CN112212928A - 井下全井眼热式流量测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流量测量技术领域，特别涉及井下全井眼热式流量测量装置。通过加入中间导热介质，测量中间介质的温度变化，解决了因液体的热容系数大，高流量时温度变化不明显，很难提取并生成流量测量参考量的问题。同时，在本体内不同位置设置了多个温度传感器，不同位置有不同的温度变化范围，可从中选择位于最优的温度范围的值作为计算流量的参考值，大幅提高了流量的测量范围，解决了油田井下从上到下流量的变化范围很大，难以测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及流量测量装置技术领域，特别涉及的是一种井下全井眼热式流量测量装置。
技术背景
目前油田井下流体流量测量传感器主要是集流型涡轮流量计。因集流测量方式存在诸多不稳定因素，同时因涡轮流量计转动部分包含磁钢，流体中携有砂质和铁磁质，井下涡轮流量计卡死成为常态，这些严重影响测量的可靠性。作为稳定无可动部件的热式流量计一直受到关注，并被尝试用于井下流体测量，因其结构特点，热式流量计可以设计成全井眼非集流结构。热式流量计采用热扩散原理。传统热式流量计有两个温度传感器被置于介质中，其中一个传感器被加热到高于环境温度，另一个温度传感器置于流体上游，用于感应未被加热介质温度。介质流量增加，介质带走的热量增多，两个温度传感器的温度差将随介质的流量变化而变化，根据温度差与介质流量的比例关系，可得出流体的流量。目前绝大部分热式流量计用于测量气体。因液体，特别是水，其比热较大，当流体流量较大时，在有限的流体流道内，加热体提供的热量使流体产生的温升很微弱，很难提取并生成流量测量参考量。因此，目前热式流量计仅在液体微小流量测量中有少量应用。油田井下的被测流体大多为液体，而且井筒内从下到上流体流量的变化范围很大，通常从2立方米/天到80立方米/天，而且现有的热式流量计采用受温度传感器温度的测量范围的限制不能满足这么大范围的测量。如何利用热式流量计无活动部件的优点，开发出满足在油田井下全井眼液体流量测量要求的新型热式流量计一直是油田生产实际要解决的一个课题。
发明内容
发明要解决的问题：在油田井下被测流体为液体且全井眼流量变化范围很大的环境下，采用热式流量计无法准确测量流量的问题。
针对以上问题本发明提供了一种井下全井眼热式流量测量装置，包括:
本体，其置于被测流体中；
加热器，其置于所述本体中，具有恒定发热功率，用于加热所述本体；
参考温度传感器, 其置于所述本体外被测流体中；
多个测量温度传感器，其置于所述本体中不与所述加热器直接接触的位置；所述加热器发出的热量在所述本体中散热形成空间温度梯度，所述多个测量温度传感器分别位于所述温度梯度的不同等级区域。
转换及供电装置，其用于将所述温度传感器取得的测量信号转换为流量值，并为所述加热器供电。
进一步地，所述本体侧面带有一向内的凹陷部，所述被测流体流经所述凹陷部；相对于所述测量温度传感器及加热器，所述凹陷部位于被测流体流动方向的上游；所述参考温度传感器，置于所述凹陷部内。
进一步地，所述本体设有两端，所述两端分别设有与井下测试设备配合的接口。
进一步地，所述多个测量温度传感器的数量为两个，分别是第一测量温度传感器和第二测量温度传感器，所述第一测量温度传感器和第二测量温度传感器两个中的一个靠近本体中部，另一个靠近本体边缘。
发明效果：与现有热式流量计不同，井下全井眼热式流量测量装置的测量温度传感器，不是测量流体温度随流量的变化，而是测量中间介质本体的温度随流量的变化，解决了因液体的热容系数大，高流量时流体温度变化不明显，很难提取并生成流量测量参考量的问题。同时，由于在本体内不同位置设置了多个温度传感器，不同位置有不同的温度变化范围，可从中选择位于最优的温度范围的值作为计算流量的参考值，大幅提高了流量的测量范围，解决了油田井下全井眼从上到下流量的变化范围很大，难以测量的问题。
附图说明
图1是本发明井下全井眼热式流量测量装置具体实施例结构剖视图；
图2是本发明井下全井眼热式流量测量装置具体实施例第一测量温度传感器与参考温度传感器的阻值差值随流量变化关系；
图3是本发明井下全井眼热式流量测量装置具体实施例第二测量温度传感器与参考温度传感器的阻值差值随流量变化关系。
其中：1、第一测量温度传感器；2、第二测量温度传感器；3、加热器；4、本体；5、参考温度传感器；6、转换及供电装置。
具体实施例
本发明提供技术方案的具体测温原理：井下全井眼热式流量测量装置工作时，功率恒定的电加热器3加热本体4，使其温度升高。作为中间导热介质的本体4与其接触的被测流体进行热交换，并达到热平衡；记录热平衡后的测量温度传感器的测量值，经过转换及供电装置6转换得出此刻的对应流量值。这样加热器3加热中间导热介质，再经中间导热介质传导到被测流体的方法与传统热式流量计直接将加热器3和温度传感器置于流体中的做法相比，流速变化引起的温度更显著，更易提取，克服了传统热式流量计难以测量液体流量的难题。
运算方法：第一测量温度传感器1和第二测量温度传感器2的测量值记为T1和T2，参考温度传感器5的测量值记为T0。
分别求取温差：
热交换符合换热公式：
P为加热功率，被测流体的物性一定时，Ac和Bc均为常数，V为被测流体流速。当发热器的加热功率一定时，温差与流体流速V的平方根成反比。在实际应用中，因流体流通截面积固定，流体流速直接对应流量，所以可将温度变化与流量变化建立对应关系。
扩大温度测量范围的原理：本体4内部被加热，其外表与被测流体热交换，热量被带走，本体4从内部向外到外表形成空间温度梯度，在不同的温度梯度等级处设置温度传感器，可得到多个温度范围的测量结果，选取温度处在温度传感器测量范围内的那一个温度传感器的测量值作为推算流量值的参考量。
低流量时，热交换少，本体4中心部位温度过高，超过了传感器的测量范围，温度受流量影响变化很微弱，但此时边缘部位温度适中，在传感器的测量范围内，温度受流体流量影响变化很显著，此时选用位于本体4边缘部位温度传感器的数值更易获得准确数值。
高流量时，热交换多，本体4边缘部位的温度过低，在传感器的测量范围以下，温度随流量的变化减弱，此时本体4中央部位的温度在传感器的测量范围内，受流体流量影响变化显著，选用位于本体4中央部位的温度传感器的测量值更容易获得准确数值。
在本体4不同的温度区域位置设置多个测量温度传感器，可同时兼顾高低流量测量，满足不同的流量范围对测量灵敏度的要求。设置两个测量温度传感器，如果在本体4总位置设置的当，其测量范围就接近于两个测量温度传感器测量范围的相加；如果两个测量温度传感器距离过近（温度梯度接近），测量范围会有部分重叠而使总的测量范围达不到两个测量温度传感器测量范围相加；如果两个测量温度传感器距离过远，两个测量范围会有部分空白而使总的测量范围达有一部分测量结果会有较大误差。当设置两个测量温度传感器不能满足测量范围的要求时，可设置三个测量温度传感器，并分别设置在本体4中位于所述温度梯度不同等级的位置，并在所述本体4中整个温度梯度区域内合理分布，相对于两个温度测量温度传感器的方案，三个温度测量温度传感器就可以达到进一步扩大测量范围的目的。同样地，三个测量温度传感器不能满足测量范围的要求时，可设置四个测量温度传感器，并分别设置在本体4中位于所述温度梯度不同等级的位置，并在所述本体4中整个温度梯度区域内合理分布。
现结合图1详细说明本发明所提供的井下全井眼热式流量测量装置实施例的结构，井下全井眼热式流量测量装置包括：
本体4，其置于被测流体中，本实施例的本体4为圆柱形，外径28mm，长度300mm，材质选用不锈钢1Cr18Ni9Ti；
加热器3，其置于所述本体4中，具有恒定发热功率，功率为30瓦，用于加热本体4；
参考温度传感器5选用PT100铂电阻温度传感器；
第一测量温度传感器1，其置于所述本体4中不与所述加热器3直接接触的位置，本实施例选用NTC10D-13热敏电阻；第二测量温度传感器2、其置于所述本体4中不与所述加热器3直接接触且不与所述第一测量温度传感器1直接接触的位置，本实施例选用NTC10D-13热敏电阻；
转换及供电装置6，其用于将所述温度传感器取得的测量信号转换为流量值，并为所述加热器3供电。
所述加热器3发出的热量在所述本体4中散热形成空间温度梯度，所述第一测量温度传感器1和第二测量温度传感器2分别位于所述温度梯度的不同等级区域，并且相互不直接接触，又都不与加热器3直接接触；参考温度传感器5置于所述本体4外被测流体中，用于测量流体没有受到加热器3影响时的温度。所述井下全井眼热式流量测量装置本体4有两端，所述两端分别设有与井下测试设备配合的接口，所述接口包含有电接口，所述第一测量温度传感器1、第二测量温度传感器2、参考温度传感器5和加热器3通过所述电接口连接到所述转换及供电装置6。所述本体4侧面带有一向内的凹陷部，所述被测流体流经所述凹陷部；相对于所述第一测量温度传感器1、第二测量温度传感器2及加热器3，所述凹陷部位于被测流体流向的上游，所述参考温度传感器5置于所述凹陷部内，以避免加热器3对本体4加热对被测流体的影响，同时避免受到井下物体撞击。本实施例中，所述第一测量温度传感器1位于所述本体4靠近边缘的位置，第二测量温度传感器2位于所述本体4靠近中部的位置。
为验证本发明效果，按照上述实施例的方案制作了实物并进行了实验。实验在全模拟油田井下环境的标准流量实验装置进行，井筒内径125mm，流体由下向上垂直流动，实验介质是水。实验装置样机外径28mm，机械承压40MPa。实验结果曲线如图2及图3所示。图2是采用第一测量温度传感器1进行测量的结果，横轴是流量，单位是立方米每天；纵轴是第一测量温度传感器1与参考温度传感器5的阻值差值变化量，单位为欧姆（Ω）。图3是采用第二测量温度传感器2进行测量的结果，横轴是流量，单位是立方米每天；纵轴是第二测量温度传感器2与参考温度传感器5的阻值差值变化量，单位为欧姆（Ω）。实验结果表明，利用本发明测量装置，在1~50立方米每天流量范围内，采用第一测量温度传感器1进行测量的结果精度满足要求；在40~80立方米每天流量范围内，采用第二测量温度传感器2进行测量的结果精度满足要求。本发明测量装置的流量测量范围覆盖了大部分国内油田井下流体流量范围。
Claims (4)
1.井下全井眼热式流量测量装置，包括:
本体，其置于被测流体中；
加热器，其置于所述本体中，具有恒定发热功率，用于加热所述本体；
参考温度传感器， 其置于所述本体外被测流体中；
多个测量温度传感器，其置于所述本体中不与所述加热器直接接触的位置；所述加热器发出的热量在所述本体中散热形成空间温度梯度，所述多个测量温度传感器分别位于所述温度梯度的不同等级区域；
转换及供电装置，其用于将所述温度传感器取得的测量信号转换为流量值，并为所述加热器供电。
2.根据权利要求1所述的井下全井眼热式流量测量装置，其特征在于，所述本体侧面带有一向内的凹陷部，所述被测流体流经所述凹陷部；相对于所述测量温度传感器及加热器，所述凹陷部位于被测流体流动方向的上游；所述参考温度传感器, 置于所述凹陷部内。
3.根据权利要求1所述的井下全井眼热式流量测量装置，其特征在于，所述本体有两端，所述两端分别设有与井下测试设备配合的接口。
4.根据权利要求1所述的井下全井眼热式流量测量装置，其特征在于，所述多个测量温度传感器的数量为两个，分别是第一测量温度传感器和第二测量温度传感器，所述第一测量温度传感器和第二测量温度传感器两个中的一个靠近本体中部，另一个靠近本体边缘。
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