流量计研发进展

流量计研发进展第1页，课件共31页，创作于2023年2月1、调研了乾采测试现状及能力，明确了分层注CO2测试需求目前乾安采油厂测试现状及能力测试人员及设备现状测试工40人，试井车10台（其中有2台是2000年投产的东风测试车，车况差故障率高，亟待更新），流量计20支，验封仪15支，目前使用的钢丝是普通材质，直径2.4mm，绞车提升能力10KN、工作压力16Mpa。大情字油田注水井测试现状大情字油田注水井测试周期六个月（不包括压力波动复测和周期注水井测试），测试1口井需要5-7天时间项目人员试井车流量计验封仪钢丝绞车内容40人10台20支15支普通材质，直径2.4mm提升能力10KN、工作压力16Mpa目前乾安采油厂测试人员及设备现状统计表第2页，课件共31页，创作于2023年2月1、调研了乾采测试现状及能力，明确了分层注CO2测试需求分层注CO2测调试需求：测调试工艺、测调试设备及队伍配备，测调试操作规程及制度等。序号测调试需求备注1测试设备和队伍配备按照正常井测试1口需用5-7天计算，每个班组每月能完成5口井测试工作量；新增加约140口井测试工作量，每年增加测试工作量600井次，平均每月50井次；每个班组每月测5口井，则至少需要10个测试班组，10台试井车，15支流量计和15支验封仪及相应的配套工具。新增人员队伍

配备测试设备2CO2驱注气井测试设备要求CO2驱测试车辆的绞车计量部分和盘丝机构需要使用防腐材质；防喷管材质需用防腐和耐压能力强的，并且耐低温能力要强，能够实现气密封，防喷盒要具有双道密封盘根，需要用2个材质好抗拉能力强的定滑轮；钢丝应使用防腐钢丝（直径多大合适应由专业技术人员确定）；投捞器、密封段、震荡器、加重杆、绳帽、卡瓦打捞器、验封仪和流量计都需要使用防腐材质，密封段胶圈需要防腐耐低温；需要配备便携式CO2浓度检测仪，防窒息、防冻伤防护用品等。测调试设备特殊要求3测调试操作规程及制度需要制定CO2驱分层注气测试操作规程，并进行培训。规范要求4井下超临界态CO2流量计量方法及流量计。重点攻关研究第3页，课件共31页，创作于2023年2月2、立足分层注气工艺，设计了相应的测调试工艺同心双管分注工艺地面测调试在地面井口管线处进行测调试，气量及压力计量利用测试仪表测得。

来CO2V锥流量计同心双管分注地面测调试工艺流量测试施工示意图井下配注器分注工艺测调试采用防喷测试工艺，关键是测调试设备防腐、气密封，CO2流量计。第4页，课件共31页，创作于2023年2月3、利用CO2腐蚀模拟试验装置，设计了流量计评价试验方案设计并加工了流量计评价试验台架：在卧式试验罐内采用流量计评价试验台架安装流量计进行试验评价。试验台架利用CO2腐蚀模拟试验装置腐蚀评价试验罐进行流量计对比评价试验试验台架放于卧式试验罐内容，用于放置和固定流量计第5页，课件共31页，创作于2023年2月3、利用CO2腐蚀模拟试验装置，设计了流量计评价试验方案设计形成了流量计评价试验方案：模拟不同CO2温度、压力、相态（重点是井下超临界态）条件，对比分析涡轮流量计、超声波流量计和质量流量计等多种流量计对CO2流量的测试结果，从而找出适合于井下CO2流量测量的流量计。试验前准备好超声波流量计、涡轮流量计、流量计固定装置等检查卧式高压腐蚀试验罐，并使用流量计固定装置将流量计固定在试验罐内，安装完毕后检查封口是否密封完好改变CO2的流量、温度、压力等参数（参照试验条件表），各种参数改变后稳定10分钟试验完成后，停止注气，等温度降到常温后，打开卧式高压腐蚀试验罐，取出流量计及固定装置，读取流量值将超声波流量计、涡轮流量计所测得的流量值与地面安装的质量流量计的流量值进行对比分析，得出适合于测量井下CO2流量的流量计项目CO2流量（m3/d）温度（℃）压力（Mpa）材料试验工作量(组)试验时间（min）累计时间（d）参数5、10、15、18、2020、805、30超声波流量计、涡轮流量计16303第6页，课件共31页，创作于2023年2月4、以现有流量计为基础，设计形成了五种流量计研发方案CO2流量计量难点：仅计量体积流量无法准确得知实际的注入质量。CO2流量计研发思路：要实现流量的准确测量，需要通过采用测液态CO2介质流速及同一时间的温度、压力进行密度校正的办法,实现了液态CO2质量流量的自动计量，据此设计了5种井下流量测试思路。方案设计设计思路具体工作方案一全井眼涡轮流量计+温度+压力+密度流量与压力、温度的关系，进行大量的实验数据分析，建立温度、压力补偿模型采用非集流方式进行测试方案二超声流量计+温度+压力+半集流CO2在超临界态下的声波衰减和声波传输特性超临界CO2对超声探头非金属材质部分腐蚀特性方案三涡街流量计+集流方式超临界态CO2流体中卡门漩涡理论适用性集流伞耐腐蚀性、集流效果和测量精度方案四双涡轮方式双涡轮方式安装结构实现的方法涡轮旋转角度高精度测量方法涡轮转动灵敏性设计方案五全井眼涡轮流量计+持气率测量仪不同流态、温度、压力对持气率的影响不同持气下，对全井眼涡轮转速的影响第7页，课件共31页，创作于2023年2月5、分析了超临界CO2的物化性质及其对CO2流量计量的影响分析了超临界CO2物理性质及其对CO2流量计量的影响CO2相图CO2的临界温度31.1℃、压力7.38MPa，此时CO2呈现超临界状态，兼有气液双重特性密度高于气体，接近液体；粘度接近气体，比液体小得多；扩散系数大，流动性好密度、粘度变化趋势相似，给定超临界压力下，与温度成反比；给定温度下，与临界压力成正比超临界CO2计量必须考虑密度和气泡的影响密度随温度压力变化粘度随温度压力变化第8页，课件共31页，创作于2023年2月5、分析了超临界CO2的物化性质及其对CO2流量计量的影响分析了超临界CO2化学性质及其对CO2流量计设计的影响CO2对金属的腐蚀：CO2溶于水便形成碳酸，释放出氢离子。氢离子是强去极化剂，极易夺取电子还原，促使阳极铁溶解而导致腐蚀。CO2与水垢形成的关系：CO2能和地层中碳酸盐胶结物反应，生成易溶于水的盐类，而这些盐类在一定温度和压力下又分解出不溶于水的沉淀物。CO2与气体水合物形成关系：CO2分子与水分子通过氢键形成形成的一种笼形晶体化合物，水分子通过氢键形成晶穴，CO2分子填充水分子形成稳定的化合物。流量计选材必须耐CO2腐蚀；结垢和气体水化物使液态CO2流过接触式流量计时易产生节流，为仪器外径的确定和流量计选型提供参考。第9页，课件共31页，创作于2023年2月6、分析了超临界CO2流量计量影响因素，初步形成计量方法密度：CO2可压缩性大，不同温度压力下，密度变化较大。气泡含量：超临界CO2具有较高蒸汽压，在某压力、温度下处于气液平衡状态。流动状态下，气相必然存在，气泡的多少及比例与CO2流速有关。从查阅相关资料得知，温度压力相同时，CO2流速大则气泡所占比例增加。经过变径或弯头时，气态CO2含量也会增加。分析了超临界CO2流量计量因素影响单纯采用体积流量无法准确得知实际注入质量；流量计选择必须考虑气泡因素，需既检测出气泡含量，又不影响流量精度。密度随温度压力变化第10页，课件共31页，创作于2023年2月6、分析了超临界CO2流量计量影响因素，初步形成计量方法初步形成“全井眼涡轮流量计+温度+压力+密度”CO2流量测试计量方法超临界CO2流量由于温度压力差异，导致密度存在差异，无法完全用流量计直接读出的体积流量来表征，对CO2流量的描述应转化为常温常压下的体积流量。全井眼涡轮流量计压差密度计“温度+压力”计算密度1.977第11页，课件共31页，创作于2023年2月6、分析了超临界CO2流量计量影响因素，初步形成计量方法初步形成“全井眼涡轮流量计+持气率测量仪”CO2流量测试计量方法实际应用时，通常采用实验图版。经过摩擦校正，即可用校正后所得密度资料确定其持液率。在一定流量范围内，涡轮呈现非线性响应。含液率对流量计量有较大影响，确定流量时，应首先计算CO2两相含液率。流量计频率与流量及持液率关系图版第12页，课件共31页，创作于2023年2月7、完成了全井眼流量计结构和外观设计完成了全井眼涡轮流量计的框架、机械结构设计和涡轮部分的样机装配全井眼涡轮结构图全井眼涡轮外观设计全井眼涡轮流量计设计为一种采用可伸缩金属叶片的涡轮流量计，具有叶轮面积大，坚固耐用的特点；仪器本身带扶正机构，居中性好，可较好的完成测试工作。全井眼涡轮合起状态传统涡轮改进第13页，课件共31页，创作于2023年2月8、完成了部分流量计相关的辅助设计不同金属、胶圈在CO2中的腐蚀性实验结论编号材料实验现象1TC4无明显的变化21Cr18Ni9Ti除材料加工表面有缺陷处有黑色腐蚀外，无明显的变化32Cr13锈迹斑斑，整个表面发黑，腐蚀严重4全氟O型圈无明显变化5全氟胶套无明显变化6QBe2整个表面发黑，腐蚀严重通过实验和分析，优选出可用于仪器加工的材料及密封的胶圈金属锥面密封两道O型圈密封新型密封技术外观设计防止CO2腐蚀和气密封是整个仪器设计的关键初步确认选用钛合金材料制作仪器主体，密封圈选用全氟O型圈方便安装也可较好的避免CO2的腐蚀；密封部分结构选用两道O型圈与金属锥面密封相配合的新方法，即可保证仪器强度，增强仪器密封性又可减少CO2对密封部位的腐蚀。第14页，课件共31页，创作于2023年2月8、完成了部分流量计相关的辅助设计综合考虑CO2注入井筒温度等因素，优选出了温度响应时间短、测量精度高的铂金丝电阻温度传感器探头温度响应曲线探头的外观设计仪器编号常温电压值V1水温电压值V2上升70%时间t1上升80%时间t2上升90%时间t3探头13.59V4.02V1.48s2.20s3.04s探头23.59V4.01V1.40s2.00s2.76s上升70%最长时间1.48s结论合格仪器号65℃95℃125℃150℃油浴烘箱油浴烘箱油浴烘箱油浴烘箱探头164℃66℃95℃93℃124℃124℃149℃151℃探头265℃66℃94℃97℃125℃126℃150℃152℃最大误差：油浴中为±1℃，烘箱中为±2℃结论满足设计要求，合格探头温度响应测试表探头温度精度测试表温度传感器采用进口的铂金丝电阻PT1000具有稳定性高、精度高等优点，且用薄壁管进行铠装封装，耐腐蚀好；经过测试，优选出了一致性好、稳定性高、时间响应短、精度高的温度传感器。第15页，课件共31页，创作于2023年2月8、完成了部分流量计相关的辅助设计设计完成涡轮流量计、井温压力仪电路部分，并完成电路板的焊接、调试涡轮流量计信号采集电路（霍尔开关）涡轮流量计是利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度的流量计，与流量成正比的叶轮转速由嵌在叶轮中的永磁材料检测出，当叶轮旋转时磁场交替接近磁敏元件，使磁敏元件周期性的打开和闭合，这种开关作用使恒压源产生脉冲信号。通过检测这一脉冲信号可测得流量大小。井温压力仪电路板第16页，课件共31页，创作于2023年2月8、完成了部分流量计相关的辅助设计搭建了简易气体标定实验台大功率鼓风机标定用低起排高精度流量计气体标定台的搭建，更好的解决了仪器在CO2流量的标定问题、为超临界状态CO2的流量计量提供更加详实的实验数据。第17页，课件共31页，创作于2023年2月四、课题主要进展情况1、分析了超声波在超临界CO2中的若干相关特性2、完成了全井眼流量计性能测试分析3、完成了压差密度计的电路设计4、完成了半集流超声流量计的电路设计5、完成了井温压力仪的机械设计五项进展在CO2流量计量方法和设备研制两方面取得五项进展：第18页，课件共31页，创作于2023年2月公式：超声流量计测超临界CO2流量可行性分析媒介声速为C，测试中超声波频率fs,若超声遇到以Vs速度运动的CO2液泡气泡，会在泡的界面产生反射，这个反射可视为新的波源，在反射产生的短暂时间内可视为它与井液仪器运动的波源，即接收器不动，波源随媒介运动，则反射时产生多普勒频移后的频率为fr，经理论研究有fs=fs/(1-Vs/C)定义f=fs-fr.实际C>>Vs,则有Vs=C·f/fs根据以上公式，应用多普勒效应来测量速度是可行的还需要对超声波在超临界CO2中的相关特性进行分析1、分析了超声波在超临界CO2中相关特性第19页，课件共31页，创作于2023年2月1、分析了超声波在超临界CO2中相关特性超临界CO2流体中声速随压力变化曲线超临界CO2流体中声速随温度变化曲线分析了超声波在超临界CO2中传播的声速变化CO2压力增大则密度增大，声速是密度函数，所以CO2流体的声速随CO2压力增大而增大。CO2压力不变温度升高时，CO2密度减小，进而引起声速减小。第20页，课件共31页，创作于2023年2月1、分析了超声波在超临界CO2中的相关特性分析了超声波在超临界CO2中的声衰减特性超临界CO2流体中声强随压力变化曲线超临界CO2流体中声强随温度变化曲线由已有条件，对声强进行测试，声强相对值是密度函数，声衰减也是密度函数。CO2温度不变压力增大时CO2密度增大，声衰减减小。CO2压力不变温度升高时，CO2密度减小，进而引起声衰减增大。通过超声波相关特性分析，为超声流量计探头的间距确定提供依据。第21页，课件共31页，创作于2023年2月2、完成了全井眼流量计性能测试分析全井眼涡轮流量计样机仪器按照调试工艺，经过打压，常温、高温老化试验，经调试后各项指标均可达到要求。完成了全井眼涡轮流量计电路板调试和整机装配仪器调试表格第22页，课件共31页，创作于2023年2月2、完成了全井眼流量计性能测试分析日本NSK轴承起排小，但被测液体杂质多易引起轴承损坏瑞士陶瓷轴承为深沟球轴承，不受被测液体成分影响，且在液体中有自润滑，但启排未降至最低还在继续寻找磨阻更小耐腐蚀好的轴承试验分析了挑选的几种轴承对仪器性能的影响轴承选型启动排量存在问题国产轴承80m³/D腐蚀、生锈日本小磨阻60m³/D生锈国产小磨阻60m³/D腐蚀、生锈日本NSK18m³/D进杂质起排变大瑞典陶瓷26m³/D无轴承选型实验日本NSK轴承瑞典陶瓷轴承第23页，课件共31页，创作于2023年2月2、完成了全井眼流量计性能测试分析标定结果显示，涡轮在可合拢条件下，其他条件不变，最大直径设置为98mm，可达最低启排。经仿真和实验分析，表明其他条件不变时，涡轮叶片倾角设置为71

°，可达最低启排。试验分析了不同涡轮形状对仪器性能的影响涡轮直径启动排量标定条件70mm84m³/D陶瓷轴承、5.5寸套管、水中标定80mm77m³/D90mm67m³/D96mm53m³/D98mm26m³/D全井眼涡轮精密部件设计图涡轮选型实验全井眼涡轮叶片倾角71°第24页，课件共31页，创作于2023年2月2、完成了全井眼流量计性能测试分析全井眼涡轮流量计标检表格全井眼涡轮流量计线性度分析标定结果显示，数据稳定，流量精度达到使用要求、线性度良好。完成了全井眼涡轮流量计的调试和标定第25页，课件共31页，创作于2023年2月3、完成了压差密度计电路设计温度检测电路压力检测电路采集液柱压力差∆P，温度电路采集的温度值为压差传感器进行温补。重力加速度g、待测液柱高度为h均已知，则通过液柱静压力公式ρ=∆P/g.h可求得ρ。完成了压差密度计信号采集电路的设计压力检测电路调制解调电路第26页，课件共31页，创作于2023年2月3、完成了压差密度计电路设计供电稳压电路完成了压差密度计的辅助电路设计倾角测试电路单片机电路压差密度计在