流量、温度和液位的测量【优选内容】

1、第三章 流量、温度、液位的测量,油气井生产测试,1,行业借鉴#,第一节 流量的测量,流量和压力一样，也是油气井测试的最重要的参数，无论地面计量还是地层评价，必须使用各种仪器、仪表来测取石油、天然气、地层水的流量。 流量：是指每单位时间内流经有效截面积的流体数量，该数量可以用体积和质量来表示，分别称为体积流量和质量流量，单位分别为米3/时，千克/时等。 总量：是指某一段时间间隔内流经有效截面的流体数量之总和，相应地该总和可以用体积、质量来表示。,2,行业借鉴#,第一节 流量的测量,流量计是指测量流体流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值。 计量表（总量计）是指测量流体总量的仪表，它能累积某

2、段时间间隔内流体的总量值。 流量计的种类繁多，各自建立在不同的物理原理和规律上，没有一个统一分类。但是按照测量方法可以分为：差压流量计、靶式流量计、转子流量计、容积式计量表、速度式计量表、电磁流量计、旋涡流量计、超声波流量计、质量流量计等等。,3,行业借鉴#,第一节 流量的测量,本节要讲述的内容 了解6种流量计，只讲玻璃转子流量计和体积管流量计以及流量计的标定方法； 至于垫圈流量计、临界速度流量计和浮子式井下流量计在普通试油工艺中讲。,4,行业借鉴#,一、玻璃转子流量计,转子流量计是以节流原理为基础的一种流量测量仪表。节流现象：当流体流经孔板时，孔板前后有压力差产生，压力差的大小随着流体流量的

3、变化而变化，这种现象称为节流现象。 转子流量计在测量过程中，转子上的全压差始终保持不变，只是流通的面积随流量的变化而变化，所以也称为定压差式流量计或面积流量计。 转子流量计有玻璃转子流量计（只用作就地指示）和金属转子流量计（可以进行信号传输）两种。,5,行业借鉴#,一、玻璃转子流量计,玻璃转子流量计可以用来测量非混相液体、气体等单相介质的流量。在油田上，一般用来计量清水流量。 这种仪表测量范围大、压力损失小、结构简单、显示直观、便于维修。,6,行业借鉴#,一、玻璃转子流量计,1、结构 转子流量计主要是由一根自下而上扩大的圆锥形玻璃管和一只随流体流量大小而上下浮动的转子（又称浮子）组成（图3-3

4、）。,7,行业借鉴#,一、玻璃转子流量计,锥形管 锥形管的锥度根据流量的大小而定，一般在1：201：200范围内;锥管外表刻有百分数或流量刻度线，透过透明的被测介质，转子的高度即可指示流量的大小;锥形管大端在上、小端在下。 锥形管使用压力为20公斤/厘米2以下，温度为-20+120内。 只有长度、锥度和口径相同的锥形管才能互换，互换后一般要求重新标定，锥形管一般用高硼硬质玻璃制成，也可用有机玻璃制成。,8,行业借鉴#,一、玻璃转子流量计,浮子 一般用铝、铅、不锈钢玻璃、胶木、有机玻璃等制成，使用时可根据流体的化学性质加以选用。浮子形状常见的有I、II、III型三种（图3-3）。 I型大都使用于

5、气体、小流量，而且流量系数也较小的地方。有时浮子在流体作用下不断旋转，为了使浮子稳定在中心位置，在浮子的上边沿开有斜槽。 II型大都使用于液体、大流量且流量系数比较大的地方。对于大流量的流量计为使其稳定在中心位置，往往带有中心导杆。 III型使用较少，它的特点是粘度变化时流量指示影响较小。,9,行业借鉴#,2转子流量计的测量原理 当流体自下而上流经锥管时，由于流体在转子与锥管间的流通面积在变化，产生节流作用，流体在转子前后产生的静压差对转子有一向上的作用力； 另外，流体流过转子时，对转子产生一定的冲击力（即动压力）和流体对转子的粘滞摩擦力； 转子在这些流体推力作用下，克服自身在流体中的重力而向

6、上运动；,10,行业借鉴#,随着转子的上升，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，流体的流速降低，流体对转子的冲击作用力和摩擦力减小，而静压差产生的作用力保持不变，即： 直到流体作用在转子上的向上推力与转子在流体中的重力相平衡时，转子停留在锥形管中的某一高度上。因而，转子高度反映了流量的大小，所以通过转子的高度变化就能知道流量的大小。,11,行业借鉴#,3转子流量计的流量方程,为了明确转子平衡位置高度h和被测介质流量q之间的定量关系，以及其它参数对流量示值的影响，下面推导转子流量计的流量方程。 作用在转子上的流体作用力包括：冲击力（动压作用力）、节流作用而产生的静压差作用力以及流体对转子的粘滞摩

7、擦力。根据流体在孔板前后的伯努力方程和连续性方程，经过一系列推导有：,12,行业借鉴#,13,行业借鉴#,14,行业借鉴#,一、玻璃转子流量计,注意 由于玻璃转子流量计出厂时是按水（或空气）标定的，但在生产中被测流体的性质、浮子重量等均与标定条件不同，会使流量计指示值产生误差。因此，在有条件的情况下，应对流量计重新标定，无条件时，根据有关公式，对流体密度、流体温度和压力、浮子重量进行修正。,15,行业借鉴#,二、标准体积管,标准体积管是大口径、高精度的大型流量校验设备。 它是利用管道本身已校部分作为标定装置，校验工业用流量计。,16,行业借鉴#,1、结构 标准体积管分为两大部分： 本体部分 附

8、属部分，见左图。,17,行业借鉴#,本体部分包括: 外部联系部分：包括上游阀、下游阀和截止阀等串接在主管线上。当需要对工业用流量计进行校验时，则将截止阀关闭，打开上、下游阀，即可将实际使用液体引进标准体积管。 直管段和U形管段：是组成标准体积管的关键部位。,18,行业借鉴#,弹性胶球：此装置有三个胶球，两个球起密封作用，将流进与流出的液体隔开，防止泄露，以保证全部液体流过直线段和U形管段；一个胶球在运行。对胶球的要求是密封性好和耐磨损。 检测开关：在直管段靠近进出口处，各装一个检测开关。,19,行业借鉴#,脉冲计数器：有两个电子数字式脉冲计数器，一个记录被校验的流量计发出的脉冲数（与流量有一定

9、比例关系）；另一个记录胶球从检测开关1到检测开关2的时间。它们的启动和停止都由检测开关控制，在一定时间内，从流量计发来的脉冲数越多，表示计量越精确。,分离三通：作用是使胶球从流动的液体中分离出来，靠它自重（减去浮力后）慢慢落到上插销上。分离三通直径要比直管直径大，使胶球能可靠的分离出来。,20,行业借鉴#,发出三通：它的直径比胶球直径大，有平滑过渡的连接件导入标准体积管的直管段，它应向直管段稍倾斜，以便在低流量时球能够很好的进入直管段。 上插销和下插销：上插销是为了收回胶球用的，而下插销是为了发送胶球用的。当插销插入管内时，球只能落在它上面，只有当拔出插销时球才能落下。它们的动作是用液压缸带动

10、的。,快速盲板：用来将胶球投入发送三通或取出胶球的。 推球器：利用液压推动连杆，杆端有个推球的球面形碗。,21,行业借鉴#,二、标准体积管,附属部分主要包括：液压泵和油箱、操作台、仪表盘（装有电子脉冲计数器和温度计等仪表）、标准量器（精度很高的标准容器两个，用来确定标准体积管的精度）、换向器、小量器或高精度的大天平。,22,行业借鉴#,二、标准体积管,2、工作原理 标准体积管是依靠流体进出口压力差来推动一个胶球，使胶球前面的液体推到出口处，当胶球达到检测开关1时，发出电脉冲信号，使电子脉冲计数器开始接受被检验流量计发来的脉冲数（与流量有一定比例关系），并同时记下时间； 当胶球达到检测开关2时，

11、又发出电脉冲信号使两个脉冲计数器停止记数。,23,行业借鉴#,由于两个检测开关之间的距离是一定的（经过精确标定的标准体积管段）,因此，在不同的流量下，由流量计发来的脉冲数N乘上一定的系数K（它代表若干流量的一个脉冲），再乘上时间t就是已知的标准体积管的标准容积。,24,行业借鉴#,3、 检测开关结构及原理,它是由一个插入直管内一定深度的小刚球及与之相连的磁钢和干簧管组成。 当胶球到来时顶起刚球，压缩刚球上的弹簧。 将刚球上面的永久磁钢顶起，磁钢使干簧管内两触点接触发出一个电脉冲信号，当胶球通过之后刚球落下，永久磁钢也落下，干簧管内两触点离开，这样就完成了一次发信，当胶球运行到出口处检测开关时又

12、发出一脉冲。,25,行业借鉴#,（1）误差小，精度高 由于采用实液标定或校验，流体的温度、压力、密度、粘度等同管线内介质基本一致，即试验状态和工作状态相同，因而误差小、精度高； 由于标准体积管是直接连接在测量管线上的，当校验流量计时只需要打开阀门即可，所以不存在因为介质挥发而造成的误差； 由于弹性球在管内多次经过，可以消除管内结蜡和积垢，所以不会产生因为介质粘度较高而附挂于容器内壁所产生的误差。 （2）校验效率高，允许在足够的大排量下进行标定校验。 （3）使用标准体积管有助于实现高度自动化。,4.标准体积管的特点,26,行业借鉴#,第二节 温度测量,一地面温度的测量 1、玻璃管水银温度计 在地

13、面温度测试中，最常用的是玻璃管水银温度计，它是一种液体膨胀式温度计； 其测温范围:-35的凝固温度375蒸发温度。如果用惰性气体如氮对毛细管加压，还可以扩展应用到510； 为了更安全和远距离读数，可以采用金属管液体温度计。 在地面温度测试中，还可采用热电阻法和热电偶作为感温元件实现遥测、遥控。,27,行业借鉴#,2、热电阻法,测温原理：热电阻就是利用物质（一般为纯金属）的电阻随温度变化而变化并呈一定函数关系的特性，制成温度传感器来进行测温的。 热电阻：感温元件，用细金属丝均匀地缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中存在温度梯度时，测出的温度是感温元件在介质层中的平均温度。 测温范围：-200

14、+500的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。,28,行业借鉴#,3、热电偶法,热电偶是温度测量和调节装置中的感温元件，通常与显示仪表配套使用； 测温范围：01800范围内的液体、蒸汽、气体以及固体表面的温度。 各种热电偶的外形极不相同，基本结构大致相似，一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒等部分构成。,29,行业借鉴#,3、热电偶法,结构：如下图，热电偶由两根不同的导线（电极）A和B组成，它们的一端T1是相互焊接的，形成热电偶的工作端（即热端），用它插入待测介质中以测量温度；热电偶的另一端T0（自由端或冷端）与显示仪表相串接。,30,行业借鉴#,两种不同成分的导体两端接合成回路时，由于

15、两接合点温度不同，所以在回路内产生电流: 当热电偶的工作端与自由端存在温度差时，在回路内产生电流，显示仪表将会指示热电偶内所产生的热电动势； 热电偶的热电动势随着工作温度的升高而增加，其大小只与热电偶的材料和热电偶两端的温度有关，而与热电偶的长度、直径无关。,热电偶的工作原理,31,行业借鉴#,二、井下温度计,1、CY-614型井下温度计 CY-614型井下温度计的结构类同于CY613-A型井下压力计； 不同之处：将感压元件换成了感温元件，即折皱盒（封包）变成温包，即将压力计的感压元件短节换成感温元件短节，这样就从井下压力计变成了井下温度计。,32,行业借鉴#,1、CY-614型井下温度计,（

16、1）仪器结构 主要由五部分组成： 带记录装置的感温系统、螺杆机构、钟机、最高温度计及绳帽部分。,温包,33,行业借鉴#,（2）工作原理 当仪器所处介质的温度发生变化时，温包中的感温液体(甲苯)的体积就发生变化； 温度升高甲苯体积膨胀后，多出温包体积的那一部分经毛细管进入多圈弹簧管内腔，使内腔压力增高，从而使多圈弹簧管自由端产生角位移，角位移的大小和温度的变化成正比；,34,行业借鉴#,多圈弹簧管自由端的角位移带动记录笔杆旋转，固定在笔杆上的记录笔随之转动，笔尖的移动距离反映了温度的变化，它构成了记录纸上的纵轴。 钟机通过摩擦片带动螺杆转动，螺杆上的V形螺纹和导锥将螺杆的转动变成记录筒的上下垂直

17、移动，记录筒向下的移动正比于时间，它构成直角坐标的横轴。 所以卡片上记录到的就是油水井温度和时间的关系曲线。,35,行业借鉴#,二、SW-150型井下温度计,SW-150型井下温度计是在CY-614型井下温度计基础上改制的一种固体膨胀式温度记录仪器； 它用螺旋形热双金属代替了主型中的温包和弹簧管作为感温元件； （与CY-614型比）优点：具有不用有毒液体甲苯、量程大、重量轻，感温时间短和使用方便的优点。,36,行业借鉴#,二、SW-150型井下温度计,1仪器结构 除感温部分外，其余部分构造与CY-614型井下温度计基本相同。 感温部分：由热双金属螺旋、进液短节、护套、记录笔杆等组成 热双金属螺

18、旋：由主动层和被动层组成，两层厚度相同；螺旋一端固定在仪器本体上，另一端（自由端）通过笔杆与记录笔相连。,37,行业借鉴#,热双金属螺旋,38,行业借鉴#,二、SW-150型井下温度计,2工作原理 当温度变化时，由于主动层、被动层的热膨胀系数不同，热双金属螺旋的自由端就要产生相应的角位移(此角位移的大小正比于温度的变化)，带动装在热双金属螺旋自由端的记录笔杆绕轴向旋转，从而带动记录笔在记录卡片上划出印痕，记录笔转角的大小代表了温度变化的多少，它构成记录卡片上的纵轴。 装有记录卡片的记录筒被钟机带动，沿螺杆做轴线运动，构成记录卡片的横轴。 得到的记录曲线就是温度随时间变化的曲线。,39,行业借鉴

19、#,CY-614型、SW-150型井下温度计性能比较,40,行业借鉴#,三、光纤分布式温度测试装置,1传统井下测温仪表的缺点 目前，井下测温仪表有一个共同缺点，即只能在任一时间内测量某个点的温度； 要测试全范围的温度，比如说获取整个井筒内每米间隔处的温度数据，点式传感器只能在井中来回移动才能实现，这样不可避免破坏井内热平衡，而且不能测出各点同一时刻的温度值，如果在每个测量温度的位置都放置一个测温探头，这样在实际安装、使用与检修时不方便也不经济。,41,行业借鉴#,2光纤分布式温度测试装置的优点,胜利油田有限公司采油工艺研究院等单位于2001年研制开发和应用了油井分布式光纤测温系统。 与以往的所

20、有温度测量方式不同，它可以在不干扰油井温度场的情况下在同一时刻测出井筒中任一点的温度值;不需测量仪器在井中来回移动即可测出井下的温度剖面。 因此，该测试装置可以获得传统测温方式无法获取的数据，是热采井及水平井动态分析的理想测试手段。,42,行业借鉴#,3测温原理,分布式温度测试(DTS)是将OTDR技术同背反射温敏光技术结合起来，提供标准光纤沿线各点的温度值； OTDR技术是在以时间为基础的环境中利用反射光测定光纤系统的参数。 测试时将毛细不锈钢管下入井内，光纤管在井口与地面主设备（DTS及微机设备）相连，此时整个光纤管中的光纤在井下既是信号传输线，也是温度传感器。,43,行业借鉴#,当光在光

21、纤中传输时，与光纤中的分子、杂质及不均匀性物质相互作用，发生各种散射，其中喇曼散射是由于光纤中分子的热振动与光子相互作用发生能量交换而产生的，其散射光光强度与温度有关；,通过检测返回光纤光源端的背反射光中的温敏部分(喇曼背散射光)，并将其进行时域处理和在光纤中定位后，就可对光纤沿线各点的温度进行准确的确定。,DTS产生特定 的入射光脉冲,44,行业借鉴#,4仪器组成,分布式温度测试系统主要由3部分组成： 1台分布式温度测试仪（DTS仪器）； 1条光纤管(温度传感器)； 与DTS仪器接口相配套的数据处理器（主要由计算机和打印机组成）。,45,行业借鉴#,4仪器组成,DTS仪器 为独立结构； 内含

22、进行测量和处理一定数量数据的所有光学及电子附件； 可连接8个不同的光纤终端，可进行四回路式光纤测量或连接8条独立的光纤。,46,行业借鉴#,4仪器组成,电脑式DTS仪器的控制器 作为输出装置显示温度变化； 储存温度数据并作出后期处理。,47,行业借鉴#,4仪器组成,光纤管 光纤既是传感器，又是信号传输线。 有固定的折射率，有一个中芯作为光的传播通道芯线，直径为50m，外有包层及起保护作用的外套层，要在油井内使用光纤，需将其同毛细钢管技术结合起来（因光纤本身是较脆弱的，要在各种复杂的油井环境中使用，必须将它保护起来后使用，而毛细钢管是一种连续的外径、内径都很小的金属管，一般外径不超过9.5mm，

23、由316不锈钢或耐热镍铬铁合金制成）。 光纤被置于毛细钢管内，就形成了分布式温度传感器。 这种将1条或多条光纤置于毛细钢管内的构造称作光纤管。,48,行业借鉴#,5安装方式,光纤有3种安装方式，即固定式、半固定式及活动式。 活动式安装只是简单地将光纤维置于毛细钢管内，类似于试井钢丝或绞缆系统。 当光纤管应用于水平井时，光纤管需装在连续油管内，下井及起出的方法类似于钢丝绳作业。,49,行业借鉴#,第三节 液位计量,在中途测试或试油工艺中，为了计量油气井、油气层的产量往往需要在地面计量产量，实质上就是量测单位时间里储罐中液面升高值即液位计量。液位计量的方法有：,分离器液位计量（玻璃管量油） 大罐量

24、油,50,行业借鉴#,一、分离器液位的计量玻璃管量油及计算,在分离器的侧壁装一高压玻璃管3，和分离器构成连通器（图3-11），根据连通器原理，分离器内液柱的压力与玻璃管内水柱压力相平衡。 当分离器内进油，液面上升一定高度时，玻璃管内水柱也相应上升一定高度。 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，就可换算出分离器内油柱上升的高度和体积，根据玻璃管中水柱上升高度所需时间，就可求得日产油量。,图3-11 玻璃管量油装置原理图 1-小水包；2-隔板；3-高压玻璃管； 4-加水漏斗及闸门；5-散油帽；6-分离伞,51,行业借鉴#,一、分离器液位的计量,例如：在量油时，玻璃管内水柱上升h

25、，按连通器压力平衡原理可得,则分离器内的油柱上升高度,52,行业借鉴#,一、分离器液位的计量,分离器的直径为D，故油柱体积V为：,油柱的质量为：,如果水柱上升h所需要时间为T秒，则每秒的油量q,53,行业借鉴#,一、分离器液位的计量,为了计算方便，常作出简便计算表，由水柱上升高度的时间直接查得油产量。,每天的油产量Q为：,当分离器有人孔，而且人孔位置在量油高度以内时，则要加进人孔突出部分容积V人孔，即,54,行业借鉴#,二、大罐量油,检尺量油 浮标量油,55,行业借鉴#,1。检尺量油,检尺量油是对各种储集管内的原油及其它液体进行体积和质量测定的一种基本方法。 具有操作简单，计量准确，辅助设备和维修量很少的特点，是目前各油田在原油集输过程中的一种主要量测方法。 原理是：对管内液柱高度进行测定，再根据液柱高度和罐截面积计算出罐内液体体积和质量。,56,行业借鉴#,1。检尺量油,工具是钢卷尺，其下端带有0.255公斤重的铅锤。 为了方便量油操作，在缸顶