皮球集流式阻抗找水儀的改進(jìn)

姜海巖

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163712)

0 引 言

過環(huán)空找水測試自推廣以來，為抽油機(jī)井管理、檢泵及對(duì)注采井網(wǎng)調(diào)整，對(duì)竄槽及高含水層封堵和低滲透層壓裂改造，都提供了可靠的依據(jù)。同時(shí)對(duì)目前研究表外儲(chǔ)層產(chǎn)能和含水情況，以及油層動(dòng)態(tài)情況都是不可缺少的資料。隨著地質(zhì)開發(fā)地不斷深入、精細(xì)，對(duì)產(chǎn)液剖面測試有了新的更高的要求。目前，環(huán)空產(chǎn)出剖面測井儀主要是阻抗式找水儀，阻抗式找水儀有傘集流和皮球集流兩種方式。采用傘集流式阻抗式找水儀進(jìn)行流量和含水率的測量時(shí)，測量過程中存在液體漏失現(xiàn)象，對(duì)低產(chǎn)液井測量誤差偏大，在低流量下無法準(zhǔn)確測量流量和含水值，導(dǎo)致測井資料的解釋精度不高[1]。皮球集流式阻抗式找水儀在實(shí)際測試中，表現(xiàn)為低流量測試靈敏度高、測量準(zhǔn)確，在低產(chǎn)液井中具有傘集流式阻抗式找水儀無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

皮球集流式阻抗找水儀下井過程中皮球是直接與油管外壁、套管內(nèi)壁接觸，粗糙的井壁和井下接箍、工具等容易把皮球磨破或是磨薄，在皮球集流過程中也會(huì)因?yàn)槠で蜃儽』蚣鲿r(shí)間過長導(dǎo)致皮球被打爆。儀器下到井下時(shí)由于一些井出沙嚴(yán)重渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難造成沙卡，導(dǎo)致測井成功率低。為此，對(duì)皮球集流式阻抗找水儀進(jìn)行了改進(jìn)，解決了實(shí)際問題，提高測井成功率和測試精度。

1 皮球集流式阻抗找水儀的組成及原理

皮球集流式阻抗找水儀主要由電磁泵、泄壓閥、皮球、阻抗探頭、線路筒、渦輪總成等幾部分組成。

儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

電磁泵，由圓柱形電磁鐵和活塞泵構(gòu)成，當(dāng)供半波整流50Hz電流時(shí)，電磁鐵大幅度振動(dòng)并帶動(dòng)活塞泵往返工作。測井時(shí)電磁振動(dòng)泵將井內(nèi)的流體注到皮球集流器內(nèi)，使皮球脹起并集流，膨脹的皮球能與套管很好地密封，使井內(nèi)流體全部通過找水儀的中心管道，流體流經(jīng)渦輪時(shí)，渦輪帶動(dòng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，流過渦輪的流量大小與渦輪轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。傳感器檢測出渦輪的轉(zhuǎn)速，經(jīng)整形電路整形放大后形成與渦輪轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，經(jīng)電纜輸送到地面，可通過脈沖信號(hào)的頻率求得流體的體積流量[2]。當(dāng)流體從傳感器內(nèi)流過時(shí)，給傳感器的發(fā)射電極供電，通過測量電極檢測到與混相時(shí)含水率對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，電路將此電壓信號(hào)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，輸出到地面并與取樣時(shí)測量的全水值相對(duì)比求出井液的含水率[3]。資料錄取完成后經(jīng)泄壓閥泄壓后，皮球收攏時(shí)縮到儀器的外徑大小，保證井下儀器順利起下。

2 皮球集流式阻抗找水儀的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)設(shè)想

在皮球材質(zhì)的選擇上選用高彈性硫化橡膠添加抗老化劑、耐磨劑、耐油成分等加工而成的皮球。修改寶石座，降低渦輪質(zhì)量，相當(dāng)于減小了摩擦阻力。改變渦輪的尺寸，使渦輪與渦輪架空隙變小，解決渦輪容易沙卡的問題。減小含水傳感器電極筒內(nèi)徑，增加低流量在電極筒內(nèi)的流速，使啟動(dòng)排量降低，以提高皮球集流式阻抗找水儀測試的精度。

2.2 含水傳感器改進(jìn)

傳感器壁上按一定距離排列3個(gè)圓環(huán)不銹鋼電極，3個(gè)電極環(huán)同軸縱向排列，最上面的電極環(huán)作為激勵(lì)電極，下面一對(duì)電極環(huán)作為測量電極。

傳感器的改進(jìn)：

1)電極筒內(nèi)徑由原來的Φ19改為Φ14，增加了低流量時(shí)流體在電極筒內(nèi)的流速，使渦輪總成啟動(dòng)排量從原來的2 m3/d降到了0.5 m3/d左右。提高含水測試精度。

2)電極環(huán)由原來的圓圈型改為圓圈加十字網(wǎng)，由于圓圈型電極環(huán)緊貼電極筒壁，此處流量幾乎為零，而油水混合液體的流速在電極筒的中心位置最高，并且中心位置混合的最好，因此加有十字網(wǎng)的電極環(huán)測試效果會(huì)好于圓圈型電極環(huán)。

改造前后含水標(biāo)定曲線如圖2、圖3所示。

圖2 改造前含水標(biāo)定曲線

圖3 改造后的含水標(biāo)定曲線

從圖1和圖2含水標(biāo)定曲線可以看出，電極筒及電極環(huán)的改變，帶來了含水標(biāo)定曲線的巨大變化。改造前低流量時(shí)含水測試結(jié)果偏高，低含水測試數(shù)據(jù)波動(dòng)大，高低含水曲線形態(tài)不一致，50%和60%含水曲線基本重合。改造后低流量時(shí)含水測試結(jié)果偏低，各含水曲線形態(tài)基本一致，2 m3/d含水曲線標(biāo)定很順利，各含水曲線波動(dòng)不大，非常平穩(wěn)，并且各含水曲線沒有交叉現(xiàn)象。

2.2 皮球材質(zhì)改進(jìn)

由于需要在油井中施工，皮球材質(zhì)必須耐油、彈性好、耐摩擦、抗老化。對(duì)聚氨酯橡膠皮球、異戊橡膠皮球、氯丁橡膠皮球、硫化橡膠皮球等加工而成的皮球，在室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行耐磨、彈性、耐熱性、拉伸性等方面進(jìn)行試驗(yàn)，硫化橡膠具有不變黏，不易折斷等特質(zhì)，具有較高的彈性、耐熱性、拉伸強(qiáng)度和在有機(jī)溶劑中的不溶解性等特點(diǎn)。所以皮球材質(zhì)最終定型為由高彈性硫化橡膠添加抗老化劑、耐磨劑、耐油成分等加工而成，皮球的壁厚由過去的2.0 mm增加到3.0 mm，與以前的皮球相比彈性、韌性、抗裂性都有很大的提高。

皮球的外胎加設(shè)了涂乳膠的尼龍絲織品，防止皮球在下井過程中被磨破，并起到耐壓保護(hù)皮球的作用。改進(jìn)后的皮球解決了下井過程中與井壁摩擦和集流過程中打爆的問題。

新舊皮球壁厚和彈性系數(shù)對(duì)比見表1。

表1 皮球壁厚和彈性系數(shù)對(duì)比表

2.3 渦輪改進(jìn)

皮球集流式阻抗找水儀流量測量采用渦輪流量計(jì)(霍爾元件)檢測方式。運(yùn)動(dòng)流體流經(jīng)渦輪時(shí)，渦輪帶動(dòng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，由于流過渦輪的流量大小與渦輪轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，霍爾元件構(gòu)成的傳感器檢測出渦輪的轉(zhuǎn)速，經(jīng)整形電路整形放大之后形成與渦輪轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，經(jīng)電纜輸送到地面，可通過脈沖信號(hào)的頻率求出流體的體積流量。

渦輪受到的外力矩由兩部分組成，一部分是流體作用于渦輪的力矩，另一部分是阻力矩。阻力矩是由流體的粘性摩擦力矩、寶石軸承的摩擦力矩及電磁阻力之和，阻力力矩和流體作用于渦輪的傷的力矩是相反的，當(dāng)后者大于前者時(shí)，渦輪開始旋轉(zhuǎn)[3]。想要降低渦輪啟動(dòng)排量就要想辦法減小阻力距，由于流體的粘性摩擦力無法改變，所以通過修改寶石座降低了渦輪質(zhì)量，相當(dāng)于減小摩擦阻力；修改渦輪架內(nèi)徑、渦輪葉片外徑，使渦輪與渦輪架之間的空隙由原來的1 mm降低到0.6 mm，使渦輪沙卡的概率大大降低。

另外在泵的進(jìn)液孔和流量測試進(jìn)液孔都安裝了篩網(wǎng)，可大大減少井內(nèi)出砂和雜質(zhì)對(duì)測試的影響。

改造前后渦輪內(nèi)外徑和寶石支架的對(duì)比見表2。

表2 改造前后渦輪內(nèi)外徑和寶石支架對(duì)比

改進(jìn)前后流量標(biāo)定對(duì)比曲線如圖4所示。

圖4中藍(lán)色和粉色曲線分別為原皮球集流式阻抗找水儀的流量標(biāo)定曲線和改后的皮球集流式阻抗找水儀流量標(biāo)定曲線。

圖4 改進(jìn)前后流量標(biāo)定曲線對(duì)比

根據(jù)標(biāo)定曲線可以得出它們的線性關(guān)系式：Q=K×F+B,Q為流量，K為斜率，F(xiàn)為頻率，B為截距。測量出的頻率數(shù)值可以根據(jù)公式計(jì)算出流量數(shù)值。

改后的皮球集流式阻抗找水儀，由于渦輪的質(zhì)量和電極筒內(nèi)徑的改變，流量達(dá)到0.5 m3/d時(shí)渦輪就開始轉(zhuǎn)動(dòng)。而改進(jìn)前的皮球集流式阻抗找水儀的渦輪在流量達(dá)到2 m3/d后才開始轉(zhuǎn)動(dòng)。可以看出改后的皮球集流式阻抗找水儀在低產(chǎn)液井中測試的精度要高于改進(jìn)前的皮球集流式阻抗找水儀。

3 改進(jìn)前后皮球集流式阻抗找水儀對(duì)比試驗(yàn)

將改進(jìn)前與改進(jìn)后的皮球集流式阻抗找水儀，放入柴油桶內(nèi)，進(jìn)行集流實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 皮球集流對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：原皮球集流器集流直徑達(dá)125 mm時(shí)，用時(shí)2 min 45 s。 改后的皮球集流式阻抗找水儀，防雨綢布外胎的直徑有效限制了皮球的膨脹，起到了防爆作用，實(shí)現(xiàn)了全集流，其良好的彈性和伸縮性，縮短了皮球集流時(shí)間，皮球集流直徑達(dá)125 mm時(shí)，用時(shí)1 min 43 s，集流速度提高了38.2%。

4 結(jié)束語

1)改制后的皮球增強(qiáng)了彈性、伸縮性，保證了集流速度，防雨綢布的外胎起到了防止皮球打爆的效果，且具有更強(qiáng)的耐磨性、抗拉性。

2)通過對(duì)影響流量下限因素的分析，電極筒內(nèi)徑由原來的Φ19改為Φ14，增加了低流量在電極筒內(nèi)的流速，流量下限降至0.5 m3/d，保證了低產(chǎn)液井的測量精度。

3)通過修改渦輪架內(nèi)徑、渦輪葉片外徑，使渦輪與渦輪架之間的空隙降到0.6 mm，使渦輪沙卡的概率大大降低。