代平之

（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

自20世紀(jì)80年代地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油技術(shù)出現(xiàn)以來[1]，螺桿泵采油技術(shù)憑借其液流平穩(wěn)和容積泵效率高的特點(diǎn)在國內(nèi)外得到了長足發(fā)展，僅大慶油田就達(dá)到了 3000多口在產(chǎn)井[2]，哈薩克斯坦阿克套地區(qū)更是達(dá)到了上萬口的應(yīng)用規(guī)模。為了監(jiān)測這些井在生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，包括地層伽瑪值，井底的溫度、壓力，流體的流量、含水率（含氣率）、密度等，進(jìn)而通過對這些參數(shù)的分析可以獲知油井的生產(chǎn)狀況，確定下一步需采取的處理措施，就要對螺桿泵的產(chǎn)液剖面進(jìn)行測井。但由于受到螺桿泵抽油機(jī)井井下工藝和地面驅(qū)動(dòng)裝置的限制，常規(guī)的過環(huán)空產(chǎn)液剖面測井儀不能通過測井通道，因此需要研制一種能夠滿足螺桿泵井測試要求的新型儀器。

1 螺桿泵井采油技術(shù)簡介

螺桿泵地面設(shè)備由驅(qū)動(dòng)裝置、測試閘門和偏心井口組成（見圖1）。驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力通過抽油桿傳遞給螺桿泵，帶動(dòng)螺桿泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，完成舉升功能。井下由油管旋轉(zhuǎn)器、油管扶偏器、螺桿泵、篩管、扶正引鞋和油管錨組成。

圖1 螺桿泵井測試工藝示意圖

由于驅(qū)動(dòng)裝置的減速箱位于井口正上方，遮擋了偏心測試閘門，因此測試閘門與垂直方向呈 12o傾角。為開展測試工作，設(shè)計(jì)了可傾斜防噴裝置，其上端與偏心井口相連。測井儀器由偏心井口進(jìn)入井下環(huán)形空間，需要通過油管扶偏器側(cè)面的測試通道，由扶正引鞋進(jìn)入測試地層。由于上述限制，測井儀器長度須≤80 cm，儀器直徑須≤25 mm，才能保證儀器的起下順利進(jìn)行。

2 整串儀器的技術(shù)指標(biāo)及方案

2.1 儀器的技術(shù)指標(biāo)

儀器外徑24 mm；最高工作溫度150℃；最高工作壓力60 MPa；流量測量范圍1～80 m3/d；含水率測量范圍0%～100%；含水率測量精度±3%；伽瑪精度十秒統(tǒng)計(jì)起伏≤±7%；溫度測量精度±0.1℃；壓力測量精度10 PSI；單節(jié)儀器剛性長度不大于800 mm；布傘大小7 in(1 in=25.4 mm)。

2.2 儀器技術(shù)方案

螺桿泵測井儀器要求能夠在7 in套管中測井，實(shí)現(xiàn)對油井的深度、溫度、壓力、伽瑪、持水率和流量的測量。設(shè)計(jì)時(shí)，整串儀器采用合理的參數(shù)分配，中間采用柔性短節(jié)連接的方式，因此整串儀器主要分為以下部分實(shí)現(xiàn)（見圖2）：與地面通信的遙測短節(jié)（WTC）作為一支儀器，溫度壓力磁定位設(shè)計(jì)在一支儀器短節(jié)上，伽瑪作為一支短節(jié)，含水和流量的信號(hào)處理電路作為一個(gè)短節(jié)，含水流量的傳感器和集流布傘設(shè)計(jì)時(shí)采用一支儀器，但布傘的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用柔性的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以算作兩個(gè)短節(jié)，各個(gè)功能儀器之間采用單芯柔性短節(jié)或者多芯柔性短節(jié)連接，組成一串儀器。

圖2 整串儀器結(jié)構(gòu)示意圖

3 傘式含水流量儀的設(shè)計(jì)

傘式含水流量儀是用于油井產(chǎn)液剖面的測井儀器，主要測產(chǎn)出井某一特定層位流體的流量和持水率，從而確定該地層的產(chǎn)液情況。其工作原理如下：傘式含水流量儀主要由傘儀和含水流量儀組成，傘儀的作用是將井筒中一個(gè)較大直徑的流量集流到一個(gè)較小的直徑中，用以提高流體的流速，并能將流體的成分混合均勻，然后流體流經(jīng)含水流量儀，通過流量傳感器和含水傳感器測出流體的流量及含水率，形成井下測試報(bào)告。

3.1 傘式含水流量儀的設(shè)計(jì)概述

目前，環(huán)空生產(chǎn)測井的儀器直徑主要在21～26 mm之間，為了保證儀器的穩(wěn)定性及測量精度，直徑越小，相對于大直徑的儀器來說，其長度可能更長些。如瑞利公司生產(chǎn)的 24Y-F1型傘式含水流量儀，儀器總長將近2 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到螺桿泵測井儀器下井的要求。因此，使用常規(guī)儀器無法實(shí)現(xiàn)螺桿泵測井，設(shè)計(jì)時(shí)需將單節(jié)儀器的長度縮短。經(jīng)過分析及實(shí)驗(yàn)，最后決定采用的設(shè)計(jì)方案為：電機(jī)傳動(dòng)組件為一節(jié)單節(jié)儀器，然后經(jīng)過柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)布傘頭的打開和閉合，再通過快速對接接口接含水流量的傳感器部分，經(jīng)過初步信號(hào)處理后，通過多芯柔性短節(jié)將測得的信號(hào)送到含水流量傳感器電子線路短節(jié)進(jìn)行處理并上傳（如圖 3所示）。設(shè)計(jì)過程中受到儀器直徑和長度的限制，儀器設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要集中在傳感器組件及快速接口、柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傘頭傘筋長度的確定和多芯柔性短節(jié)等。下文分別論述。

圖3 傘式含水流量儀的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 傳感器組件設(shè)計(jì)

含水流量傳感器組件與布傘的對接接口采用新型傘式流量儀快速連接接口，此接口可以在保證儀器承受高溫高壓的情況下，減少對流體流道的影響，降低傘的漏失量，從而大大降低儀器的啟動(dòng)排量；而且新接口的應(yīng)用，使儀器對接脫離了對眼睛的依賴，把對接成功率提高到 100%。流量傳感器也采用新型外拉式渦輪結(jié)構(gòu)，可以很方便地進(jìn)行渦輪的維護(hù)與更換。含水傳感器在不影響儀器分辨率的情況下適當(dāng)縮短并相應(yīng)增粗。為了克服含水信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸性能弱和準(zhǔn)確性低的缺點(diǎn)，含水傳感器芯棒尾部直接做成插針結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)將其直接連接信號(hào)預(yù)處理板并固定在四芯滑環(huán)上，然后裝配到與其他儀器對接的接頭當(dāng)中。

3.3 柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)傳動(dòng)組件、柔性推拉桿組件和彎曲機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。電機(jī)傳動(dòng)組件主要是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，可以采用絲杠實(shí)現(xiàn)，位置定位采用限位開關(guān)。

柔性推拉桿組件兩頭用6 mm的不銹鋼管，中間用3 mm不銹鋼管焊接。這樣兩頭可以加工螺紋且可以作為密封面，中間一段可以看作是一個(gè)具有柔性的管子，實(shí)現(xiàn)小角度的彎曲，同時(shí)又可以傳遞拉力且具有一定的抗高壓能力。在整個(gè)儀器的設(shè)計(jì)過程中，中間連接桿部位雖為一薄弱環(huán)節(jié)，但通過計(jì)算校核，可知3 mm不銹鋼管能夠承受185 kgf，而在儀器中其所受最大力在30 kgf～40 kgf之間，因此能夠滿足要求。

為了保證儀器的柔性，在電機(jī)傳動(dòng)組件和布傘頭之間采用了彎曲機(jī)構(gòu)，彎曲機(jī)構(gòu)采用十字聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)思路，兩基體之間采用粗銷連接受力，為了拆裝方便，銷與基體之間采用更細(xì)的垂直于粗銷的過盈配合的細(xì)銷進(jìn)行固定，這樣可以使儀器在需要彎曲的情況下向各個(gè)方向擺動(dòng)，但最大擺動(dòng)角度不大于 15o。為了保證彎曲時(shí)中間柔性管的彎曲和拆裝的方便，彎曲機(jī)構(gòu)中心采用中空設(shè)計(jì)。

3.4 布傘頭傘筋長度設(shè)計(jì)

布傘頭的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是布傘頭傘筋長度的選擇。在保證傘筋不產(chǎn)生塑性變形的情況下，傘筋長度越長，電機(jī)在布傘開啟時(shí)的行程就越短，液體導(dǎo)流效果越好，反之行程就越大，導(dǎo)流效果就越差。由于儀器的單節(jié)長度不能大于80 cm，因此綜合上述考慮，通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究，最后選定傘筋的長度小于350 mm，布傘完全打開推拉桿組件行程40 mm左右時(shí)，能夠滿足打開7 in布傘的要求。

3.5 四芯柔性短節(jié)的設(shè)計(jì)

由于儀器的含水流量傳感器組件及其信號(hào)處理電路的總長度大于80 cm，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要分成兩個(gè)短節(jié)來設(shè)計(jì)。為了保證含水流量傳感器和含水流量電子線路之間的信號(hào)傳遞以及增加儀器的柔性，因此設(shè)計(jì)了四芯柔性短節(jié)（單芯水密插針、彈簧測試插針和滑環(huán)組合的方式。即一端采用滑環(huán)，另一端采用彈簧測試針的組件，中間用球頭轉(zhuǎn)動(dòng)，過線用單芯水密插針）。如圖4所示。

圖4 四芯柔性短節(jié)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)，傘式含水流量儀的單節(jié)長度縮短到了80 cm以下，滿足了螺桿泵生產(chǎn)井特殊井況的測井要求。經(jīng)過北京華油油氣技術(shù)有限公司在哈薩克斯坦阿克套油區(qū)的使用，取得了良好的測井效果，為螺桿泵環(huán)空測井提供了裝備及技術(shù)保障。

[1] 殷宜平, 吳壯坤, 顧文忠. 螺桿泵采油工藝技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 斷塊油氣田, 2006,3(1).

[2] 房乾, 李凱峰, 于向江. 螺桿泵井產(chǎn)出剖面測井儀的研制與應(yīng)用[J]. 測井技術(shù), 2009, 33(6).