流量計(jì)研發(fā)進(jìn)展

流量計(jì)研發(fā)進(jìn)展第一頁，共三十一頁，2022年，8月28日1、調(diào)研了乾采測試現(xiàn)狀及能力，明確了分層注CO2測試需求目前乾安采油廠測試現(xiàn)狀及能力測試人員及設(shè)備現(xiàn)狀測試工40人，試井車10臺（其中有2臺是2000年投產(chǎn)的東風(fēng)測試車，車況差故障率高，亟待更新），流量計(jì)20支，驗(yàn)封儀15支，目前使用的鋼絲是普通材質(zhì)，直徑2.4mm，絞車提升能力10KN、工作壓力16Mpa。大情字油田注水井測試現(xiàn)狀大情字油田注水井測試周期六個月（不包括壓力波動復(fù)測和周期注水井測試），測試1口井需要5-7天時間項(xiàng)目人員試井車流量計(jì)驗(yàn)封儀鋼絲絞車內(nèi)容40人10臺20支15支普通材質(zhì)，直徑2.4mm提升能力10KN、工作壓力16Mpa目前乾安采油廠測試人員及設(shè)備現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表第二頁，共三十一頁，2022年，8月28日1、調(diào)研了乾采測試現(xiàn)狀及能力，明確了分層注CO2測試需求分層注CO2測調(diào)試需求：測調(diào)試工藝、測調(diào)試設(shè)備及隊(duì)伍配備，測調(diào)試操作規(guī)程及制度等。序號測調(diào)試需求備注1測試設(shè)備和隊(duì)伍配備按照正常井測試1口需用5-7天計(jì)算，每個班組每月能完成5口井測試工作量；新增加約140口井測試工作量，每年增加測試工作量600井次，平均每月50井次；每個班組每月測5口井，則至少需要10個測試班組，10臺試井車，15支流量計(jì)和15支驗(yàn)封儀及相應(yīng)的配套工具。新增人員隊(duì)伍

配備測試設(shè)備2CO2驅(qū)注氣井測試設(shè)備要求CO2驅(qū)測試車輛的絞車計(jì)量部分和盤絲機(jī)構(gòu)需要使用防腐材質(zhì)；防噴管材質(zhì)需用防腐和耐壓能力強(qiáng)的，并且耐低溫能力要強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)氣密封，防噴盒要具有雙道密封盤根，需要用2個材質(zhì)好抗拉能力強(qiáng)的定滑輪；鋼絲應(yīng)使用防腐鋼絲（直徑多大合適應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員確定）；投撈器、密封段、震蕩器、加重桿、繩帽、卡瓦打撈器、驗(yàn)封儀和流量計(jì)都需要使用防腐材質(zhì)，密封段膠圈需要防腐耐低溫；需要配備便攜式CO2濃度檢測儀，防窒息、防凍傷防護(hù)用品等。測調(diào)試設(shè)備特殊要求3測調(diào)試操作規(guī)程及制度需要制定CO2驅(qū)分層注氣測試操作規(guī)程，并進(jìn)行培訓(xùn)。規(guī)范要求4井下超臨界態(tài)CO2流量計(jì)量方法及流量計(jì)。重點(diǎn)攻關(guān)研究第三頁，共三十一頁，2022年，8月28日2、立足分層注氣工藝，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測調(diào)試工藝同心雙管分注工藝地面測調(diào)試在地面井口管線處進(jìn)行測調(diào)試，氣量及壓力計(jì)量利用測試儀表測得。

來CO2V錐流量計(jì)同心雙管分注地面測調(diào)試工藝流量測試施工示意圖井下配注器分注工藝測調(diào)試采用防噴測試工藝，關(guān)鍵是測調(diào)試設(shè)備防腐、氣密封，CO2流量計(jì)。第四頁，共三十一頁，2022年，8月28日3、利用CO2腐蝕模擬試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了流量計(jì)評價試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)并加工了流量計(jì)評價試驗(yàn)臺架：在臥式試驗(yàn)罐內(nèi)采用流量計(jì)評價試驗(yàn)臺架安裝流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)評價。試驗(yàn)臺架利用CO2腐蝕模擬試驗(yàn)裝置腐蝕評價試驗(yàn)罐進(jìn)行流量計(jì)對比評價試驗(yàn)試驗(yàn)臺架放于臥式試驗(yàn)罐內(nèi)容，用于放置和固定流量計(jì)第五頁，共三十一頁，2022年，8月28日3、利用CO2腐蝕模擬試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了流量計(jì)評價試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)形成了流量計(jì)評價試驗(yàn)方案：模擬不同CO2溫度、壓力、相態(tài)（重點(diǎn)是井下超臨界態(tài)）條件，對比分析渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)等多種流量計(jì)對CO2流量的測試結(jié)果，從而找出適合于井下CO2流量測量的流量計(jì)。試驗(yàn)前準(zhǔn)備好超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、流量計(jì)固定裝置等檢查臥式高壓腐蝕試驗(yàn)罐，并使用流量計(jì)固定裝置將流量計(jì)固定在試驗(yàn)罐內(nèi)，安裝完畢后檢查封口是否密封完好改變CO2的流量、溫度、壓力等參數(shù)（參照試驗(yàn)條件表），各種參數(shù)改變后穩(wěn)定10分鐘試驗(yàn)完成后，停止注氣，等溫度降到常溫后，打開臥式高壓腐蝕試驗(yàn)罐，取出流量計(jì)及固定裝置，讀取流量值將超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)所測得的流量值與地面安裝的質(zhì)量流量計(jì)的流量值進(jìn)行對比分析，得出適合于測量井下CO2流量的流量計(jì)項(xiàng)目CO2流量（m3/d）溫度（℃）壓力（Mpa）材料試驗(yàn)工作量(組)試驗(yàn)時間（min）累計(jì)時間（d）參數(shù)5、10、15、18、2020、805、30超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)16303第六頁，共三十一頁，2022年，8月28日4、以現(xiàn)有流量計(jì)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)形成了五種流量計(jì)研發(fā)方案CO2流量計(jì)量難點(diǎn)：僅計(jì)量體積流量無法準(zhǔn)確得知實(shí)際的注入質(zhì)量。CO2流量計(jì)研發(fā)思路：要實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確測量，需要通過采用測液態(tài)CO2介質(zhì)流速及同一時間的溫度、壓力進(jìn)行密度校正的辦法,實(shí)現(xiàn)了液態(tài)CO2質(zhì)量流量的自動計(jì)量，據(jù)此設(shè)計(jì)了5種井下流量測試思路。方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路具體工作方案一全井眼渦輪流量計(jì)+溫度+壓力+密度流量與壓力、溫度的關(guān)系，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立溫度、壓力補(bǔ)償模型采用非集流方式進(jìn)行測試方案二超聲流量計(jì)+溫度+壓力+半集流CO2在超臨界態(tài)下的聲波衰減和聲波傳輸特性超臨界CO2對超聲探頭非金屬材質(zhì)部分腐蝕特性方案三渦街流量計(jì)+集流方式超臨界態(tài)CO2流體中卡門漩渦理論適用性集流傘耐腐蝕性、集流效果和測量精度方案四雙渦輪方式雙渦輪方式安裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方法渦輪旋轉(zhuǎn)角度高精度測量方法渦輪轉(zhuǎn)動靈敏性設(shè)計(jì)方案五全井眼渦輪流量計(jì)+持氣率測量儀不同流態(tài)、溫度、壓力對持氣率的影響不同持氣下，對全井眼渦輪轉(zhuǎn)速的影響第七頁，共三十一頁，2022年，8月28日5、分析了超臨界CO2的物化性質(zhì)及其對CO2流量計(jì)量的影響分析了超臨界CO2物理性質(zhì)及其對CO2流量計(jì)量的影響CO2相圖CO2的臨界溫度31.1℃、壓力7.38MPa，此時CO2呈現(xiàn)超臨界狀態(tài)，兼有氣液雙重特性密度高于氣體，接近液體；粘度接近氣體，比液體小得多；擴(kuò)散系數(shù)大，流動性好密度、粘度變化趨勢相似，給定超臨界壓力下，與溫度成反比；給定溫度下，與臨界壓力成正比超臨界CO2計(jì)量必須考慮密度和氣泡的影響密度隨溫度壓力變化粘度隨溫度壓力變化第八頁，共三十一頁，2022年，8月28日5、分析了超臨界CO2的物化性質(zhì)及其對CO2流量計(jì)量的影響分析了超臨界CO2化學(xué)性質(zhì)及其對CO2流量計(jì)設(shè)計(jì)的影響CO2對金屬的腐蝕：CO2溶于水便形成碳酸，釋放出氫離子。氫離子是強(qiáng)去極化劑，極易奪取電子還原，促使陽極鐵溶解而導(dǎo)致腐蝕。CO2與水垢形成的關(guān)系：CO2能和地層中碳酸鹽膠結(jié)物反應(yīng)，生成易溶于水的鹽類，而這些鹽類在一定溫度和壓力下又分解出不溶于水的沉淀物。CO2與氣體水合物形成關(guān)系：CO2分子與水分子通過氫鍵形成形成的一種籠形晶體化合物，水分子通過氫鍵形成晶穴，CO2分子填充水分子形成穩(wěn)定的化合物。流量計(jì)選材必須耐CO2腐蝕；結(jié)垢和氣體水化物使液態(tài)CO2流過接觸式流量計(jì)時易產(chǎn)生節(jié)流，為儀器外徑的確定和流量計(jì)選型提供參考。第九頁，共三十一頁，2022年，8月28日6、分析了超臨界CO2流量計(jì)量影響因素，初步形成計(jì)量方法密度：CO2可壓縮性大，不同溫度壓力下，密度變化較大。氣泡含量：超臨界CO2具有較高蒸汽壓，在某壓力、溫度下處于氣液平衡狀態(tài)。流動狀態(tài)下，氣相必然存在，氣泡的多少及比例與CO2流速有關(guān)。從查閱相關(guān)資料得知，溫度壓力相同時，CO2流速大則氣泡所占比例增加。經(jīng)過變徑或彎頭時，氣態(tài)CO2含量也會增加。分析了超臨界CO2流量計(jì)量因素影響單純采用體積流量無法準(zhǔn)確得知實(shí)際注入質(zhì)量；流量計(jì)選擇必須考慮氣泡因素，需既檢測出氣泡含量，又不影響流量精度。密度隨溫度壓力變化第十頁，共三十一頁，2022年，8月28日6、分析了超臨界CO2流量計(jì)量影響因素，初步形成計(jì)量方法初步形成“全井眼渦輪流量計(jì)+溫度+壓力+密度”CO2流量測試計(jì)量方法超臨界CO2流量由于溫度壓力差異，導(dǎo)致密度存在差異，無法完全用流量計(jì)直接讀出的體積流量來表征，對CO2流量的描述應(yīng)轉(zhuǎn)化為常溫常壓下的體積流量。全井眼渦輪流量計(jì)壓差密度計(jì)“溫度+壓力”計(jì)算密度1.977第十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日6、分析了超臨界CO2流量計(jì)量影響因素，初步形成計(jì)量方法初步形成“全井眼渦輪流量計(jì)+持氣率測量儀”CO2流量測試計(jì)量方法實(shí)際應(yīng)用時，通常采用實(shí)驗(yàn)圖版。經(jīng)過摩擦校正，即可用校正后所得密度資料確定其持液率。在一定流量范圍內(nèi)，渦輪呈現(xiàn)非線性響應(yīng)。含液率對流量計(jì)量有較大影響，確定流量時，應(yīng)首先計(jì)算CO2兩相含液率。流量計(jì)頻率與流量及持液率關(guān)系圖版第十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日7、完成了全井眼流量計(jì)結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計(jì)完成了全井眼渦輪流量計(jì)的框架、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和渦輪部分的樣機(jī)裝配全井眼渦輪結(jié)構(gòu)圖全井眼渦輪外觀設(shè)計(jì)全井眼渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)為一種采用可伸縮金屬葉片的渦輪流量計(jì)，具有葉輪面積大，堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)；儀器本身帶扶正機(jī)構(gòu)，居中性好，可較好的完成測試工作。全井眼渦輪合起狀態(tài)傳統(tǒng)渦輪改進(jìn)第十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日8、完成了部分流量計(jì)相關(guān)的輔助設(shè)計(jì)不同金屬、膠圈在CO2中的腐蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)論編號材料實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1TC4無明顯的變化21Cr18Ni9Ti除材料加工表面有缺陷處有黑色腐蝕外，無明顯的變化32Cr13銹跡斑斑，整個表面發(fā)黑，腐蝕嚴(yán)重4全氟O型圈無明顯變化5全氟膠套無明顯變化6QBe2整個表面發(fā)黑，腐蝕嚴(yán)重通過實(shí)驗(yàn)和分析，優(yōu)選出可用于儀器加工的材料及密封的膠圈金屬錐面密封兩道O型圈密封新型密封技術(shù)外觀設(shè)計(jì)防止CO2腐蝕和氣密封是整個儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵初步確認(rèn)選用鈦合金材料制作儀器主體，密封圈選用全氟O型圈方便安裝也可較好的避免CO2的腐蝕；密封部分結(jié)構(gòu)選用兩道O型圈與金屬錐面密封相配合的新方法，即可保證儀器強(qiáng)度，增強(qiáng)儀器密封性又可減少CO2對密封部位的腐蝕。第十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日8、完成了部分流量計(jì)相關(guān)的輔助設(shè)計(jì)綜合考慮CO2注入井筒溫度等因素，優(yōu)選出了溫度響應(yīng)時間短、測量精度高的鉑金絲電阻溫度傳感器探頭溫度響應(yīng)曲線探頭的外觀設(shè)計(jì)儀器編號常溫電壓值V1水溫電壓值V2上升70%時間t1上升80%時間t2上升90%時間t3探頭13.59V4.02V1.48s2.20s3.04s探頭23.59V4.01V1.40s2.00s2.76s上升70%最長時間1.48s結(jié)論合格儀器號65℃95℃125℃150℃油浴烘箱油浴烘箱油浴烘箱油浴烘箱探頭164℃66℃95℃93℃124℃124℃149℃151℃探頭265℃66℃94℃97℃125℃126℃150℃152℃最大誤差：油浴中為±1℃，烘箱中為±2℃結(jié)論滿足設(shè)計(jì)要求，合格探頭溫度響應(yīng)測試表探頭溫度精度測試表溫度傳感器采用進(jìn)口的鉑金絲電阻PT1000具有穩(wěn)定性高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，且用薄壁管進(jìn)行鎧裝封裝，耐腐蝕好；經(jīng)過測試，優(yōu)選出了一致性好、穩(wěn)定性高、時間響應(yīng)短、精度高的溫度傳感器。第十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日8、完成了部分流量計(jì)相關(guān)的輔助設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完成渦輪流量計(jì)、井溫壓力儀電路部分，并完成電路板的焊接、調(diào)試渦輪流量計(jì)信號采集電路（霍爾開關(guān)）渦輪流量計(jì)是利用置于流體中的葉輪感受流體平均速度的流量計(jì)，與流量成正比的葉輪轉(zhuǎn)速由嵌在葉輪中的永磁材料檢測出，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時磁場交替接近磁敏元件，使磁敏元件周期性的打開和閉合，這種開關(guān)作用使恒壓源產(chǎn)生脈沖信號。通過檢測這一脈沖信號可測得流量大小。井溫壓力儀電路板第十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日8、完成了部分流量計(jì)相關(guān)的輔助設(shè)計(jì)搭建了簡易氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺大功率鼓風(fēng)機(jī)標(biāo)定用低起排高精度流量計(jì)氣體標(biāo)定臺的搭建，更好的解決了儀器在CO2流量的標(biāo)定問題、為超臨界狀態(tài)CO2的流量計(jì)量提供更加詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第十七頁，共三十一頁，2022年，8月28日四、課題主要進(jìn)展情況1、分析了超聲波在超臨界CO2中的若干相關(guān)特性2、完成了全井眼流量計(jì)性能測試分析3、完成了壓差密度計(jì)的電路設(shè)計(jì)4、完成了半集流超聲流量計(jì)的電路設(shè)計(jì)5、完成了井溫壓力儀的機(jī)械設(shè)計(jì)五項(xiàng)進(jìn)展在CO2流量計(jì)量方法和設(shè)備研制兩方面取得五項(xiàng)進(jìn)展：第十八頁，共三十一頁，2022年，8月28日公式：超聲流量計(jì)測超臨界CO2流量可行性分析媒介聲速為C，測試中超聲波頻率fs,若超聲遇到以Vs速度運(yùn)動的CO2液泡氣泡，會在泡的界面產(chǎn)生反射，這個反射可視為新的波源，在反射產(chǎn)生的短暫時間內(nèi)可視為它與井液儀器運(yùn)動的波源，即接收器不動，波源隨媒介運(yùn)動，則反射時產(chǎn)生多普勒頻移后的頻率為fr，經(jīng)理論研究有fs=fs/(1-Vs/C)定義f=fs-fr.實(shí)際C>>Vs,則有Vs=C·f/fs根據(jù)以上公式，應(yīng)用多普勒效應(yīng)來測量速度是可行的還需要對超聲波在超臨界CO2中的相關(guān)特性進(jìn)行分析1、分析了超聲波在超臨界CO2中相關(guān)特性第十九頁，共三十一頁，2022年，8月28日1、分析了超聲波在超臨界CO2中相關(guān)特性超臨界CO2流體中聲速隨壓力變化曲線超臨界CO2流體中聲速隨溫度變化曲線分析了超聲波在超臨界CO2中傳播的聲速變化CO2壓力增大則密度增大，聲速是密度函數(shù)，所以CO2流體的聲速隨CO2壓力增大而增大。CO2壓力不變溫度升高時，CO2密度減小，進(jìn)而引起聲速減小。第二十頁，共三十一頁，2022年，8月28日1、分析了超聲波在超臨界CO2中的相關(guān)特性分析了超聲波在超臨界CO2中的聲衰減特性超臨界CO2流體中聲強(qiáng)隨壓力變化曲線超臨界CO2流體中聲強(qiáng)隨溫度變化曲線由已有條件，對聲強(qiáng)進(jìn)行測試，聲強(qiáng)相對值是密度函數(shù)，聲衰減也是密度函數(shù)。CO2溫度不變壓力增大時CO2密度增大，聲衰減減小。CO2壓力不變溫度升高時，CO2密度減小，進(jìn)而引起聲衰減增大。通過超聲波相關(guān)特性分析，為超聲流量計(jì)探頭的間距確定提供依據(jù)。第二十一頁，共三十一頁，2022年，8月28日2、完成了全井眼流量計(jì)性能測試分析全井眼渦輪流量計(jì)樣機(jī)儀器按照調(diào)試工藝，經(jīng)過打壓，常溫、高溫老化試驗(yàn)，經(jīng)調(diào)試后各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到要求。完成了全井眼渦輪流量計(jì)電路板調(diào)試和整機(jī)裝配儀器調(diào)試表格第二十二頁，共三十一頁，2022年，8月28日2、完成了全井眼流量計(jì)性能測試分析日本NSK軸承起排小，但被測液體雜質(zhì)多易引起軸承損壞瑞士陶瓷軸承為深溝球軸承，不受被測液體成分影響，且在液體中有自潤滑，但啟排未降至最低還在繼續(xù)尋找磨阻更小耐腐蝕好的軸承試驗(yàn)分析了挑選的幾種軸承對儀器性能的影響軸承選型啟動排量存在問題國產(chǎn)軸承80m3/D腐蝕、生銹日本小磨阻60m3/D生銹國產(chǎn)小磨阻60m3/D腐蝕、生銹日本NSK18m3/D進(jìn)雜質(zhì)起排變大瑞典陶瓷26m3/D無軸承選型實(shí)驗(yàn)日本NSK軸承瑞典陶瓷軸承第二十三頁，共三十一頁，2022年，8月28日2、完成了全井眼流量計(jì)性能測試分析標(biāo)定結(jié)果顯示，渦輪在可合攏條件下，其他條件不變，最大直徑設(shè)置為98mm，可達(dá)最低啟排。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)分析，表明其他條件不變時，渦輪葉片傾角設(shè)置為71

°，可達(dá)最低啟排。試驗(yàn)分析了不同渦輪形狀對儀器性能的影響渦輪直徑啟動排量標(biāo)定條件70mm84m3/D陶瓷軸承、5.5寸套管、水中標(biāo)定80mm77m3/D90mm67m3/D96mm53m3/D98mm26m3/D全井眼渦輪精密部件設(shè)計(jì)圖渦輪選型實(shí)驗(yàn)全井眼渦輪葉片傾角71°第二十四頁，共三十一頁，2022年，8月28日2、完成了全井眼流量計(jì)性能測試分析全井眼渦輪流量計(jì)標(biāo)檢表格全井眼渦輪流量計(jì)線性度分析標(biāo)定結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，流量精度達(dá)到使用要求、線性度良好。完成了全井眼渦輪流量計(jì)的調(diào)試和標(biāo)定第二十五頁，共三十一頁，2022年，8月28日3、完成了壓差密度計(jì)電路設(shè)計(jì)溫度檢測電路壓力檢測電路采集液柱壓力差?P，溫度電路采集的溫度值為壓差傳感器進(jìn)行溫補(bǔ)。重力加速度g、待測液柱高度為h均已知，則通過液柱靜壓力公式ρ=?P/g.h可求得ρ。完成了壓差密度計(jì)信號采集電路的設(shè)計(jì)壓力檢測電路調(diào)制解調(diào)電路第二十六頁，共三十一頁，2022年，8月28日3、完成了壓差密度計(jì)電路設(shè)計(jì)供電穩(wěn)壓電路完成了壓差密度計(jì)的輔助電路設(shè)計(jì)傾角測試電路單片機(jī)電路壓差密度計(jì)在井中傾