一种欠平衡钻井出口气量测量的方法

一种欠平衡钻井出口气量测量的方法①作者简介：工程师，1987-07毕业于新疆石油学校钻井工程专业一种欠平衡钻井出口气量测量的方法周强①唐亮西部钻探公司克拉玛依钻井工艺研究院，834000新疆克拉玛依摘要欠平衡钻井技术目前已逐渐在国内形成了应用的热潮。

其硬件装备、软件发展及施工工艺技术也随之不断完善，地面数据采集的重要性也受到业界的认同。

如何提高数据采集的精度，使现场欠平衡工程师在第一时间得到准确的数据，为制定下步施工措施提供科学依据，对欠平衡钻井中的一项重要参数—出口气量的测量，提出一种精确的测量方法。

主题词欠平衡钻井数据采集钻井参数出口气量传感器测量新疆石油科技2009年第1期（第19卷）1前言欠平衡钻井数据采集的参数主要有四大类：压力、流量、密度和成分。

这四类参数的测量涉及工程、机械、微电子、流体力学、信息技术和控制论等现代科技综合应用。

数据采集技术是数据采集技术在钻井现场的应用也是一个复杂的系统工程；石油钻井现场温差大、风沙多、流动频繁、电、磁干扰强，湿度范围大，使得许多石油钻井方面的电子装备工作环境非常恶劣，同时石油钻井方面的传感器、变送器的灵敏度和稳定度还不够完善，在其它领域已经非常成熟的监测技术在钻井方面的应用还处在比较落后的状态，如何选择合适的仪表、合理的安装位置等都影响到所采集钻井参数的精度。

在欠平衡钻井现场应用中，现场记录数据不精确，特别是在现场发生复杂情况时，数据记录不完整，会造成现场判断的模糊甚至错误，对于后续措施的制定以及后期欠平衡钻井理论的研究造成困难。

2出口气量测量存在的难点排出口气量也就是欠平衡钻井过程中地层产出气由井筒环空返出地面，经液气分离器所分离的气体量。

由于欠平衡过程中钻井流体施加在井底的压力小于地层孔隙压力的特性，地层流体更容易进入井筒。

因此，欠平衡钻井过程中，地层气体的产出具有不可预知及产气量大小不稳定性，且产出地层气的大小脉动范围比较大，气相中可能含有少量液相，这是由于前端液气分离器的分离效果不佳及产出气量大、流速快造成少量液相随气体进入燃烧管线。

欠平衡钻井燃烧管线尺寸较大，压力波动范围也较大，所以气体流量计的选择受到限制。

采集地面数据的传感器还要考虑到欠平衡钻井周期相对较短、流动频繁、施工环境多变等因素，气体流量计要求安装与拆卸方式简单、易维护。

必须注意到，现有的钻井信息(参数等)地面采集方法和技术水平往往达不到反映井底参数和经验参数真实性的程度，地面参数即使再灵敏，由于中间传递作用导致井底参数变异失真。

为此，必须认真研究钻井信息的现代化采集技术，所以怎样全面、准确地采集参数是研究中的技术关键，在传感器、变送器不完善的情况下，如何选择传感器、变送器和其它设备以确保准确的采集数据是研究过程中的难点。

3出口气量的确定要精确测量出口气量，就必须确定气体流量计的量程范围，范围越精确，分辨力也就越高。

欠平衡钻井中排出口气量的大小取决于前端处理设备的能力，即液气分离设备的处理量。

目前使用在欠平衡钻井中的液气分离器单台最大处理量为16×104m 3/d ，按欠平衡钻井标准“当一个液气分离器的处理量满足不了要求时，允许两台以上的液气分离器并联使用”，如果排出口气量选择的范围不合适，则直接会影响到测量的精度；量程范围过大影响精度，过小又满足不了现场使用；应根据所匹配的设备能力选择，如液气分离器处理能力、使用的分离器数量、安装方式、燃烧管线尺寸以及所处地区油气层物性来综合考虑。

4气体流量计的选择目前测量气体的流量计有两大类，即接触型与非接触型。

接触型气体流量计有差压式流量计、旋转式11··新疆石油科技2009年第1期（第19卷）容积流量计、涡轮流量计、涡街流量计、质量流量计、非接触型有超声波流量计。

4.1接触型气体流量计接触型气体流量计中旋转式容积流量计、涡街流量计属于流体振动流量计，其工作原理是借助于流体中安放的一根（或多根）非流线型阻流体（bluff body），在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。

旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。

此类仪表对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。

仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低，一般满管式流量计用于DN300以下，而且仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。

容积式流量计，又称定排量流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。

它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。

但因其流量计结果复杂、体积庞大、被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大，大部分仪表只适用于洁净单相流体而不适用于欠平衡钻井中。

涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而推导出流量或总量的仪表。

涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品，适用于介质清洁、流速快、流量相对稳定的固定工作环境，如输气站。

缺点:（1）不能长期保持校准特性；（2）流体物性对流量特性有较大影响。

质量流量计是一种精确测量气体流量的仪表，其测量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿，适用于多种气体介质。

差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。

通常以检测件形式对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计。

孔板流量计测量精度普遍偏低、压损大并且前端易积液；文丘里流量计现场安装条件要求高；均速管即避免了压损大的缺点，而且测量精度较高。

4.2非接触型气体流量计超声波流量计其优点是安装方便、测量准确度高、无压损及可动部件，但易受气体速度分布剖面的质量、气流的脉动程度和气体的均匀性、测量管内附着物的处理、环境振动等因素影响，而且气体超声波流量计适用于DN≥100mm、P≥0.3MPa（表压）的管线，所以不适用于欠平衡钻井测量气体流量。

4.3推荐选择4.3.1均速管差压式流量计如图1所示，阿纽巴差压流量传感器由一根横贯管道内径的检测杆与检测杆内迎流面的多点测压引压管和背流面的静压测量管构成。

工作原理是当充满管道的介质流经均速管流量计的检测杆时，检测杆迎流面的全压孔感测到介质的全压平均值，检测杆的背流面的静压孔感测到介质的静压值。

全压平均值与静压值同流过的截至流量之间有确定的关系。

阿纽巴差压流量计的设计应用了多变量技术，补偿了可引起重大流量误差的压力与温度的最小变化；而非隔断的设计型式在管道中形成最小的阻塞，减少了永久压力损失。

在满管情况下，提高了每一个流量测量点的精度与重复性。

4.3.2热式气体质量流量计热式气体质量流量计有两个等比匹配的、坚固、可清洁的热式质量流量传感器组合。

此组合由两个RTD(电阻温度传感器)传感组件组成，其材料是参考级铂和陶瓷。

两个铂电阻传感器附于陶瓷基板上，外加一细长的不锈钢保护套。

此传感器组合是温度补偿的，且对压力变化不敏感，无需压力修正。

该流量计基本工作原理见图2。

利用惠思顿电桥对其中一个RTD优先加热（0～50℃），而第二个RTD 吸收流动气体的温度作为温度参照。

流经加热传感组件的气体质量流量是通过传感组件的热传递量来计量的。

气体速率增加，传感器传递给流体的热量增多，因此需要供给更多的电流，以维持传感组件的恒定过热温度。

此热传递正比于气体质量流速。

变送器输出（下转第17页）图1Annubar气体流量计结构及取压示意图高压槽型设计的取压杆测量介质流经取压杆12··高压砾石充填工艺在克拉玛依油田车排子作业区的应用评述[J]．石油钻采工艺，2000，22(2)5马代鑫.高压砾石充填防砂工艺参数优化设计责任编辑：李未蓝收稿日期：2008-12-15!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第12页）的电流对应于流量或流速。

热式气体质量流量计的优势：（1）直接测量气体的质量流量（即标准状态下的体积流量）。

用同一种稳定性很高的热敏传感器代替了体积、温度、压力三种传感器，从而提高了测量精度及稳定性，并且在流量计制造过程中无需很高的机加工精度，而此种精度在传统流量计制造过程中十分关键；（2）对气体洁净度要求不高，且便于安装及清洗维护。

由于热式气体质量流量计，采用不锈钢外壳的RTD ，对于气体中的粉尘、固体颗粒、油份、水份不敏感，尤其是插入式流量计，可以在管道不截断气流的情况下，通过一球阀曳取装置从管道中取出，进行清洗后再插回；（3）压力损失小，可忽略不计。

采用探头式传感器，其等效截流面积远小于差压、涡街等形式流量计。

压力损失小，则流量计的运行成本降低，所以对于长距离管道输送并分段测量流量，以及某些要求极低压力损失的特殊场合特别适用；（4）介质温度适用范围广。

采用温度自补偿设计，介质温度一般可适用从-40℃至200℃，插入式最高可达450℃。

4结论由于阿纽巴差压流量计是根据皮托管测速原理，通过测总静压来计算流量，其传感器产生的差压最小可能只有20～30Pa ；欠平衡钻井过程中返出少量气体，在DN250尺寸的排出口燃烧管线中流速是很低的，这种情况下阿纽巴流量计就很难准确的测量。

热式气体质量流量计对小流量测试证明仪表具有良好的线性度，但线性度与量程大小有关，流量越大，非线性越严重。

考虑到精度、测量范围、安装、维护及压损等因素，选择热式气体质量流量计和孔板中的阿纽巴差压式流量计结合使用。

热式气体质量流量计用于微小流量的测量，而均速管差压式流量计则用于稍大流量的测量，两者的结合使用既能测量大流量而又保证了良好的线性度，使出口气量的测量范围更宽、精确更高。

参考文献1罗斯蒙特差压流量产品选型说明.20042美国EPI 公司热式气体质量流量计说明3欠平衡钻井数据采集技术研究项目技术总报告.2008责任编辑：李未蓝收稿日期：2008-11-27图2热式质量流量计传感器工作原理和流量与电压关系图传感器放大器0%100%MICROPROCESSOROUTPUTVOLTSSENSOR SIGNALF L O W17··。