摘要：由于井下1000米的二氧化碳处于超临界状态，流态极为不稳定，常规流量计无法做到准确测量。目前国内外尚无专用于二氧化碳的井下流量计。
我们改进水井井下超声波流量计、研制二氧化碳热式井下流量计和二氧化碳涡轮井下流量计，通过地面测试和现场试验，得出二氧化碳涡轮井下流量计是适用测量井下超临界态的二氧化碳流量的流量计。
关键字：二氧化碳 临界状态 超声波 热式流量计 涡轮流量计
井下1000米的二氧化碳处于超临界状态，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。计量体积流量无法准确得知实际的注入量是二氧化碳井下流量计量的难点，在目前国内外尚无专用于二氧化碳的井下流量计。
一、对比超声波测试试验，设计测试方案
目前矿场应用成熟的流量测试技术有超声波式、电磁式、涡轮式、热式等技术。在二氧化碳注入井条件下的二氧化碳处于超临界状态，存在气泡，致使超声波测试不准确；二氧化碳不导电，电磁式不适用。
根据超临界态二氧化碳的特性，改进井下超声波流量测试仪器。
对水井井下超声波流量计从以下三个方面进行设计改进：
（1）增加仪器放大倍数：对声波信号的放大倍数增大到2～12倍。
（2）调整采样启动时间：超声波在超临界态CO2中的传播速度（压力16MPa、温度35度时的声速约为500m/s）小于在水中的传播速度（1400m/s～1500m/s），设置采样启动时间调整范围为0～10000us，实时调整采样启动时间。
（3）增加短波形提取：调整采样启动时间，增加提取采样波形。
在濮1-312井CO2注气井下测试，井口注气压力15.4MPa，地面配注40方/天，井深2400米，注入层位2200米～2370米，在500米、1300米停留测试，波形如图1。
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图1 500米和1300米流量波形
仪器下放到500米停留测试，没有有效波形，在延迟情况下有少量波形，幅值在140mV～1400mV间波动；仪器下放到1300米停留测试，测得井底压力为27.55MPa，温度为33.95℃，调整延迟，未测到有效波形。
对比测试实验结论：超临界态及液态二氧化碳对声波信号的吸收、散射太强，造成接收到的声波信号太弱，采用超声波原理测试二氧化碳井下流量是不可行的。
二、二氧化碳热式井下流量计的研制
二氧化碳热式井下流量计采用热扩散原理，将两个温度传感器置于介质中，一个加热至高于环境温度，另一个感应介质温度。
流量传感器由紧贴在传感器外壁内的加热器及感温元件组成，加热器布置在中央，将管壁外的流体加热。
两个感温晶体对称分布在加热器两边，测量与加热器对称的上、下游处管壁的温度。加热器提供恒定的功率，通过加热器处的管壁、流体边界层传导热量给管壁外流体。
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图2 管壁上的温度分布图
在流量为零时，管壁上的温度分布如图2中的虚线所示，相对于管壁中心的上、下游是对称的；当流体流动时，流体将上游的部分热量带给下游，导致温度分布变化如实线所示。由两感温晶体的平均温差ΔT （ΔT=T2-T1） ，便可按下式导出质量流量qm,即：
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A ——感温元件周围环境热交换系统间的热传导系数；
cp——被测流体的定压比热容（在井下不同注入层位，由于压力和温度的变化，则cp也是变化的，但可由当前压力温度值通过查表得出）；
K ——仪表系数。
利用流动的二氧化碳与热源之间热量交换来测量流量，气体分子流动时从热源处带走热量的多少与气体的流速、流量、气体分子的多少成正比关系。
加工仪器样机在水介质中进行了全量程试验，并在二氧化碳注入井进行了模拟测试。
地面实验：水介质、压力1.2MPa、温度50℃。
实验步骤：将仪器放入水井流量计标定流程；分别按流量20方/天、40方/天、60方/天、80方/天、100方/天、150方/天、200方/天、250方/天、300方/天进行了测试，见图4。
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图3 水介质实验情况曲线
从图3中可以看出，流量计在水介质中的标定小流量的稳定性、分辨率和响应速度都有显示，但原始输出频率与流量不成正比，大流量时的分辨率较差、小流量时稳定性较差，达不到工程应用要求。
现场二氧化碳注入井测试试验：濮1-90井
a、测试条件：深度200米，压力4MPa，温度-6℃。
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图4 濮1-90井井下200米液态CO2介质下和1200米超临界态CO2介质下的测试情况
从图4可看出，虽然能分辨出不同的流量，但是受环境温度的影响，仪器测试数据稳定性差。因此，热式流量计不适用。
三、二氧化碳涡轮井下流量计的研制
涡轮流量测试仪器是一种利用置于流体中的叶轮感应流体平均速度的流量计。叶轮上的永磁材料可检测出与流量成正比的叶轮转速，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。井下超临界态二氧化碳测试的直读式流量计，通过电缆输送，井口直读，全井眼测试，工作压力小于60MPa，工作温度小于125℃，测试介质为液态和超临界态二氧化碳，在2 7/8″油管中的启动排量不大于5方/天。
二氧化碳流量计量通过PC软件把体积流量换算成相应点的质量流量，首先计算出测点的体积流量和测点密度，再测量段内不同深度点的质量流量。
在中原油田卫42-1井，二氧化碳涡轮井下流量计进行了上井测试，深度1350米，最大压力约30MPa，最在温度约40℃，测试的质量流量、压力、温度、体积流量等曲线图如图5所示。
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图5 下井全过程测试曲线
从图5中可以看出，压力和温度曲线均随深度增加而单调递增，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。由此得出，二氧化碳涡轮井下流量计适用井下超临界态二氧化碳流量测试。
从二氧化碳井下超声波流量计、二氧化碳热式井下流量计和二氧化碳涡轮井下流量计的测试和现场应用情况对比可以看出，只有二氧化碳涡轮井下流量计适用井下超临界态二氧化碳流量测试。