環(huán)空找水儀流量測(cè)量可靠性設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

張志剛

大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司

采用環(huán)空找水儀[1]進(jìn)行流量測(cè)量最常用的是渦輪流量計(jì)[2],采用集流傘集流[3].在產(chǎn)出剖面[4]流量測(cè)量時(shí),由于井內(nèi)產(chǎn)出液和井壁的情況復(fù)雜,環(huán)空找水儀流量測(cè)量時(shí)渦輪流量計(jì)的渦輪經(jīng)常發(fā)生被卡住和轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活的現(xiàn)象,當(dāng)渦輪卡住時(shí)通常采用壓電纜方式解決,其效果有限,而且渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活的現(xiàn)象很難消除,而儀器在起下過(guò)程中由于貼靠井壁行進(jìn),傘布磨損造成集流效果降低.以上情況嚴(yán)重影響施工的進(jìn)度和流量測(cè)量準(zhǔn)確度.

1 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理

環(huán)空找水儀采用渦輪流量計(jì)測(cè)量產(chǎn)出井的產(chǎn)量,液流通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),由渦輪軸上的磁鋼傳遞渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)信息.渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其軸上磁鋼的N、S極輪流接近霍爾傳感器,通過(guò)計(jì)量霍爾傳感器輸出的脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量流量的大小.渦輪流量計(jì)主要由渦輪[5]、霍爾傳感器[6]、渦輪安裝架和渦輪軸頂針等組成.

環(huán)空找水儀采用集流傘式集流,通過(guò)地面供正電和負(fù)電控制集流傘的打開(kāi)與收回,密封儀器與套管的環(huán)形空間使井筒內(nèi)的流體全部流經(jīng)儀器內(nèi)部,從而進(jìn)行產(chǎn)出剖面各層段流量的測(cè)量[7].

2 渦輪流量計(jì)卡滯原因分析

對(duì)出現(xiàn)渦輪卡滯現(xiàn)象的環(huán)空找水儀進(jìn)行維修發(fā)現(xiàn),渦輪流量計(jì)內(nèi)通常有砂粒、井壁結(jié)垢碎片、鐵銹等雜物,偶爾會(huì)有絲狀物(圖1、圖2).

圖1 渦輪磁鋼上的鐵銹、井壁碎屑Fig.1 Rustand well wall debris on turbine magnetic steel

圖2 儀器內(nèi)的砂粒Fig.2 Sand particles in the instrument

通過(guò)對(duì)大量的有卡滯現(xiàn)象的渦輪流量計(jì)進(jìn)行維修發(fā)現(xiàn),砂粒、井壁結(jié)垢碎片和鐵銹等雜物在渦輪流量計(jì)內(nèi)的分布是有規(guī)律的,較大的井壁結(jié)垢碎片在渦輪葉片上部;較大的砂粒在渦輪葉片中間;鐵銹附著在渦輪軸的磁鋼上.圖3是造成渦輪流量計(jì)卡滯的不同雜物在渦輪流量計(jì)內(nèi)的位置分布示意圖.

(1)井壁結(jié)垢碎片在渦輪葉片上部的原因.井壁上的結(jié)垢碎片(灰白色的鈣質(zhì)沉積物)一般較大(片狀,不規(guī)則),大多在渦輪葉片上面.分析認(rèn)為儀器下井時(shí)刮擦井壁,井壁上的結(jié)垢被刮下來(lái),有些碎屑從儀器較寬闊的上出液口掉入到內(nèi)流道,較大的垢塊落到渦輪葉片上部,較小的會(huì)落到渦輪葉片內(nèi),卡住渦輪葉片使渦輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng).

圖3 造成渦輪卡滯雜物分布示意圖Fig.3 Distribution diagram of sundries causing turbagram hysteresis

(2)較大砂粒在渦輪葉片中間出現(xiàn)的原因.對(duì)出砂嚴(yán)重的產(chǎn)出井使用過(guò)的儀器維修時(shí)發(fā)現(xiàn),渦輪葉片和外殼之間夾有較大砂粒(粒狀,不規(guī)則).分析認(rèn)為砂粒隨油井產(chǎn)液從進(jìn)液口進(jìn)入到儀器內(nèi)流道,液流通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)較大砂粒會(huì)卡在渦輪葉片和外殼之間導(dǎo)致渦輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng);另一種情況是井液中的砂粒通過(guò)了渦輪,儀器收傘后,在內(nèi)流道中存留的井液中的砂粒會(huì)沉積在渦輪葉片上,較大砂粒也會(huì)卡住渦輪.

(3)渦輪磁鋼上附著鐵銹的原因.每次維修環(huán)空找水儀渦輪流量計(jì)時(shí),都會(huì)發(fā)現(xiàn)渦輪磁鋼上有鐵銹(粉狀)吸附.分析認(rèn)為產(chǎn)出液中的鐵銹大多是由于儀器在井下移動(dòng)時(shí)由井壁摩擦下來(lái)而懸浮在井液中的,當(dāng)液流通過(guò)渦輪流量計(jì)時(shí)鐵銹會(huì)被渦輪上的磁鋼吸附,在磁鋼的兩個(gè)磁極處形成團(tuán)狀,增大了渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力,當(dāng)銹粉團(tuán)大到與霍爾傳感器相刮時(shí)就會(huì)遲滯渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),流量較低時(shí)會(huì)卡住渦輪.

3 集流傘布破損原因分析

通過(guò)對(duì)環(huán)空找水儀測(cè)量過(guò)程分析,集流傘破損主要集中在測(cè)量過(guò)程中,當(dāng)完成第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)收傘時(shí),井下產(chǎn)液向上流動(dòng)的沖擊始終使傘布受到向外的張力,致使集流傘收完后傘布夾在傘筋之間并突出于傘筋之外(圖4).由于油井套管管柱都有一定的傾斜度且儀器本身還帶有磁性定位短接,致使在更換測(cè)點(diǎn)過(guò)程中儀器貼在井壁上移動(dòng),以及套管內(nèi)壁長(zhǎng)年的腐蝕變得粗糙和射孔孔眼突出的毛刺等原因,傘布極容易被磨損、掛破或移位(圖5),導(dǎo)致集流傘的集流度嚴(yán)重下降,從而影響測(cè)量結(jié)果的可靠性和一致性.

圖4 集流傘布突出于傘筋之外的照片F(xiàn)ig.4 Picture of the umbrella cloth protruding out of the umbrella bars

圖5 集流傘布被井壁磨損和被刮變形Fig.5 Picture of the umbrella cloth being worn out by well wall and deformed by being shaved

4 解決對(duì)策

4.1 對(duì)流量計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)

(1)上出液口設(shè)計(jì)成篩管狀,防止結(jié)垢碎片掉落到儀器內(nèi)流道內(nèi).考慮改進(jìn)后的出液口的過(guò)流阻力應(yīng)不大于原儀器出液口的流動(dòng)阻力,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要不低于原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,維修拆卸組裝方便等因素,將出液口設(shè)計(jì)成篩管型,防止井壁結(jié)垢碎屑掉入儀器內(nèi)流道,從而解決因結(jié)垢碎片掉落儀器內(nèi)流道造成的渦輪卡住問(wèn)題.

原出液口尺寸為10 mmX14.2 mm(3個(gè)),總面積426 mm2,根據(jù)工程流體力學(xué)原理[8]計(jì)算有效流動(dòng)面積為260 mm2.篩管型出液口(9個(gè))設(shè)計(jì)總面積904 mm2,根據(jù)工程流體力學(xué)原理計(jì)算有效流動(dòng)面積為615 mm2,遠(yuǎn)大于原出液口有效流動(dòng)面積,所以流動(dòng)阻力更小.

(2)在進(jìn)液口內(nèi)設(shè)置篩網(wǎng)阻止井液中較大的砂粒進(jìn)入內(nèi)流道.考慮到儀器中心管外有取樣密封筒且直徑不能加大,維修時(shí)拆卸組裝方便等因素,在進(jìn)液口內(nèi)部放置筒狀篩網(wǎng).篩網(wǎng)網(wǎng)眼大小既能阻止井液中較大的砂粒進(jìn)入內(nèi)流道,又不會(huì)造成渦輪卡住的較小砂粒通過(guò)篩網(wǎng),避免因篩網(wǎng)過(guò)細(xì)而產(chǎn)生的大量砂粒濾積在篩網(wǎng)上,造成流動(dòng)阻力增大影響流量測(cè)量的問(wèn)題.

由于聚合物驅(qū)[9]和三元驅(qū)[10]產(chǎn)出井中有絮狀或團(tuán)狀凝塊,會(huì)貼附在篩網(wǎng)上堵塞進(jìn)液口,所以?xún)x器進(jìn)液口加篩網(wǎng)后不適用于聚合物驅(qū)和三元驅(qū)產(chǎn)出剖面的流量測(cè)量.

在儀器維修時(shí)觀察到砂粒直徑為0.2~3.2 mm,大于1 mm的砂粒為極少數(shù).渦輪與渦輪安裝筒間隙為1 mm,所以砂粒直徑小于1 mm時(shí)不會(huì)卡住渦輪.Ф 28 mm環(huán)空儀內(nèi)流道直徑為18 mm,面積254 mm2.進(jìn)液口尺寸為8 mmX20 mm(6個(gè)),總面積960 mm2,根據(jù)工程流體力學(xué)計(jì)算有效流動(dòng)面積為586 mm2.為了盡量減小進(jìn)液口的流動(dòng)阻力,選用網(wǎng)眼小于1 mm的18X18篩網(wǎng),網(wǎng)眼尺寸為0.98 mmX0.98 mm,鋼絲直徑0.432 mm.增加18X 18篩網(wǎng)后,6個(gè)進(jìn)液口的網(wǎng)眼數(shù)量為420個(gè),總面積403 mm2,根據(jù)工程流體力學(xué)原理計(jì)算有效流動(dòng)面積為395 mm2,為環(huán)空儀內(nèi)流道面積的1.55倍.圖6是環(huán)空找水儀進(jìn)液口及筒狀防砂篩網(wǎng)照片.

圖6 環(huán)空找水儀進(jìn)液口及筒狀防砂篩網(wǎng)Fig.6 Liquid inlet of annular air water detector and cylindrical sand screen

(3)在渦輪上、下設(shè)置磁性環(huán)預(yù)先吸附井液中的鐵銹.在渦輪流量計(jì)的內(nèi)流道中設(shè)計(jì)放置有片狀磁鐵的磁鐵環(huán),渦輪流量計(jì)上方放置單層的磁鐵環(huán),吸附從出液口進(jìn)入的鐵銹;渦輪流量計(jì)下方放置雙層的磁鐵環(huán),吸附從進(jìn)液口隨井液進(jìn)入的鐵銹.設(shè)置的上、下磁鐵環(huán)預(yù)先吸附了鐵銹,可防止鐵銹被渦輪磁鋼吸附.

單層磁鐵環(huán)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7,設(shè)計(jì)有6個(gè)片狀磁鐵,朝向內(nèi)流道的磁鐵N、S極間隔放置來(lái)增強(qiáng)吸附鐵銹的效果.雙層磁鐵環(huán)的每層磁鐵的排列方式與單層磁鐵環(huán)相同,渦輪下面采用雙層磁鐵環(huán)設(shè)計(jì)是為了更有效地吸附在內(nèi)流道內(nèi)流動(dòng)井液中的鐵銹.

圖7 單層磁鐵環(huán)設(shè)計(jì)截面7Fig.7 Design section of single-layer magnet ring

4.2 設(shè)計(jì)可控式扶正器

如果設(shè)計(jì)一種扶正器在起下過(guò)程中保護(hù)集流傘不被磨損,保證集流傘集流度一致,就可以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性.

扶正器在使用時(shí),當(dāng)儀器下到第一點(diǎn)準(zhǔn)備測(cè)量時(shí),首先打開(kāi)集流傘,在儀器變換測(cè)量點(diǎn)時(shí),正常收回集流傘,扶正器一直保持打開(kāi)狀態(tài),直到測(cè)完所有測(cè)點(diǎn)后收攏打開(kāi)的扶正器.這樣在更換測(cè)點(diǎn)過(guò)程中,即使儀器收傘時(shí)傘布突出至傘筋外,扶正器可以防止突出至傘筋外的集流傘布與不光滑的井壁的摩擦,有效地保護(hù)集流傘布.所以要設(shè)計(jì)一個(gè)可以獨(dú)立控制的扶正器[8].

(1)可控式扶正器的工作原理.扶正器連在集流傘電動(dòng)機(jī)的下部,使用時(shí),當(dāng)儀器下到第一點(diǎn)準(zhǔn)備測(cè)量時(shí)供電電壓到50 V打開(kāi)集流傘,集流傘電動(dòng)機(jī)電流回零表示集流傘完全打開(kāi).增加供電電壓到70 V打開(kāi)扶正器,當(dāng)扶正器電動(dòng)機(jī)電流回零時(shí)表示扶正器完全打開(kāi),扶正器打開(kāi)直徑為120 mm,起到在套管內(nèi)將儀器扶正作用.

更換測(cè)點(diǎn)時(shí)供電電壓到-50 V收回集流傘,集流傘電動(dòng)機(jī)電流回零后表示集流傘完全收回,可以更換測(cè)點(diǎn),測(cè)量過(guò)程中不收回扶正器.當(dāng)供電電壓增加到-70 V時(shí)收回扶正器,扶正器電動(dòng)機(jī)供電電流回零表示扶正器完全收回.

(2)扶正器電動(dòng)機(jī)電路示意圖及原理.扶正器短節(jié)的研制重點(diǎn)主要在扶正器電動(dòng)機(jī)[12]電壓的控制,要做到在不影響集流傘正常打開(kāi)、收回前提下控制扶正器的打開(kāi)和收回.圖8為扶正器電動(dòng)機(jī)的控制電路[13]示意圖.

圖8 扶正器控制電路示意圖Fig.8 Sketch map of centralizer control circuit

為了維修和更換方便,扶正器設(shè)計(jì)成單獨(dú)短節(jié),方便與環(huán)空儀器連接.連接扶正器后的環(huán)空找水儀纜芯用于儀器工作供電和傳輸含水、流量信號(hào),纜芯2與集流傘、扶正器連接.

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

設(shè)計(jì)的環(huán)空找水儀可避免儀器起下過(guò)程中井壁上的鐵銹、結(jié)垢碎片及地層出砂對(duì)渦輪葉片的卡滯作用,確保集流傘在測(cè)量過(guò)程中的完好,保證測(cè)量結(jié)果的可靠性和一致性,提高了施工一次成功率.

2018年5月17日在南2-丁6-XXX井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中,為驗(yàn)證扶正器對(duì)集流傘的保護(hù)效果,在全井測(cè)量結(jié)束后,收回扶正器再進(jìn)行全井復(fù)測(cè),將測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(表1).

表1 使用扶正器和未使用扶正器測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of measured results with and without centralizer

表2 使用扶正器后環(huán)空找水儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Field measurement data of annular water detector after using centralizer

從測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在收回扶正器后測(cè)量第二點(diǎn)流量明顯下降,含水率也變化較大,之后的測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)果偏差也都較大,可以判斷儀器的集流傘已經(jīng)被刮破.

2018年5月21日在南8-丁4-XXX井對(duì)使用扶正器的環(huán)空找水儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,為了檢驗(yàn)扶正器對(duì)集流傘的保護(hù)效果,對(duì)該井進(jìn)行了全井復(fù)測(cè)(表2).從測(cè)量結(jié)果可以看出,復(fù)測(cè)點(diǎn)的流量與含水率都與第一次的測(cè)量結(jié)果吻合,證明扶正器對(duì)提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很好的效果,也證明了環(huán)空找水儀加入扶正器是有必要的.

通過(guò)20余井次的試驗(yàn)應(yīng)用,沒(méi)有發(fā)生過(guò)集流傘刮破的現(xiàn)象,證明扶正器對(duì)提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要作用.

6 結(jié)論

(1)改進(jìn)后的環(huán)空找水儀在水驅(qū)產(chǎn)出剖面流量測(cè)量時(shí)能有效防止渦輪流量計(jì)卡滯現(xiàn)象的發(fā)生,從而提高施工實(shí)效和流量測(cè)量的準(zhǔn)確性.

(2)在流量測(cè)量過(guò)程中可控式扶正器可有效保護(hù)集流傘,避免集流傘在起下過(guò)程中被刮壞,提高流量測(cè)量的可靠性和施工一次成功率.

(3)可控式扶正器電路簡(jiǎn)單,控制可靠,操作簡(jiǎn)單,檢修方便,易于推廣使用.

(4)按本研究設(shè)計(jì)改進(jìn)后的環(huán)空找水儀不適用于聚合物驅(qū)和三元驅(qū)產(chǎn)出剖面的測(cè)量.