摘要：二氧化碳在临界状态下，性能不稳定，现有流量计无法准确测出其流量，我们设计的二氧化碳涡轮井下流量计解决了这个问题。利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度的流量计，与流量成正比的叶轮转速由嵌在叶轮中的永磁材料检测出，产生脉冲信号，通过检测这一脉冲信号可测得流量大小。该二氧化碳涡轮井下流量计在中原油田“卫42-1”井进行了上井测试。
关键词：二氧化碳 临界状态 涡轮流量传感器
二氧化碳在井下1000米处于超临界状态，流态极为不稳定，密度变化大，常规流量测试技术误差大，测试资料可信度低。我们设计的二氧化碳涡轮井下流量计采用测液态二氧化碳介质流速及同一时间的温度、压力进行密度校正的方法，实现井下高压超临界态二氧化碳井下流量的准确测量。
一、二氧化碳涡轮井下流量计的结构及工作原理
二氧化碳涡轮井下流量计主要由马笼头、涡轮流量传感器和主机接头组成，如图1。利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度的流量计，与流量成正比的叶轮转速由嵌在叶轮中的永磁材料检测出，当叶轮旋转时磁场交替接近磁敏元件，使磁敏元件周期性的打开和闭合，并使其产生脉冲信号，通过检测这一脉冲信号可测得流量大小。
.png)
图1 CO2涡轮井下直读流量计结构示意图
二、二氧化碳涡轮井下流量计现场应用
1.现场测试情况
我们研制的二氧化碳涡轮井下流量计在中原油田“卫42-1”井进行了上井测试，测试下井深度1350米，最大压力约30MPa，最在温度约40℃，下井过程中测试的质量流量、压力、温度、体积流量等曲线图如图2所示。从图2中可以看出，随着深度增加，压力和温度曲线均单调递增，说明压力温度测试单元工作正常；仪器下放或上提时流量曲线的起落线明显，说明流量计工作正常。
.png)
图2 下井全过程测试曲线
2.现场测试存在的问题
（1）温度测试有滞后
图3是起井过程中在1150米处停留几分钟的测试曲线，当流量曲线快速下降时，说明仪器已经停止上提了，但此后的几分钟内温度曲线（红色线）还在一直下降，直到约5分钟后才接近达到稳定状态，此时的温度比仪器刚停止上提时约下降了3℃。
由于涡轮流量计本质上是测试体积流量，但注CO2井的地质数据需求是质量流量，于是需要用测试点当前的压力温度数据来实时计算质量流量，上文中提到的3℃温度滞后会给质量流量的换算带来约2%的测试误差，这是不允许的。
.png)
图3 1150米处停留测试几分钟
在目前温度测试严重滞后的情况下，该仪器是肯定不能用拉测来测试CO2的质量流量的，只能采取点测的方式。
在仪器硬件设计不改进的情况下，为避免上述问题，就只能在井下测试某点质量流量时让仪器停留至少5分钟后再开始测试，这样会让仪器的温度与环境温度一致，才会让测试点的体积流量与质量流量的换算有可信度。
（2）涡轮流量计用于测试液态或超临界态CO2流量有较好的线性度
井下1350米处进行了3个点的标定曲线，如图4。
.png)
图4 井下体积流量标定曲线及拟合系数
现场流量标定方法是在注入站人工手动改变注入量，并实时读取地面流量计的流量值，但地面站的流量计测试的是体积流量，我们再结合注入泵出口压力与温度换算成质量流量，再根据井下的实时压力温度值换算出井下的体积流量，标定数据与换算关系见表1所示。
从图4中的体积流量标定曲线上看，该涡轮流量计可以用于测试超临时界态CO2的体积流量，体积流量变化时测试曲线台阶明显，且拟合出的多项式系数数线性度好。
涡轮流量计在井下进行满量程标定后，实际测试时先用采样得到的涡轮脉冲量结合标定系数计算出当前的体积流量，再根据当前点的压力温度测试值换算成质量流量。
表1 标定数据与换算关系
.png)
3.涡轮流量计的分辨率有待提高
从图4右上角的拟合系数表中可以看出，正比例项系数为3.0239，说明涡轮流量计采样脉冲量每变化1Hz，测得的体积流量就变化3.029m3/d，而涡轮流量计的输出脉冲最小变化量是1Hz，则说明目前的涡轮流量计的体积流量测分辨率约为3m3/d，这样的分辨率对于小的流量变化是不能感应的。
4.涡轮流量计的启动流量偏大
图4中右上角的标定系数是一元一次多项式拟合结果，计算公式为：y=a+bx，把系数表中的系数代入公式可得：y=30.385+3.029x，再令x=0，可计算得出y=30.385，这个结果说明只有当体积流量大于30m3/d时，涡轮流量的脉冲才有输出，即涡轮流量计的启动排量约为30m3/d。
上述问题3与问题4的解决方案是给涡轮流量计增加集流功能，这样在同样体积流量的情况下，流过涡轮叶片的流速会大大增加，从而使涡轮的脉冲输出量增大，于是可降低启动排量和提高分辨率。
5.井下仪气密性不好
仪器起井后，发现电路板短节与流量计短节这二个独立短节上的O形密封圈没有损坏，但拆开仪器时听到了放气的声音，说明有少量气体进入到了仪器内部。针对这个问题，可以更换该O形密封圈，并增加紫铜垫以保证高压下的气密性。
6.是否需要标定二套系数
本次上井没有进行满量程的标定，在后续工作中将超临界态中的系数用于液态中进行测试，以考核测试精度。若这二种状态不能用同一套系数，则需在二种状态下分别进行满量程标定。
二氧化碳涡轮井下流量计填补了二氧化碳在井下超临状态的测量的技术空白，但技术还不太成熟，后续需进一步优化完善。