一種基于毛細(xì)管法的注入剖面井下流體粘度測(cè)量方法*

房 乾，于向江，張 宇，張先華，蔡 兵，李盼福，張靖唯

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163311)

0 引 言

大慶油田三次采油廣泛使用聚合物驅(qū)油技術(shù),聚合物粘度與驅(qū)油效率密切相關(guān)[1-2]，對(duì)油田提高采收率具有重要的意義[3]。目前采油廠獲取生產(chǎn)井井下流體粘度數(shù)據(jù)主要通過(guò)井口量油和流體取樣，然后對(duì)樣品進(jìn)行地面化驗(yàn)[4]，結(jié)合地表壓力和儲(chǔ)層溫度，由關(guān)聯(lián)式修正計(jì)算獲得流體粘度。由于聚合物在高濃度時(shí)具有高彈性[5],屬于非牛頓流體,粘度受井下流速、溫度、壓力、礦化度等條件影響，地面化驗(yàn)計(jì)算的粘度很難與地層符合，并且取樣法粘度測(cè)量點(diǎn)數(shù)受取樣罐數(shù)量限制，開展井下多層粘度測(cè)量非常困難。如果能夠在儲(chǔ)層條件下直接測(cè)量井下流體，不失為準(zhǔn)確獲得流體粘度的一種理想方法。目前地面粘度測(cè)量主要有毛細(xì)管法、落球法和旋轉(zhuǎn)柱體法[6],本文介紹一種基于毛細(xì)管法的可應(yīng)用于注入剖面井下流體粘度的測(cè)量方法。

1 測(cè)量原理

根據(jù)泊松定律，液體在一定的壓力梯度下通過(guò)毛細(xì)管所需時(shí)間正比于層流液體的粘度，在毛細(xì)管長(zhǎng)度和直徑確定的情況下，通過(guò)測(cè)量液體流速和液體經(jīng)過(guò)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓差即可算出液體粘度。當(dāng)毛細(xì)管水平放置情況下[7],可以去除液體高度差對(duì)測(cè)量的影響,修正后液體粘度的計(jì)算公式如式(1)[8]所示。

(1)

式中，η為流體粘度，mPa·s;R為毛細(xì)管內(nèi)半徑，mm;Δp為毛細(xì)管兩端壓差，MPa;L為毛細(xì)管長(zhǎng)度，mm;Q為通過(guò)流量,mm3/s。

2 儀器構(gòu)成及工作原理

研制的毛細(xì)管粘度組合測(cè)井儀由上至下依次是遙測(cè)四參數(shù)、粘度計(jì)和扶正器。其中遙測(cè)四參數(shù)負(fù)責(zé)完成井下溫度、壓力、伽馬和磁性定位參數(shù)的測(cè)量；粘度計(jì)由電路、毛細(xì)管、溫度傳感器、壓力傳感器、吸液腔、活塞及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；扶正器連接在組合儀器的最下方，確保儀器在注入井內(nèi)居中。

毛細(xì)管法井下流體粘度測(cè)量是利用活塞式吸液機(jī)構(gòu)，將待測(cè)流體混合液吸入到吸液腔內(nèi)，使用內(nèi)置的壓力傳感器測(cè)量腔體初始?jí)毫?，然后控制活塞桿及活塞反向勻速運(yùn)動(dòng)，將待測(cè)液體從吸液腔另一端的毛細(xì)管勻速推出，記錄噴射壓力，由兩次測(cè)量結(jié)果計(jì)算壓差，再根據(jù)公式(1)計(jì)算流體粘度。由于溫度是影響粘度測(cè)量的重要因素[9],在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，使用溫度傳感器監(jiān)測(cè)吸液腔內(nèi)的流體溫度，以對(duì)測(cè)量粘度進(jìn)行校正。活塞式吸液機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-活塞桿;2-活塞;3-吸液腔;4-溫度傳感器;5-毛細(xì)管;6-壓力傳感器圖1 活塞式吸液機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 電路設(shè)計(jì)

粘度組合測(cè)井儀采用單芯電纜供電，儀器電路由遙測(cè)電路和粘度測(cè)量電路兩部分構(gòu)成，如圖2所示。遙測(cè)電路定時(shí)發(fā)送地址位，粘度電路接收地址后，將地址對(duì)應(yīng)的粘度和內(nèi)溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給遙測(cè)電路，與遙測(cè)四參數(shù)信號(hào)一同以曼碼的形式上傳。在粘度測(cè)量電路中設(shè)計(jì)電壓控制和識(shí)別電路，儀器供負(fù)向電時(shí)，吸液腔內(nèi)活塞處于吸液狀態(tài)；供正向電時(shí)，遙測(cè)短接與粘度測(cè)量電路同時(shí)工作，當(dāng)電壓超過(guò)設(shè)定的門限后，吸液腔驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由穩(wěn)壓電路模塊控制電機(jī)供電電壓穩(wěn)定，以保證液體噴射速度恒定。

圖2 粘度計(jì)電路工作原理框圖

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

粘度計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲杠、密封短接、單向活塞、吸液腔、溫度傳感器、壓力傳感器和毛細(xì)管等組成，如圖3所示。粘度測(cè)量過(guò)程中，如果毛細(xì)管內(nèi)壁不光滑，液體在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受到阻力會(huì)發(fā)生變化[10]，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，為此選用304標(biāo)準(zhǔn)成品無(wú)縫鋼管作為毛細(xì)管。

1-電機(jī)外筒；2-電機(jī)；3-絲杠；4-活塞桿；5-O型圈；6-密封短接；7-單向活塞；8-吸液腔；9-密封堵；10-溫度傳感器；11-毛細(xì)管；12-限位擋塊；13-進(jìn)液口；14-單向閥；15-壓力傳感器圖3 粘度測(cè)量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

4.2 單向吸液活塞的設(shè)計(jì)

粘度測(cè)量時(shí)，吸液腔內(nèi)要求液體單向移動(dòng)，因此設(shè)計(jì)了單向吸液活塞，如圖4所示。

1-吸液腔；2-活塞桿；3-主活塞；4-副活塞；5-O型圈圖4 單向吸液活塞示意圖

單向吸液活塞由兩個(gè)不同外徑的主活塞和副活塞組成，中間凹槽內(nèi)安裝O型圈。主活塞位于左側(cè)，截面偏??；副活塞位于右側(cè)，截面偏大，徑向位置沿圓周設(shè)計(jì)了一組陣列流道。測(cè)量粘度時(shí)，利用活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和井下壓力實(shí)現(xiàn)流體的單向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞在活塞桿的帶動(dòng)下向左移動(dòng)時(shí)，活塞凹槽上的O型圈在與吸液腔內(nèi)壁的摩擦力的作用下，與副活塞左側(cè)靠緊，由于活塞向左移動(dòng)，右側(cè)吸液腔體積增大，壓強(qiáng)減小，流體通過(guò)主活塞左側(cè)外沿與副活塞O型圈徑向內(nèi)部的陣列流道流入；當(dāng)活塞向右移動(dòng)時(shí)，同樣在摩擦力的作用下，O型圈與主活塞右側(cè)貼合，阻斷了活塞右側(cè)的環(huán)形陣列流道，吸液腔完全密封，此時(shí)繼續(xù)推動(dòng)活塞，將吸液腔內(nèi)的液體全部從毛細(xì)管推出，以減少殘余液體對(duì)后續(xù)粘度測(cè)量的影響[11]。液體噴射過(guò)程中，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速均勻，保證毛細(xì)管流體噴射速度恒定。

4.3 吸液腔工作過(guò)程

給儀器驅(qū)動(dòng)電路供負(fù)電，使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，將井下混合流體通過(guò)單向活塞吸入吸液腔內(nèi)。此時(shí)吸液腔內(nèi)外連通，通過(guò)安裝在腔體內(nèi)的壓力傳感器測(cè)量毛細(xì)管的初始?jí)毫?，然后利用電機(jī)帶動(dòng)絲杠、活塞桿和活塞將混合液從毛細(xì)管推出，在液體噴射過(guò)程中，測(cè)量吸液腔的噴射壓力。不同混合液體粘度不同，液體由毛細(xì)管噴射的阻力亦不相同，由于液體在圓柱形吸液腔內(nèi)，活塞橫截面、毛細(xì)管長(zhǎng)度及內(nèi)徑尺寸已經(jīng)確定，毛細(xì)管兩端的壓差可以通過(guò)兩次測(cè)壓獲得。

5 技術(shù)指標(biāo)

粘度計(jì)樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 粘度計(jì)樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)

6 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

6.1 實(shí)驗(yàn)條件

由毛細(xì)管法測(cè)量粘度原理可知，在一定的溫度下，粘度的測(cè)量結(jié)果只與毛細(xì)管壓力梯度和液體噴射速度有關(guān)。在粘度計(jì)吸液腔結(jié)構(gòu)和毛細(xì)管內(nèi)徑確定的情況下，通過(guò)噴射時(shí)間和壓力變化曲線即可以反映粘度計(jì)的壓力梯度和液體噴射速度。為此，在室內(nèi)配制了水和濃度為100～1 000 mg/L的10種聚合物溶液(聚丙烯酰胺)，配比見表2。

表2 清水及10種聚合物溶液配比

6.2 實(shí)驗(yàn)分析

6.2.1 噴射速度

毛細(xì)管法粘度測(cè)量要求不同粘度的聚合物溶液由毛細(xì)管噴射速度應(yīng)該恒定，為了驗(yàn)證噴射速度，在表2中選擇4種不同濃度的聚合物溶液作為測(cè)量對(duì)象。通過(guò)測(cè)試軟件記錄清水的2次噴射時(shí)間為71 s，4種實(shí)驗(yàn)溶液的平均噴射時(shí)間為73 s、70.5 s、73 s和74 s。毛細(xì)管測(cè)量聚合物與清水時(shí)相差最大為3 s，誤差在4%以內(nèi)。數(shù)據(jù)見表3，清水和4種溶液噴射時(shí)間對(duì)比如圖5所示。

表3 清水及4種聚合物溶液噴射時(shí)間 s

圖5 清水和4種聚合物噴射時(shí)間對(duì)比

6.2.2 壓力梯度

影響粘度測(cè)量的另一個(gè)因素是壓力梯度，實(shí)驗(yàn)中從測(cè)量曲線可以觀察到從毛細(xì)管噴射開始到截止時(shí)壓力梯度的變化。清水和10種不同濃度的聚合物測(cè)量對(duì)應(yīng)的平均壓力梯度在0.13 MPa～0.44MPa之間，儀器對(duì)不同粘度溶液有明顯的分辨效果，粘度與壓力梯度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4示。

表4 清水及10種聚合物溶液粘度與壓力梯度

清水和10種聚合物溶液對(duì)應(yīng)的壓力梯度與標(biāo)準(zhǔn)粘度關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，溶液粘度在30 mPa·s以下時(shí)，對(duì)應(yīng)的粘度與壓力梯度呈線性關(guān)系；粘度在30～45 mPa·s之間時(shí)，隨著溶液粘度的增加，壓力梯度增速減緩，高粘度流體粘度與壓力梯度關(guān)系需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于已經(jīng)完成的清水與10組聚合物溶液，壓力梯度測(cè)量結(jié)果總體呈單調(diào)增加。圖7為其中聚合物粘度為9.6 mPa·s(濃度400 mg/L)和 27 mPa·s(濃度800 mg/L)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力梯度曲線。

圖6 聚合物粘度與壓力梯度關(guān)系曲線

圖7 溶液壓力梯度曲線

7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證粘度計(jì)測(cè)量效果，2019年7月在大慶油田采油X廠XX井進(jìn)行了樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)。圖8和圖9分別為粘度計(jì)在井下600 m和940 m 的兩次測(cè)量結(jié)果。

圖8 600 m粘度測(cè)量曲線

圖9 940 m粘度測(cè)量曲線

從曲線可以看出，600 m時(shí)，吸液后壓力為15.98 MPa，噴射時(shí)壓力為16.36 MPa，壓力梯度為0.38 MPa；940 m時(shí)，吸液后壓力為19.1 MPa，噴射時(shí)壓力為19.5 MPa，壓力梯度為0.4 MPa。2個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)井下背景壓力不同，噴射時(shí)間相同，壓力梯度變化明顯。由壓力梯度與粘度關(guān)系曲線可以看出，940 m處井下流體粘度相對(duì)偏高。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明毛細(xì)管粘度計(jì)可以在井下恒速噴射，針對(duì)不同井液，壓力梯度有比較明顯的變化。

8 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)毛細(xì)管法井下流體粘度測(cè)量方法的研究，得出以下結(jié)論：

1)毛細(xì)管法粘度測(cè)量適合于聚合物流體，該方法可以應(yīng)用于注入剖面井下流體粘度的測(cè)量。

2)設(shè)計(jì)的毛細(xì)管井下流體粘度測(cè)井儀機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路可以完成對(duì)流體吸入和噴射的控制與測(cè)量。

3)毛細(xì)管粘度測(cè)量方法針對(duì)清水和10種不同濃度聚合物，其測(cè)量曲線有明顯的差異。對(duì)于中低粘度聚合物，測(cè)量結(jié)果符合線性關(guān)系；針對(duì)中高粘度流體，應(yīng)建立非線性解釋圖版。

4)粘度測(cè)井儀針對(duì)測(cè)量對(duì)象可以多次重復(fù)，測(cè)量效率較高。

5)針對(duì)溫度影響以及高粘度測(cè)量對(duì)象需要進(jìn)一步開展研究工作。