煤層氣含氣量測(cè)定儀的研制

王玉杰，徐喜慶，鄒昊辰，何　山

（1.中國(guó)石油大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712；2.中國(guó)石油大慶油田采油六廠，黑龍江大慶163114；3.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南250101）

·石油與鉆掘工程·

煤層氣含氣量測(cè)定儀的研制

王玉杰*1，徐喜慶1，鄒昊辰2，何山3

（1.中國(guó)石油大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712；2.中國(guó)石油大慶油田采油六廠，黑龍江大慶163114；3.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南250101）

煤層氣含氣量測(cè)定儀主要由3部分組成，包括氣體體積檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，有磁致伸縮液位傳感器檢測(cè)液位變化，具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)線性范圍寬、檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、計(jì)算和存儲(chǔ)等功能，提高了煤層氣含氣量檢測(cè)工作的效率和質(zhì)量。

煤層氣；氣含量；磁致伸縮液位計(jì)；液位檢測(cè)

煤層氣含氣量分析是評(píng)價(jià)煤層氣儲(chǔ)層的重要參數(shù)，目前，國(guó)內(nèi)的煤層氣含氣量測(cè)定方法主要執(zhí)行《GB/T 19559-2008煤層氣含氣量測(cè)定方法》，該方法測(cè)定的煤層氣含氣量數(shù)據(jù)由3部分組成，即損失氣量、自然解吸氣量、殘余氣量。自然解吸氣量和殘余氣量可以通過實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得，殘余氣量通過自然解吸數(shù)據(jù)模擬計(jì)算求得，因此，自然解吸氣量的檢測(cè)精度直接且較大地影響煤層氣含氣量的檢測(cè)精度。

目前，煤層氣氣含量計(jì)量裝置多為精度為5mL或10mL的1000mL以上容量的量管，該量管的好處在于，煤層氣含氣量較大時(shí)，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，累計(jì)誤差小，但同時(shí)也存在量管精度低造成的檢測(cè)精度低、誤差大等缺點(diǎn)，特別是在檢測(cè)殘余氣量和低煤階煤層氣含氣量時(shí)，由于含氣量可能較少，檢測(cè)誤差較大，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的改進(jìn)措施往往是改用精度高、量程小的量管，但是人工讀數(shù)產(chǎn)生的誤差仍然稍大。

采用量管計(jì)量煤層氣含氣量體積的方法，需要人工讀數(shù)、記錄，再錄入計(jì)算機(jī)，擬合計(jì)算損失氣量，勞動(dòng)強(qiáng)度大，過程繁瑣，容易發(fā)生錯(cuò)誤讀數(shù)、錯(cuò)誤記錄等問題，且不容易溯源糾正。

因此，亟需一種檢測(cè)精度高，系統(tǒng)誤差小，檢測(cè)線性范圍寬，并且具備一定自動(dòng)化程度的煤層氣含氣量檢測(cè)裝置。

1　煤層氣含量測(cè)定儀設(shè)計(jì)

1.1工作原理與結(jié)構(gòu)

煤層氣含氣量測(cè)定儀的主要工作原理是基于U形管原理的排水取氣計(jì)量法，通過精確測(cè)量氣體采集前后的液位高差，計(jì)算得出氣體體積。煤層氣含氣量測(cè)定儀主要由3部分組成，包括氣體體積檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具體包括：量管、液位管、儲(chǔ)水箱、液位傳感器、帶嵌入式組態(tài)軟件的觸屏顯示屏及其他附屬部件等，如圖1所示。

圖1　煤層氣含氣量測(cè)定儀結(jié)構(gòu)

1.1.1體積測(cè)量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

煤層氣含氣量測(cè)定儀的體積測(cè)量系統(tǒng)是由量管、液位管和儲(chǔ)水箱組成，三者通過連接管路在底部連接。使用時(shí)，先將量管內(nèi)注滿水，使量管和液位管內(nèi)的液位高差為零，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄此時(shí)的液位讀數(shù)；采集一定量的煤層氣氣體后，再通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)水箱內(nèi)的水量，使量管和液位管的液位高差為零，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再次記錄此時(shí)的液位讀數(shù)。

圖2　磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要部件為磁致伸縮液位傳感器，其由測(cè)桿、磁致伸縮線、可移動(dòng)浮子等組成，如圖2所示。傳感器工作時(shí)，電路部分將在波導(dǎo)絲上激勵(lì)出脈沖電流，該電流沿波導(dǎo)絲傳播時(shí)會(huì)在波導(dǎo)絲的周圍產(chǎn)生脈沖電磁場(chǎng)。在傳感器測(cè)桿外配有一浮子，此浮子可沿測(cè)桿隨液位的變化而上下浮動(dòng)。在浮子內(nèi)部有一組永久磁環(huán)。當(dāng)脈沖電流磁場(chǎng)與浮子產(chǎn)生的磁環(huán)磁場(chǎng)相遇時(shí)，浮子周圍的磁場(chǎng)發(fā)生改變從而使得由磁致伸縮材料做成的波導(dǎo)絲在浮子所在的位置產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)波脈沖，這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回由檢出機(jī)構(gòu)檢出。通過測(cè)量脈沖電流和扭轉(zhuǎn)波的時(shí)間差可以精確地確定浮子所在的位置。

1.1.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

煤層氣含氣量測(cè)定儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是主要采用了帶嵌入式組態(tài)軟件的觸屏顯示屏，軟件是在嵌入式組態(tài)軟件上二次開發(fā)而來，分為通訊組件、按鈕動(dòng)作組件、數(shù)據(jù)記錄組件、數(shù)據(jù)處理組件、數(shù)據(jù)導(dǎo)出組件。

可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算、存儲(chǔ)功能，并設(shè)有USB數(shù)據(jù)接口，可以將存儲(chǔ)的檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

1.2檢測(cè)精確度與誤差

煤層氣含氣量測(cè)定儀的測(cè)量精度主要取決于磁致伸縮液位傳感器的線性誤差。本儀器采用的磁致伸縮液位傳感器的線性誤差不大于0.05%FS，重復(fù)性偏差不大于0.002%FS。量管的體積和橫截面積經(jīng)計(jì)量單位準(zhǔn)確標(biāo)定后，經(jīng)計(jì)算，煤層氣含氣量測(cè)定儀的儀器誤差不大于0.36mL、重復(fù)性偏差不大于0.015mL。

2　結(jié)束語

通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)量標(biāo)定，煤層氣含氣量測(cè)定儀測(cè)定煤層氣含氣量具有檢測(cè)準(zhǔn)確度高、精密度高，使用方便，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并且在煤層氣含氣量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作中發(fā)揮了積極的作用，提高了檢測(cè)工效和檢測(cè)質(zhì)量。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T19559-2008煤層氣含氣量測(cè)定方法[S].

[2]淮文博.高精度液位測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010,30（4）：36-38.

[3]李宗方.磁質(zhì)伸縮液位計(jì)在測(cè)量液位中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2013（7）：86-92.

TE15

A

1004-5716(2016)11-0015-02

2015-12-16

2015-12-23

中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”（2012E-2603-06）。

王玉杰（1983-），男（漢族），黑龍江依安人，工程師，現(xiàn)從事油氣水巖和煤層氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法開發(fā)和應(yīng)用研究工作。