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(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　163453)

0　引　言

目前大慶油田產(chǎn)出剖面高含水測量主要以阻抗法[1]和探針法為主，測井儀以脈沖信號傳輸，耐溫、耐壓指標(biāo)和可靠性低，輸出信號過測井電纜后畸變較大，地面解碼困難；其中利用電導(dǎo)法的陣列探針儀器所使用的電導(dǎo)探針傳感器為手工制作，一致性不好、使用壽命短[2]；儀器連接及機加件固定需要配鉆，零件互換性差，組裝和維修工作量大?；陔娐吩O(shè)計和機械加工工藝水平的提高，考慮到儀器組裝、維修的便捷性以及對外技術(shù)服務(wù)，有必要研制一套新型的單芯遙測電導(dǎo)陣列探針產(chǎn)出剖面組合測井儀。

探針傳感器在垂直管道中探測油水兩相電導(dǎo)流動信號已取得很好的效果[3]，利用探針測量管道內(nèi)介質(zhì)的導(dǎo)電性，具有較好的重復(fù)性和一致性。探針法不但可以測量井下混合流體的整體含水狀況，而且通過探測信號可以估算油泡(氣泡)的大小和分布情況，通過對測井?dāng)?shù)據(jù)的分析和解釋，儀器有望應(yīng)用于部分三相流的測井中[4]，因此新研制的儀器采用探針法測量含水。新儀器對電路、機械接口、電導(dǎo)探針傳感器和集流傘進(jìn)行了重新設(shè)計。儀器電路利用單片機內(nèi)置功能替代原儀器電路上大量使用的分立元件；設(shè)計了整體封裝的電導(dǎo)探針傳感器，并委托專業(yè)廠家加工；改變集流器動作依靠電機直接連接絲杠的方式，設(shè)計多級的電機傳動機構(gòu)，使集流器的行程控制更加精準(zhǔn)。通過在電路和機械結(jié)構(gòu)上對傳統(tǒng)產(chǎn)出剖面測井儀進(jìn)行優(yōu)化，新儀器的加工工藝、耐溫、耐壓指標(biāo)和一致性比原儀器有了明顯的提升。

1　總體結(jié)構(gòu)

測井儀由電路、電路快速連接、存線倉、出液口、集流傘快速連接、流量傳感器、電導(dǎo)探針傳感器、集流傘和電機組成，如圖1所示。儀器通過位于集流傘內(nèi)部的電導(dǎo)探針傳感器與油水介質(zhì)接觸探測持水率，通過渦輪葉片轉(zhuǎn)數(shù)記錄井下流體的體積流量。測井儀在井下集流后，流體從進(jìn)液口流入，依次通過電導(dǎo)探針傳感器和流量傳感器，從出液口流出。

圖1　單芯遙測電導(dǎo)陣列探針產(chǎn)出剖面測井儀結(jié)構(gòu)

2　技術(shù)指標(biāo)

外徑：28 mm；

耐溫：150 ℃；

耐壓：50 MPa；

流量測量范圍：3～80 m3/d，±3%F.S；

含水測量范圍：50%～100%，±5%；

3　含水測量原理

電導(dǎo)陣列探針產(chǎn)出剖面測井儀采用井下集流的方式測量含水，其測量是根據(jù)油、水不同的導(dǎo)電特性，在儀器流道內(nèi)設(shè)置一組陣列探針，通過檢測探針與油水的接觸情況來進(jìn)行持水率測量。當(dāng)探針接觸到油(氣)或水時，每路探頭就會產(chǎn)生不同的輸出信號，信號輸出高電平代表油泡(或氣泡)，低電平代表水，輸出信號的寬度表明油泡(或氣泡)與探針的接觸時間[2]。

通過電路對同一測點的各路探針傳感器輸出信號進(jìn)行連續(xù)采集，計算該處探針處于水中的導(dǎo)電時間與處于油和水中的導(dǎo)電時間均值之比，即可以計算探針的局部持水率，如式(1)所示。將各探針局部持水率平均，得到平均持水率，通過模擬井建立含水率與持水率的關(guān)系圖版進(jìn)行解釋，進(jìn)而得到含水率。

(1)

4　電路設(shè)計

儀器采用三芯電纜，供電和信號傳輸在同一根纜芯上完成，集流傘供電使用三芯電纜的另外一根纜芯。電路由溫度壓力磁性定位遙測部分及流量含水測量部分組成,如圖2所示。

圖2　單芯遙測電導(dǎo)陣列探針產(chǎn)出剖面測井儀電路框圖

流量含水測量電路中，簡化了探針前端處理電路，4路探針對油泡信號的采集、計算和閾值設(shè)置均由單片機程序進(jìn)行判斷和控制。電導(dǎo)探針輸出的含水信號通過AD后與計數(shù)器輸出的渦輪信號一同進(jìn)入流量含水處理電路，如圖2(b)所示。流量含水測量電路通過串行通信與井溫壓力遙測三參數(shù)電路相連，遙測電路定時發(fā)送地址位，當(dāng)流量含水電路接收到地址后，將地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給遙測電路，兩個功能短接利用串口通信解決了流量和含水參數(shù)的數(shù)據(jù)通訊。

溫度壓力磁性定位及遙測電路利用單片機直接采集溫度、壓力和磁性定位信號，信號經(jīng)過內(nèi)置芯片的相關(guān)運算和處理后與流量和含水信號通過遙測電路內(nèi)的單片機程序控制進(jìn)行編碼，然后經(jīng)功率放大后上傳電纜，如圖2(a)所示。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計

該測井儀機械部分在選材、功能設(shè)計、加工工藝等方面進(jìn)行了大量的創(chuàng)新，新儀器充分考慮到儀器的組裝、維修和拆卸，相對于目前產(chǎn)出剖面測井儀做了以下設(shè)計。

5.1　電路短接快速連接

產(chǎn)出剖面測井儀包含渦輪、集流傘、電機等多個可動部件，儀器內(nèi)部機械部件繁多，每次下井后均需要拆卸清洗和更換集流傘。為了便于儀器的專業(yè)化維修和測量短接的攜帶，在儀器電路和密封塞之間設(shè)計了快速連接，如圖3所示。電路快速連接接口采用高溫七芯接插件，插件的公頭連接電路，母頭連接密封塞，旋轉(zhuǎn)電路板架座和密封接頭，可以將儀器電路和測量部分快速相連或分離。

圖3　電路短接快速連接

5.2　電導(dǎo)探針傳感器

電導(dǎo)探針含水測量要求探針位于集流傘內(nèi)部，原探針傳感器為手工制作，探針及支座通過頂絲固定在中心管側(cè)壁上，探針的一致性、軸向位置和截面分布位置很難保證，并且安裝時需要拆卸集流傘傘布，操作及維修極不方便。新設(shè)計的電導(dǎo)探針傳感器采用整體封裝工藝，由針尖、兩級保護(hù)套管、密封堵、信號引線及密封膠尾組成，如圖4所示。保護(hù)套嵌入密封堵內(nèi)，與針尖相連的信號引線通過兩級保護(hù)套管后，與密封膠尾連接。該探針針尖作為含水傳感器探頭，探針外殼作為信號回路。密封堵靠近針尖一側(cè)設(shè)計螺紋，在集流傘上座總成端面軸向均勻設(shè)計4個探針安裝孔，當(dāng)探針完全旋入安裝孔后，探針測量部分正對進(jìn)液口。新電導(dǎo)探針傳感器耐溫耐壓指標(biāo)高，針尖長度及安裝位置更加精準(zhǔn)，減少了由于探針自身差異及安裝位置不一致給測量帶來的誤差。

圖4　電導(dǎo)探針傳感器

5.3　集流傘驅(qū)動裝置

集流傘是產(chǎn)出剖面測井儀易損部件，為了提高集流傘驅(qū)動能力，準(zhǔn)確控制行程，避免絲杠抱死等現(xiàn)象的發(fā)生，對集流傘驅(qū)動裝置進(jìn)行了重新設(shè)計。新的驅(qū)動裝置如圖5所示，推桿和滾珠絲杠位于滾珠絲杠架內(nèi)，上下兩側(cè)為雙拉板。上下兩個拉板的右側(cè)通過凹槽掛接在滾珠絲杠中間螺母的兩端，與推桿相連的連接方塊通過頂絲固定在上下兩個拉板之間，當(dāng)電機驅(qū)動滾珠絲杠螺桿旋轉(zhuǎn)時，螺母帶動上下兩個拉板軸向移動，連接方塊通過推桿帶動集流傘下傘支座完成集流傘的開啟和閉合。該方式電機和絲杠受力均勻，集流傘工作更加可靠。

圖5　集流傘驅(qū)動裝置

6　模擬井動態(tài)實驗

該單芯遙測電導(dǎo)陣列探針產(chǎn)出剖面測井儀在油氣水三相流實驗室內(nèi)進(jìn)行了持水率測量實驗，實驗分別記錄各流量下不同含水配比時，4根探針的持水率輸出，如圖6所示。圖6(a)～(f)分別是流量在80、60、40、20、10和5 m3/d時，電導(dǎo)探針在不同含水時的持水率輸出。從對比圖可以看出，各流量測試點在含水率不同時，輸出的持水率有明顯的變化。含水越高，探針輸出的持水率越高；針對相同的油水配比，4根電導(dǎo)探針輸出值趨于一致，電導(dǎo)探針具有較好的一致性。

將圖6中各流量下4個電導(dǎo)探針的測量值平均，如表1所示。以流量為橫坐標(biāo)、平均持水率為縱坐標(biāo)，建立流量-含水解釋曲線，圖例為含水曲線，如圖7所示。從解釋曲線可以看出，當(dāng)流量高于5 m3/d、含水大于50%時，持水率測量結(jié)果與含水曲線具有很好的響應(yīng)，含水越高，持水率測量精度越高。

圖6　電導(dǎo)陣列探針不同流量下持水率輸出

流量/(m3·d-1)持水率/%5060708090557．065．878．089．097．31053．762．676．588．596．42051．559．474．285．294．84050．857．768．380．391．76048．955．767．179．991．68049．156．170．183．190．5

圖7　單芯遙測電導(dǎo)陣列探針含水解釋曲線

7　結(jié)　論

采用單芯遙測技術(shù)，解決了原測井儀過電纜解碼困難的問題；通過單片機控制簡化了電路硬件設(shè)置，增加了電路調(diào)試的靈活性。新型的儀器連接和組合形式有利于儀器的攜帶和專業(yè)化維修；整體封裝的電導(dǎo)探針傳感器提高了含水率測量的準(zhǔn)確性和儀器的使用壽命；雙拉板驅(qū)動裝置使集流傘驅(qū)動和行程控制更加可靠。動態(tài)實驗表明單芯遙測陣列探針產(chǎn)出剖面測井儀電路工作穩(wěn)定、測井時效高、探針傳感器對油泡反應(yīng)敏感，儀器電路和機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

[1] 胡金海,劉興斌,張玉輝，等. 阻抗式含水率計及其應(yīng)用[J].測井技術(shù),1999.23(增刊):511-514.

[2] 房乾,韓世林,朱海清，等.陣列探針產(chǎn)出剖面測井技術(shù)及其應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報,2013,35(12),89-92.

[3] 金寧德,鄭桂波,胡凌云.垂直上升管道中氣液兩相流電導(dǎo)波動信號的混沌特性分析[J].地球物理學(xué)報,2006,49(5): 1552-1560.

[4] 鄭華.三相流產(chǎn)出剖面測井在大慶油田適用性研究[J]. 測井技術(shù),2004,28(4): 344-347.