,行業(yè)借鑒#,3、熱電偶法,熱電偶是溫度測量和調(diào)節(jié)裝置中的感溫元件，通常與顯示儀表配套使用； 測溫范圍：01800范圍內(nèi)的液體、蒸汽、氣體以及固體表面的溫度。 各種熱電偶的外形極不相同，基本結構大致相似，一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒等部分構成。,29,行業(yè)借鑒#,3、熱電偶法,結構：如下圖，熱電偶由兩根不同的導線（電極）A和B組成，它們的一端T1是相互焊接的，形成熱電偶的工作端（即熱端），用它插入待測介質中以測量溫度；熱電偶的另一端T0（自由端或冷端）與顯示儀表相串接。,30,行業(yè)借鑒#,兩種不同成分的導體兩端接合成回路時，由于

15、兩接合點溫度不同，所以在回路內(nèi)產(chǎn)生電流: 當熱電偶的工作端與自由端存在溫度差時，在回路內(nèi)產(chǎn)生電流，顯示儀表將會指示熱電偶內(nèi)所產(chǎn)生的熱電動勢； 熱電偶的熱電動勢隨著工作溫度的升高而增加，其大小只與熱電偶的材料和熱電偶兩端的溫度有關，而與熱電偶的長度、直徑無關。,熱電偶的工作原理,31,行業(yè)借鑒#,二、井下溫度計,1、CY-614型井下溫度計 CY-614型井下溫度計的結構類同于CY613-A型井下壓力計； 不同之處：將感壓元件換成了感溫元件，即折皺盒（封包）變成溫包，即將壓力計的感壓元件短節(jié)換成感溫元件短節(jié)，這樣就從井下壓力計變成了井下溫度計。,32,行業(yè)借鑒#,1、CY-614型井下溫度計,（

16、1）儀器結構 主要由五部分組成： 帶記錄裝置的感溫系統(tǒng)、螺桿機構、鐘機、最高溫度計及繩帽部分。,溫包,33,行業(yè)借鑒#,（2）工作原理 當儀器所處介質的溫度發(fā)生變化時，溫包中的感溫液體(甲苯)的體積就發(fā)生變化； 溫度升高甲苯體積膨脹后，多出溫包體積的那一部分經(jīng)毛細管進入多圈彈簧管內(nèi)腔，使內(nèi)腔壓力增高，從而使多圈彈簧管自由端產(chǎn)生角位移，角位移的大小和溫度的變化成正比；,34,行業(yè)借鑒#,多圈彈簧管自由端的角位移帶動記錄筆桿旋轉，固定在筆桿上的記錄筆隨之轉動，筆尖的移動距離反映了溫度的變化，它構成了記錄紙上的縱軸。 鐘機通過摩擦片帶動螺桿轉動，螺桿上的V形螺紋和導錐將螺桿的轉動變成記錄筒的上下垂直

17、移動，記錄筒向下的移動正比于時間，它構成直角坐標的橫軸。 所以卡片上記錄到的就是油水井溫度和時間的關系曲線。,35,行業(yè)借鑒#,二、SW-150型井下溫度計,SW-150型井下溫度計是在CY-614型井下溫度計基礎上改制的一種固體膨脹式溫度記錄儀器； 它用螺旋形熱雙金屬代替了主型中的溫包和彈簧管作為感溫元件； （與CY-614型比）優(yōu)點：具有不用有毒液體甲苯、量程大、重量輕，感溫時間短和使用方便的優(yōu)點。,36,行業(yè)借鑒#,二、SW-150型井下溫度計,1儀器結構 除感溫部分外，其余部分構造與CY-614型井下溫度計基本相同。 感溫部分：由熱雙金屬螺旋、進液短節(jié)、護套、記錄筆桿等組成 熱雙金屬螺

18、旋：由主動層和被動層組成，兩層厚度相同；螺旋一端固定在儀器本體上，另一端（自由端）通過筆桿與記錄筆相連。,37,行業(yè)借鑒#,熱雙金屬螺旋,38,行業(yè)借鑒#,二、SW-150型井下溫度計,2工作原理 當溫度變化時，由于主動層、被動層的熱膨脹系數(shù)不同，熱雙金屬螺旋的自由端就要產(chǎn)生相應的角位移(此角位移的大小正比于溫度的變化)，帶動裝在熱雙金屬螺旋自由端的記錄筆桿繞軸向旋轉，從而帶動記錄筆在記錄卡片上劃出印痕，記錄筆轉角的大小代表了溫度變化的多少，它構成記錄卡片上的縱軸。 裝有記錄卡片的記錄筒被鐘機帶動，沿螺桿做軸線運動，構成記錄卡片的橫軸。 得到的記錄曲線就是溫度隨時間變化的曲線。,39,行業(yè)借鑒

19、#,CY-614型、SW-150型井下溫度計性能比較,40,行業(yè)借鑒#,三、光纖分布式溫度測試裝置,1傳統(tǒng)井下測溫儀表的缺點 目前，井下測溫儀表有一個共同缺點，即只能在任一時間內(nèi)測量某個點的溫度； 要測試全范圍的溫度，比如說獲取整個井筒內(nèi)每米間隔處的溫度數(shù)據(jù)，點式傳感器只能在井中來回移動才能實現(xiàn)，這樣不可避免破壞井內(nèi)熱平衡，而且不能測出各點同一時刻的溫度值，如果在每個測量溫度的位置都放置一個測溫探頭，這樣在實際安裝、使用與檢修時不方便也不經(jīng)濟。,41,行業(yè)借鑒#,2光纖分布式溫度測試裝置的優(yōu)點,勝利油田有限公司采油工藝研究院等單位于2001年研制開發(fā)和應用了油井分布式光纖測溫系統(tǒng)。 與以往的所

20、有溫度測量方式不同，它可以在不干擾油井溫度場的情況下在同一時刻測出井筒中任一點的溫度值;不需測量儀器在井中來回移動即可測出井下的溫度剖面。 因此，該測試裝置可以獲得傳統(tǒng)測溫方式無法獲取的數(shù)據(jù)，是熱采井及水平井動態(tài)分析的理想測試手段。,42,行業(yè)借鑒#,3測溫原理,分布式溫度測試(DTS)是將OTDR技術同背反射溫敏光技術結合起來，提供標準光纖沿線各點的溫度值； OTDR技術是在以時間為基礎的環(huán)境中利用反射光測定光纖系統(tǒng)的參數(shù)。 測試時將毛細不銹鋼管下入井內(nèi)，光纖管在井口與地面主設備（DTS及微機設備）相連，此時整個光纖管中的光纖在井下既是信號傳輸線，也是溫度傳感器。,43,行業(yè)借鑒#,當光在光

21、纖中傳輸時，與光纖中的分子、雜質及不均勻性物質相互作用，發(fā)生各種散射，其中喇曼散射是由于光纖中分子的熱振動與光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，其散射光光強度與溫度有關；,通過檢測返回光纖光源端的背反射光中的溫敏部分(喇曼背散射光)，并將其進行時域處理和在光纖中定位后，就可對光纖沿線各點的溫度進行準確的確定。,DTS產(chǎn)生特定 的入射光脈沖,44,行業(yè)借鑒#,4儀器組成,分布式溫度測試系統(tǒng)主要由3部分組成： 1臺分布式溫度測試儀（DTS儀器）； 1條光纖管(溫度傳感器)； 與DTS儀器接口相配套的數(shù)據(jù)處理器（主要由計算機和打印機組成）。,45,行業(yè)借鑒#,4儀器組成,DTS儀器 為獨立結構； 內(nèi)含

22、進行測量和處理一定數(shù)量數(shù)據(jù)的所有光學及電子附件； 可連接8個不同的光纖終端，可進行四回路式光纖測量或連接8條獨立的光纖。,46,行業(yè)借鑒#,4儀器組成,電腦式DTS儀器的控制器 作為輸出裝置顯示溫度變化； 儲存溫度數(shù)據(jù)并作出后期處理。,47,行業(yè)借鑒#,4儀器組成,光纖管 光纖既是傳感器，又是信號傳輸線。 有固定的折射率，有一個中芯作為光的傳播通道芯線，直徑為50m，外有包層及起保護作用的外套層，要在油井內(nèi)使用光纖，需將其同毛細鋼管技術結合起來（因光纖本身是較脆弱的，要在各種復雜的油井環(huán)境中使用，必須將它保護起來后使用，而毛細鋼管是一種連續(xù)的外徑、內(nèi)徑都很小的金屬管，一般外徑不超過9.5mm，

23、由316不銹鋼或耐熱鎳鉻鐵合金制成）。 光纖被置于毛細鋼管內(nèi)，就形成了分布式溫度傳感器。 這種將1條或多條光纖置于毛細鋼管內(nèi)的構造稱作光纖管。,48,行業(yè)借鑒#,5安裝方式,光纖有3種安裝方式，即固定式、半固定式及活動式。 活動式安裝只是簡單地將光纖維置于毛細鋼管內(nèi)，類似于試井鋼絲或絞纜系統(tǒng)。 當光纖管應用于水平井時，光纖管需裝在連續(xù)油管內(nèi)，下井及起出的方法類似于鋼絲繩作業(yè)。,49,行業(yè)借鑒#,第三節(jié) 液位計量,在中途測試或試油工藝中，為了計量油氣井、油氣層的產(chǎn)量往往需要在地面計量產(chǎn)量，實質上就是量測單位時間里儲罐中液面升高值即液位計量。液位計量的方法有：,分離器液位計量（玻璃管量油） 大罐量

24、油,50,行業(yè)借鑒#,一、分離器液位的計量玻璃管量油及計算,在分離器的側壁裝一高壓玻璃管3，和分離器構成連通器（圖3-11），根據(jù)連通器原理，分離器內(nèi)液柱的壓力與玻璃管內(nèi)水柱壓力相平衡。 當分離器內(nèi)進油，液面上升一定高度時，玻璃管內(nèi)水柱也相應上升一定高度。 由于油水比重不同，上升高度也不同。知道了水柱的上升高度，就可換算出分離器內(nèi)油柱上升的高度和體積，根據(jù)玻璃管中水柱上升高度所需時間，就可求得日產(chǎn)油量。,圖3-11 玻璃管量油裝置原理圖 1-小水包；2-隔板；3-高壓玻璃管； 4-加水漏斗及閘門；5-散油帽；6-分離傘,51,行業(yè)借鑒#,一、分離器液位的計量,例如：在量油時，玻璃管內(nèi)水柱上升h

25、，按連通器壓力平衡原理可得,則分離器內(nèi)的油柱上升高度,52,行業(yè)借鑒#,一、分離器液位的計量,分離器的直徑為D，故油柱體積V為：,油柱的質量為：,如果水柱上升h所需要時間為T秒，則每秒的油量q,53,行業(yè)借鑒#,一、分離器液位的計量,為了計算方便，常作出簡便計算表，由水柱上升高度的時間直接查得油產(chǎn)量。,每天的油產(chǎn)量Q為：,當分離器有人孔，而且人孔位置在量油高度以內(nèi)時，則要加進人孔突出部分容積V人孔，即,54,行業(yè)借鑒#,二、大罐量油,檢尺量油 浮標量油,55,行業(yè)借鑒#,1。檢尺量油,檢尺量油是對各種儲集管內(nèi)的原油及其它液體進行體積和質量測定的一種基本方法。 具有操作簡單，計量準確，輔助設備和維修量很少的特點，是目前各油田在原油集輸過程中的一種主要量測方法。 原理是：對管內(nèi)液柱高度進行測定，再根據(jù)液柱高度和罐截面積計算出罐內(nèi)液體體積和質量。,56,行業(yè)借鑒#,1。檢尺量油,工具是鋼卷尺，其下端帶有0.255公斤重的鉛錘。 為了方便量油操作，在缸頂