摘要：煤層氣生產(chǎn)測(cè)井正處于探索階段，還沒有成熟的測(cè)井儀器。本文分析了煤層氣井生產(chǎn)測(cè)井條件及要求，對(duì)常用的渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、放射性示蹤流量計(jì)做了適用性分析。

1、煤層氣井生產(chǎn)測(cè)井條件及要求

煤層氣井生產(chǎn)測(cè)井儀器是從油管與套管的環(huán)形空間下人并進(jìn)行測(cè)井的。煤層氣的排采設(shè)備分為游梁式抽油機(jī)、傾斜式環(huán)形齒條抽油機(jī)、螺桿泵采油裝置和電潛螺桿泵采油裝置，其中應(yīng)用*多的是游梁式抽油機(jī)。對(duì)于前兩種排采設(shè)備只要安裝了偏心井口就可以解決儀器下入問題。對(duì)于后兩種排采設(shè)備改進(jìn)后才能進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)井。

煤層氣井油管下入深度有三種。*一種：油管在產(chǎn)層之上，這時(shí)煤層氣和水都是向上運(yùn)動(dòng)的；*二種：油管下端在產(chǎn)層中部，這種情況下煤層氣向上運(yùn)動(dòng)，篩管之上的水向下運(yùn)動(dòng)，篩管之下的水向上運(yùn)動(dòng)；*三種：油管下過了產(chǎn)層，這種情況下煤層氣仍然向上運(yùn)動(dòng)，水則向下運(yùn)動(dòng)。

煤層氣產(chǎn)水量一般為2～lOOm3/d，產(chǎn)氣量一般為0～3000m3/d。按照相關(guān)要求，煤層氣生產(chǎn)測(cè)井儀器水流量測(cè)量范圍為5～100m3/d，測(cè)量精度為10％；氣測(cè)量范圍為50～50Om3/d，精度為15％。

2、現(xiàn)有流量計(jì)適用性分析

2.1 渦輪流量計(jì)

智能氣體渦輪流量計(jì)利用渦輪轉(zhuǎn)速的高低測(cè)量井內(nèi)流體的速度。它分為集流式流量計(jì)和非集流式流量計(jì)。集流式流量計(jì)不能用于油管下過射孔層的井，這里不做討論。

圖1是哈里伯頓公司高靈敏度流量計(jì)靜態(tài)響應(yīng)曲線。從圖1可以看出，該儀器在水中的啟動(dòng)速度為3.5ft/min，在氣中的啟動(dòng)速度為50ft/min。哈里伯頓公司高靈敏度流量計(jì)在水中的測(cè)量精度為lft/min，由此得出該儀器在水中測(cè)量精度與啟動(dòng)速度的關(guān)系為1:3.5。據(jù)此估算，該儀器在氣中的測(cè)量精度約為50/3.5=14ft/min。進(jìn)而得到，此儀器在水中的測(cè)量精度與氣中測(cè)量精度的比值約為1:14。

對(duì)于非集流式流量計(jì)，儀器直徑越小，渦輪直徑越小，渦輪啟動(dòng)排量越大，儀器測(cè)量精度越低。哈里伯頓公司高靈敏度流量計(jì)殼體直徑為38mm，燈籠罩直徑43mm，渦輪直徑34ram。煤層氣生產(chǎn)測(cè)井如果使用渦輪流量計(jì)只能選用直徑25mm左右的儀器，其渦輪直徑約為20mm。因此其精度遠(yuǎn)低于哈里伯頓公司高靈敏度流量計(jì)。吉爾哈特公司曾生產(chǎn)過直徑25.4mm的儀器，它在水中的測(cè)量精度為2.6ft/min，在5—1/2英寸的套管中折合的產(chǎn)量精度為13.8m3/d。利用上面的方法估算，該儀器在氣中的測(cè)量精度約為2.6×14=36.4ft/min，在5-1/2英寸的套管中折合的氣產(chǎn)量精度為633m3/d。可以看出，該儀器對(duì)于水和氣的測(cè)量精度均不能達(dá)到煤層氣井測(cè)井的要求。

2.2 電磁流量計(jì)

假設(shè)X、Y、z為互相垂直的三個(gè)軸，當(dāng)導(dǎo)電液體沿X方向流動(dòng)時(shí)，在Y方向上加上磁場(chǎng)，導(dǎo)電液體中的正負(fù)離子受到洛侖茲力的作用，會(huì)在Z方向上產(chǎn)生相反的運(yùn)動(dòng)并形成感生電動(dòng)勢(shì)，感生電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)電液體的流量成正比。這就是電磁流量計(jì)的測(cè)量原理。電磁流量計(jì)主要用于測(cè)量電導(dǎo)率大于10^-7s/m的單相流體，它不適用于氣體和含有較大氣泡液體的測(cè)量。這就否定了該儀器在煤層氣井生產(chǎn)測(cè)井中的應(yīng)用。

2.3 超聲流量計(jì)

超聲波在流體中傳播時(shí)，將附帶上流體流速的信息。順流和逆流傳播速度由于疊加了流體速度而不同，因此通過接收到的超聲波信號(hào)，就可以計(jì)算出流體的速度或流量。生產(chǎn)測(cè)井采用的超聲波流量計(jì)主要采用多普勒法和傳播速度法。

2.3.1 多普勒法

多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理確定流體速度。多普勒原理是若聲源和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起聲波在頻率上的變化，頻率變化正比于運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和靜止的換能器之間的相對(duì)速度。圖2是超聲多普勒流量計(jì)示意圖。發(fā)射晶體T1發(fā)射的超聲波遇到流體中運(yùn)動(dòng)的顆粒或氣泡反射回來由接收晶體R1接收，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的多普勒頻率偏移與流體速度成正比。忽略管壁影響，假設(shè)流體沒有速度梯度且粒子是均勻分布的，可得：

式中：v**體速度；f一晶體T1的發(fā)射頻率；f2一晶體R1接收的頻率；θ一超聲波束與流體流向之間的夾角；C一聲速。

假設(shè)發(fā)射晶體T1的發(fā)射頻率f1為1MHz，θ角為6O°，頻率差f1一f2的測(cè)量精度為1Hz，聲波在水中的傳播速度為1400m/s，則多普勒法在水中的速度測(cè)量精度為：

因此，從理論上推算多普勒法的測(cè)量精度完全可以滿足煤層氣井生產(chǎn)測(cè)井的要求。

以上討論的是單相流體且流體做水平方向運(yùn)動(dòng)的情況。在煤層氣生產(chǎn)測(cè)井中存在氣、水兩相流體，并且流體是沿井筒方向上下運(yùn)動(dòng)的，水和氣存在滑脫。水中氣泡反射回來的信號(hào)頻率與氣體的流速有關(guān)，這是主要的反射信號(hào)；水中顆粒反射回來的信號(hào)頻率與水的流速有關(guān)。因此，氣、水兩相流體反射回來的信號(hào)至少是兩種頻率信號(hào)的疊加。如何從這一反射信號(hào)中分別得到氣和水的流速是一個(gè)需要深入研究的問題。

2.3.2 傳播速度法

超聲波順流傳播時(shí)速度高，逆流傳播時(shí)速度低，順流與逆流的速度差與被測(cè)流體的速度有關(guān)，這就是傳播速度法的依據(jù)。根據(jù)測(cè)量參數(shù)的不同，傳播速度法可分為時(shí)差法、相位法和頻差法。

如圖3所示。設(shè)兩個(gè)換能器之間的距離為L(zhǎng)，聲波的傳播速度為C，流體的速度為v，如果儀器靜止，則聲波向上傳播的時(shí)間為

向下傳播的時(shí)間為

上下兩個(gè)換能器進(jìn)行交替發(fā)射和測(cè)量得到

由于ta、td的測(cè)量較為復(fù)雜。因此也可以采用相位差法。向上傳播的相位差ψ1=ωtu，向下傳播的相位差ψ2=ωtd，則

因此通過測(cè)量相位差△ψ可以得到流體的速度v。

現(xiàn)在投入規(guī)模生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)多數(shù)采用相位差法，它主要用于注水井的測(cè)量。該儀器在油管中，水的啟動(dòng)排量2m3/d，測(cè)量范圍2～1000m3/d，測(cè)量精度2.5％。按照截面積推算，該儀器在5—1/2英寸的套管中啟動(dòng)排量約為10m3/d，測(cè)量范圍為10～200m3/d。如果經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，超聲波流量計(jì)啟動(dòng)排量還會(huì)降低。假設(shè)僅用于單相水的測(cè)量，超聲波流量計(jì)應(yīng)當(dāng)可以滿足煤層氣測(cè)井的要求。然而，煤層氣井生產(chǎn)測(cè)井屬于氣、水兩相流測(cè)量，時(shí)差或相位差是水流速、氣體流速、聲波在水中傳播速度、聲波在氣體中傳播速度和氣水比的函數(shù)。如何在這種復(fù)雜關(guān)系中求得水流速和氣體流速，還需要做大量的研究和實(shí)驗(yàn)工作。

2.4 同位素示蹤流量計(jì)

同位素示蹤流量計(jì)由伽馬儀器和示蹤儀構(gòu)成。示蹤儀中裝有同位素液體，測(cè)井時(shí)伽馬與示蹤儀需要組合下井。示蹤儀中釋放出的同位素隨井中液體移動(dòng)，當(dāng)同位素到達(dá)伽馬探頭附近時(shí)，伽馬儀器計(jì)數(shù)率增高。地面儀器記錄同位素發(fā)射和同位素到達(dá)伽馬探頭的時(shí)間，結(jié)合同位素噴射孔到伽馬探頭之間的距離就可以計(jì)算出井中液體的流速。在5—1/2英寸套管中，示蹤流量計(jì)對(duì)水流量的測(cè)量下限為2m3/d。在2—100m3/d的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量精度可以滿足10％的要求。示蹤儀中使用的同位素密度與水的密度接近，在煤層氣井氣水兩相流狀態(tài)下，氣體對(duì)同位素的攜帶能力較差。因此，示蹤流量計(jì)所測(cè)得的流速應(yīng)當(dāng)是水的流速，再結(jié)合持水率就可以得到產(chǎn)水量。當(dāng)然，煤層氣井中的氣體對(duì)示蹤劑會(huì)有攪拌作用，這會(huì)加快同位素的擴(kuò)散，從而不利于示蹤劑的測(cè)量。如果在同位素中加入增黏劑，會(huì)減緩?fù)凰氐臄U(kuò)散。

3、結(jié)論

通過以上分析，可知渦輪流量計(jì)測(cè)量精度不能滿足煤層氣生產(chǎn)測(cè)井的要求；電磁流量計(jì)不能適用于煤層氣測(cè)井的條件；超聲流量計(jì)測(cè)量精度和范圍理論上能夠用于煤層氣生產(chǎn)測(cè)井，它可以用于單相氣或水流量的測(cè)量，對(duì)于氣、水兩相流則需要做大量的試驗(yàn)和研究工作；同位素示蹤流量計(jì)可以用于單相水的測(cè)量。