热式流量计测量油水两相流量的实验研究
摘要: 介绍一种热式流量计测量油水两相流流量的测量方法。利用流体流过加热探头时带走的热量与流体流量的关系间接测量流体流量。在圆形测量管道中沿流体流动方向放置可控的热源发生器，由热源发生器在周围流体中形成温度场，当流体流动时热源周围的温度场随流量变化，通过检测热源发生器被冷却的程度测量流量。设计加工了热式流量计原理实验样机，在大型多相流试验装置上进行了动态实验，在含水率 90% 以上时流量测量误差在 8% 以内。在油水两相条件下，热式流量计更适于特高含水条件下应用。
0、引言：
大庆油田产出剖面测井技术中主要应用涡轮流量计进行油水两相流流量测量。涡轮流量计存在机械旋转部件，容易被井下异物卡死，导致流量测量失败，影响测井成功率。因此，需要探索无可动部件、可靠性高的流量测量方法。本文提出了一种基于在线加热方式的测温式流量测量新方法，该方法具有可靠性高、无可动部件、可进行低流量测量等优点，能够克服涡轮流量计存在的缺点。研制了原理实验样机，开展了原理性实验，取得了令人乐观的实验结果。
1、测量原理：
测量原理如图 1 所示。测量装置由热源发生器、2 个温度传感器以及测量电路构成。在圆形测量管段下方沿流体流动方向用支架固定 1 个基础温度传感器 A，目的是为了测量流体的基础温度。在温度传感器 A 上方一定距离用支架固定 1 个温度传感器 B，在温度传感器 B 外部缠绕热源发生器，对热源发生器进行恒流供电，温度传感器 B 测量热源发生器的温度随流量的变化情况。
图 1 测量装置结构示意图
2、原理实验样机的设计：
图 2 所示为设计的用于开展可行性实验的热式流量计原理实验样机示意图，自下向上依次由集流器伞、温度传感器、热源发生器及电路筒组成。热式流量计原理实验样机流道内径为20 mm、外径为28 mm，采用集流方式进行流量测量。
利用直流电源分析仪安捷伦 N6705B 为热源发生器提供恒流供电，热式流量计原理实验样机采用的温度检测传感器为铠装铂电阻( PT1000) 。利用FLUKE PM6306 LCＲ 测量仪可以实时测量铂电阻的阻值。图 3 为热源发生器包裹着温度传感器的结构示意图。
图 3 热源发生器包裹着温度传感器结构示意图
3、多相流试验装置上实验结果:
利用热式流量计原理实验样机在大庆油田测试技术服务分公司的多相流模拟试验装置上进行了实验研究。垂直模拟井筒内径为 125 mm，实验时集流伞张开，封闭了样机和井筒之间的环形空间，使全部流体流过样机的测量通道并提高了流体流速。
3.1、不同含水率时实验结果：
实验介质为油水两相流，配比总流量分别为 1、5、10、20、30、40 m3/ d; 含水率分别为 80% 、90% 、100% 。
实验结果见图 4。图 4 中横坐标为配比的标准流量，纵坐标为测量的温度传感器电阻值。将图 4中测量数据进行曲线拟合得到图 5。从图 4 中可以看出原理实验样机在流量 1 ～ 40 m3/ d 范围、含水率分别为 80% 、90% 、100% 时标准流量和测量电阻之间呈非线性变化关系，随着总流量的增加，流体带走的热量增加，测量的温度传感器阻值逐渐降低; 实验条件下热式流量计的动态测量范围在 200 Ω 以内， 随着总流量的增加，热式流量计的灵敏度下降。
图 4 不同含水率时标准流量与测量电阻的关系图版图 5 对图 4 拟合结果
将 100% 含水率、不同流量下的测量电阻值代入图 5 中的拟合公式中得到测量流量，与对应的标准流量相比，***大误差为 3． 06 m3/ d，相对于 40m3/ d 满量程，流量测量误差为 7． 65% 。同样得到含水率 90% 下的***大误差为 6． 59% ; 含水率 80%下的***大误差为 25． 09% 。通过对 3 组流量测量数据的误差分析可知，在油水两相条件下，热式流量计更适于特高含水条件下应用。
3． 2、重复性实验结果实验：
介质为油水两相流，配比总流量分别为 1、5、10、20、30、40 m3/ d; 含水率分别为 80% 、90% 、100% ，每个含水率重复进行 2 组实验，验证测量重复性与稳定性。
从图 6 可以看出，在不同含水率下，实验样机的测量结果重复性很好，数据波动较小，经计算重复性误差在 3% 以内; 各流量点对应的温度传感器测量电阻值的动态变化范围在 200 Ω 以内，能够对流量进行正确指示，说明本文设计的实验样机的可靠性和稳定性较好。
图 6 不同含水率时标准流量与测量电阻的关系图
4、结 论：
( 1) 标准流量和测量电阻之间呈非线性变化关系，随着总流量增加，流体带走的热量增加，温度传感器测量的电阻值逐渐降低，同时灵敏度下降。在不同含水率下，实验样机测量结果重复性较好，数据波动较小，说明实验样机的可靠性和稳定性较好。
( 2) 在流量范围为 1 ～ 40 m3/ d、含水率高于90% 时设计的热式流量计原理样机流量测量误差优于 8% ; 在 含 水 率 为 80% 时，流 量 测 量 误 差 为25． 09% 。在油水两相条件下，热式流量计更适合于特高含水条件下应用。