用于低滲透油田的溫差法高精度流量測井儀設(shè)計

劉建成,陳強,戴卓勛,屈凡,王嘉婧,張繼斌

(中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心,陜西西安710077)

0 引 言

在石油測井領(lǐng)域,注入產(chǎn)出剖面的流量大小關(guān)系到油井產(chǎn)出開采方式及注水井調(diào)剖工藝,與油田穩(wěn)產(chǎn)密切相關(guān),流量精確檢測具有重要意義。長慶油田是中國典型的低滲透油田,根據(jù)2019年中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心對油井產(chǎn)液量與含水率統(tǒng)計分析結(jié)果可知,在產(chǎn)油井中,產(chǎn)液量小于58 mL/s的井占95%以上,產(chǎn)液量小于23 mL/s的井占47%,含水率大于60%的井占61%,含水率大于90%的井占在產(chǎn)油井總數(shù)的35%?，F(xiàn)場應(yīng)用的流量測井儀主要有渦輪流量測井儀(環(huán)空集流式渦輪流量測井儀、全井眼渦輪流量測井儀、在線流量計)、氧活化測井儀、電磁流量測井儀與超聲流量測井儀。根據(jù)中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心現(xiàn)場試驗可知,渦輪流量啟動排量大于58 mL/s,渦輪受油污及雜質(zhì)顆粒影響較大,易卡死。電磁流量計在長慶區(qū)塊的應(yīng)用表明,啟動排量大于11.5 mL/s,但是流量為11.5～34.5 mL/s時,測量數(shù)據(jù)波動較大,不具備有效的分辨率。氧活化測井儀啟動排量大于116 mL/s,并且儀器尺寸較大,不便于施工。因此,傳統(tǒng)流量測井儀不能完全滿足低滲透油田注產(chǎn)剖面檢測需求[1-2]。

本文利用流體動態(tài)熱擴散原理,制作了溫差流量傳感器,設(shè)計基于多通道24 bit高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片的對稱式微信號檢測電路,克服了傳統(tǒng)流量測井儀在低流量井無法啟動的缺陷,在低滲透油田注產(chǎn)剖面流體流量檢測領(lǐng)域具有較好的推廣應(yīng)用前景。

1 檢測原理

根據(jù)流體熱擴散原理,環(huán)境平均換熱系數(shù)努塞爾數(shù)Nu可表示為

Nu=hd/Kf

(1)

式中,h為傳熱系數(shù);d為探測器直徑,m;Kf為被測量流體導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)Kramers提出的熱交換公式[3],努塞爾數(shù)Nu可表示為

Nu=0.42Pr0.2+0.57Pr0.33Re0.5

(2)

式中,Pr為普朗特常數(shù);Re為雷諾常數(shù)。結(jié)合井下管道環(huán)境,為減小儀器下井過程剮蹭磨損程度,控制遇阻風(fēng)險,使流體更好地與探測器接觸,降低對流體流形的影響,本文探測器采用圓柱形結(jié)構(gòu),傅里葉傳熱方程可表示為

Q=πLKf(0.42Pr0.2+0.57Pr0.33Re0.5)ΔT

(4)

式中,L為圓柱形傳感器的長度,m;ΔT為探測器與流體之間的溫度差。由熱傳學(xué)研究可知[4]

Pr=CpU/Kf

(5)

Re=ρvd/η

(6)

式中,Cp為流體比熱容,J/(kg·K);U為流體動力黏度,Pa·s;ρ為流體密度,kg/m3;v為流體移動速度,m/s;η為黏性系數(shù),被測流體為水時,η=1。當(dāng)探測器結(jié)構(gòu)完成設(shè)計、尺寸確定,被測量流體物理特性一定時,Kf、U、Cp為常數(shù)。

ΔT=Q/(X1+X2v1/2)

(7)

本文所述的對稱式溫差流量檢測方案基于恒定功率發(fā)熱傳感器,因此,Q為常數(shù),由式(7)可知,流速(與井下吸水剖面流量成正比)v與溫度差ΔT之間存在單調(diào)關(guān)系。隨著流體速度的增大,探測器熱量散失速度增大,溫差不斷減小。令X1=X2=1,Q=6.67 W,L=0.05 m,得到流速與溫差的關(guān)系圖(見圖1)。由圖1可知,流速越小,溫差曲線靈敏度及分辨率越高。因此,這種檢測原理能夠滿足低滲透油田注產(chǎn)剖面流體流量的測量要求,說明該方案具有可行性。

圖1 流體流速與溫差響應(yīng)關(guān)系

2 探測器設(shè)計

以探測器可實施性與流量感知性能為基礎(chǔ),減小在測井過程中對油水混合流體形態(tài)的影響,借助fluent軟件進行仿真,設(shè)計了圓柱型探測器,探測器外觀形狀見圖2。為了減小探頭的流形擾動,探頭頂部設(shè)計為錐體結(jié)構(gòu)[5-6]。探頭包括承壓外殼、2個溫度傳感器、溫度傳感器支架、電熱絲線圈、隔熱體、填充導(dǎo)熱粉等。圖2中黑色部分為隔熱體,隔熱體的作用是減小儀器對熱量的擴散,使探頭內(nèi)部電熱絲產(chǎn)生的熱量擴散僅與流體有關(guān)[7]。隔熱體可以采用系數(shù)小的材料,本文采用純度較高的PEEK材料作為隔熱體。

圖2 探測器外觀圖

不同合金材料的溫度漂移系數(shù)見表1,為了減小溫度漂移引入的誤差,探測器電熱絲采用0Cr21A16合金電熱絲。由表1可知,在200 ℃以內(nèi),0Cr21A16電熱絲溫度漂移系數(shù)為2‰,電熱絲阻值為60 Ω,加熱電源為20 V,額定功率為6.67 W,

在175 ℃的油 表1 合金溫度漂移系數(shù)

井中,阻值漂移為0.12 Ω。因此,由溫度漂移引入的誤差為(v2R1-v2R2)/(v2R1)=2‰。

3 電路實現(xiàn)

3.1 電路設(shè)計

根據(jù)溫差流量的檢測原理,設(shè)計了對稱式溫差流量計檢測電路,總體框圖見圖3。傳感器將流量轉(zhuǎn)換成2個電壓信號,通過信號采集電路將2個電壓信號數(shù)字化,主控電路按照設(shè)計好的周期讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)運算編碼后由儀器總線TBS發(fā)送給井下上位機,井下上位機就是遙測短節(jié)。

圖3 電路總體框圖

3.2 信號采集電路

信號采集電路主要由24 bit的Σ-ΔADC芯片完成,具有6通道、低噪聲、低功耗的優(yōu)點,能夠提供2路獨立的可編程恒流源,內(nèi)置片內(nèi)儀表放大器和基準(zhǔn)電壓源,可以直接輸入小信號到ADC[7]。采集電路見圖4,圖4中CS、SCLK、DIN及DOUT為芯片配置與數(shù)據(jù)讀取的SPI總線接口;IOUT1與IOUT2為恒流源輸出端,本文利用編程實現(xiàn)1 mA輸出;參考電壓VREF為2.04 V;R1與R2對稱設(shè)計,具有良好的噪聲抑制功能,R1與R2代表傳感器內(nèi)溫度傳感器204 A和204 B。傳感器內(nèi)部加熱絲以6.67 W恒定加熱到平衡狀態(tài)時,R1的阻值升高到某一固定值R1x,隨著液體流動,R1的阻值會降低到R1y,在這個過程中,R2的阻值為環(huán)境溫度值R2e保持不變,那么由流量引起的阻值變化為R1y～R2e,已知IOUT1與IOUT2輸出1 mA電流,那么流量變化值與AIN4通道差分量呈對應(yīng)關(guān)系,采集的數(shù)值通過標(biāo)定圖版查找,可以確定流量值。

圖4 采集電路示意圖

3.3 數(shù)據(jù)傳輸格式

圖5 總線數(shù)據(jù)傳輸時序圖

主控電路由TMS320F2808及外部輔助電路構(gòu)成[8],主控接收到遙傳命令后,配置并讀取模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片采集的流量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理后,按照協(xié)議格式進行編碼,通過SE_TBS端口將數(shù)據(jù)傳給調(diào)制電路,命令與上傳數(shù)據(jù)間隔320 μs。儀器總線為單芯TBS總線,該單芯總線同時承擔(dān)直流供電與數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù),為了減小信號對儀器總線直流電壓下拉帶來的影響,需要將下拉電平時間壓縮。因此,儀器總線通訊采用DDL3模式,波特率為11 458,時序見圖5。圖5中時序1讀數(shù)為00101010,有效位101010;時序2讀數(shù)為00101011,有效位101011。為了將數(shù)據(jù)與命令區(qū)分開來,下發(fā)命令格式為1000xxxx,數(shù)據(jù)格式為00xxxxxx,溫差流量數(shù)據(jù)為24 bit數(shù)據(jù),所以數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)換成4 B上傳。

3.4 數(shù)據(jù)調(diào)制電路

調(diào)制電路由CD40106、IRF430與2N4351構(gòu)成(見圖6),其中,CD40106是由6個施密特觸發(fā)器電路組成。每個電路均為在2個輸入端具有施密特觸發(fā)器功能的反相器。2N4351具有緩存保護作用。IRF430為耐高溫高壓MOS管,遙傳通過TBS總線下發(fā)的命令,經(jīng)過C70后,濾掉直流電源,信號經(jīng)過上拉與整形后,由N1將5 V電平轉(zhuǎn)換為3.3 V,觸發(fā)主控外部中斷,完成命令接收。由主控發(fā)出的數(shù)據(jù),通過N2后上拉為5 V,再經(jīng)過CD40106與電容去毛刺整形,數(shù)據(jù)通過N3的G級,在總線TBS上產(chǎn)生下拉負電平,完成數(shù)據(jù)調(diào)制。

4 實驗驗證

在配套機械完成加工后,進行了樣機組裝調(diào)試,為驗證基于溫差的流量測井儀的性能,進行樣本試驗。本次實驗利用小型兩相流測試裝置STI-001A完成,實驗過程保持50 ℃恒溫,為了減小誤差,每次調(diào)節(jié)完流量值后,大概需要等待5 min(實驗室溫度為25 ℃)。實驗裝置流量達到穩(wěn)定且傳感器熱交換平衡后,采集記錄數(shù)據(jù),流量從0逐漸增大到575 mL/s,再由575 mL/s減小到0,實驗數(shù)據(jù)曲線見圖7。

圖7 溫差與流速的響應(yīng)關(guān)系圖

試驗約持續(xù)5 h,在這個持續(xù)工作的過程中溫差流量測井儀工作穩(wěn)定。由流量遞增與遞減采集的數(shù)據(jù)可知,最大誤差出現(xiàn)在15.2 mL/s時,誤差值為375 Hz,誤差小于1%。由圖7可知,儀器具有較好的重復(fù)性。實驗中,流量為115～230 mL/s時,以23 mL/s為間隔,相鄰兩點之間計數(shù)率最小差值為322 Hz;流量為57.5～103.5 mL/s時,以11.5 mL/s為間隔,相鄰兩點之間計數(shù)率最小差值為427 Hz;流量為17.3 ～51.8 mL/s時,以5.75 mL/s為間隔,相鄰兩點之間計數(shù)率最小差值為521 Hz;流量為15.2 mL/s與17.3 mL/s之間計數(shù)率差值為615 Hz;流量為0與15.2 mL/s之間計數(shù)率差值為1 018 Hz。由此可見,本文設(shè)計的恒功率溫差法流量測井儀在低流量環(huán)境中具有較高的分辨率,適用于低滲透油田流量檢測。

5 結(jié) 論

(1)提出了將熱擴散原理運用于低滲透產(chǎn)液剖面流量檢測方法,證明了利用溫差原理檢測流量的可行性。

(2)設(shè)計了探測器、對稱式檢測電路與調(diào)制電路,完成了樣機的組裝調(diào)試,借助于流量試驗裝置開展儀器性能測試實驗。實驗結(jié)果表明,基于溫差的流量檢測方法在低流量時具有高精度、高靈敏度的優(yōu)點,不受啟動排量的限制,彌補了傳統(tǒng)流量測井儀具有高啟動排量的不足,為基于管柱的分層管測控與水平井產(chǎn)液剖面成像測井奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。