張志剛

大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司

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

1 渦輪流量計結(jié)構(gòu)及工作原理

環(huán)空找水儀采用渦輪流量計測量產(chǎn)出井的產(chǎn)量,液流通過渦輪流量計時推動渦輪旋轉(zhuǎn),由渦輪軸上的磁鋼傳遞渦輪轉(zhuǎn)動信息.渦輪轉(zhuǎn)動時其軸上磁鋼的N、S極輪流接近霍爾傳感器,通過計量霍爾傳感器輸出的脈沖計數(shù)測量流量的大小.渦輪流量計主要由渦輪[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,通過地面供正電和負電控制集流傘的打開與收回,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,從而進行產(chǎn)出剖面各層段流量的測量[7].

2 渦輪流量計卡滯原因分析

對出現(xiàn)渦輪卡滯現(xiàn)象的環(huán)空找水儀進行維修發(fā)現(xiàn),渦輪流量計內(nèi)通常有砂粒、井壁結(jié)垢碎片、鐵銹等雜物,偶爾會有絲狀物(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

通過對大量的有卡滯現(xiàn)象的渦輪流量計進行維修發(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是造成渦輪流量計卡滯的不同雜物在渦輪流量計內(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.分析認為儀器下井時刮擦井壁,井壁上的結(jié)垢被刮下來,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,較小的會落到渦輪葉片內(nèi),卡住渦輪葉片使渦輪無法轉(zhuǎn)動.

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.對出砂嚴重的產(chǎn)出井使用過的儀器維修時發(fā)現(xiàn),渦輪葉片和外殼之間夾有較大砂粒(粒狀,不規(guī)則).分析認為砂粒隨油井產(chǎn)液從進液口進入到儀器內(nèi)流道,液流通過渦輪流量計時較大砂粒會卡在渦輪葉片和外殼之間導(dǎo)致渦輪無法轉(zhuǎn)動;另一種情況是井液中的砂粒通過了渦輪,儀器收傘后,在內(nèi)流道中存留的井液中的砂粒會沉積在渦輪葉片上,較大砂粒也會卡住渦輪.

(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時,都會發(fā)現(xiàn)渦輪磁鋼上有鐵銹(粉狀)吸附.分析認為產(chǎn)出液中的鐵銹大多是由于儀器在井下移動時由井壁摩擦下來而懸浮在井液中的,當液流通過渦輪流量計時鐵銹會被渦輪上的磁鋼吸附,在磁鋼的兩個磁極處形成團狀,增大了渦輪的轉(zhuǎn)動阻力,當銹粉團大到與霍爾傳感器相刮時就會遲滯渦輪轉(zhuǎn)動,流量較低時會卡住渦輪.

3 集流傘布破損原因分析

通過對環(huán)空找水儀測量過程分析,集流傘破損主要集中在測量過程中,當完成第一個測量點收傘時,井下產(chǎn)液向上流動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,致使在更換測點過程中儀器貼在井壁上移動,以及套管內(nèi)壁長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重下降,從而影響測量結(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 解決對策

4.1 對流量計結(jié)構(gòu)進行改進

(1)上出液口設(shè)計成篩管狀,防止結(jié)垢碎片掉落到儀器內(nèi)流道內(nèi).考慮改進后的出液口的過流阻力應(yīng)不大于原儀器出液口的流動阻力,結(jié)構(gòu)強度要不低于原結(jié)構(gòu)強度,維修拆卸組裝方便等因素,將出液口設(shè)計成篩管型,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題.

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

(2)在進液口內(nèi)設(shè)置篩網(wǎng)阻止井液中較大的砂粒進入內(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,維修時拆卸組裝方便等因素,在進液口內(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入內(nèi)流道,又不會造成渦輪卡住的較小砂粒通過篩網(wǎng),避免因篩網(wǎng)過細而產(chǎn)生的大量砂粒濾積在篩網(wǎng)上,造成流動阻力增大影響流量測量的問題.

由于聚合物驅(qū)[9]和三元驅(qū)[10]產(chǎn)出井中有絮狀或團狀凝塊,會貼附在篩網(wǎng)上堵塞進液口,所以儀器進液口加篩網(wǎng)后不適用于聚合物驅(qū)和三元驅(qū)產(chǎn)出剖面的流量測量.

在儀器維修時觀察到砂粒直徑為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時不會卡住渦輪.Ф 28 mm環(huán)空儀內(nèi)流道直徑為18 mm,面積254 mm2.進液口尺寸為8 mmX20 mm(6個),總面積960 mm2,根據(jù)工程流體力學(xué)計算有效流動面積為586 mm2.為了盡量減小進液口的流動阻力,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個進液口的網(wǎng)眼數(shù)量為420個,總面積403 mm2,根據(jù)工程流體力學(xué)原理計算有效流動面積為395 mm2,為環(huán)空儀內(nèi)流道面積的1.55倍.圖6是環(huán)空找水儀進液口及筒狀防砂篩網(wǎng)照片.

圖6 環(huán)空找水儀進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.在渦輪流量計的內(nèi)流道中設(shè)計放置有片狀磁鐵的磁鐵環(huán),渦輪流量計上方放置單層的磁鐵環(huán),吸附從出液口進入的鐵銹;渦輪流量計下方放置雙層的磁鐵環(huán),吸附從進液口隨井液進入的鐵銹.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)計見圖7,設(shè)計有6個片狀磁鐵,朝向內(nèi)流道的磁鐵N、S極間隔放置來增強吸附鐵銹的效果.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)計是為了更有效地吸附在內(nèi)流道內(nèi)流動井液中的鐵銹.

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

4.2 設(shè)計可控式扶正器

如果設(shè)計一種扶正器在起下過程中保護集流傘不被磨損,保證集流傘集流度一致,就可以保證測量結(jié)果的準確性和可靠性.

扶正器在使用時,當儀器下到第一點準備測量時,首先打開集流傘,在儀器變換測量點時,正常收回集流傘,扶正器一直保持打開狀態(tài),直到測完所有測點后收攏打開的扶正器.這樣在更換測點過程中,即使儀器收傘時傘布突出至傘筋外,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,有效地保護集流傘布.所以要設(shè)計一個可以獨立控制的扶正器[8].

(1)可控式扶正器的工作原理.扶正器連在集流傘電動機的下部,使用時,當儀器下到第一點準備測量時供電電壓到50 V打開集流傘,集流傘電動機電流回零表示集流傘完全打開.增加供電電壓到70 V打開扶正器,當扶正器電動機電流回零時表示扶正器完全打開,扶正器打開直徑為120 mm,起到在套管內(nèi)將儀器扶正作用.

更換測點時供電電壓到-50 V收回集流傘,集流傘電動機電流回零后表示集流傘完全收回,可以更換測點,測量過程中不收回扶正器.當供電電壓增加到-70 V時收回扶正器,扶正器電動機供電電流回零表示扶正器完全收回.

(2)扶正器電動機電路示意圖及原理.扶正器短節(jié)的研制重點主要在扶正器電動機[12]電壓的控制,要做到在不影響集流傘正常打開、收回前提下控制扶正器的打開和收回.圖8為扶正器電動機的控制電路[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)計成單獨短節(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,纜芯2與集流傘、扶正器連接.

5 現(xiàn)場應(yīng)用

設(shè)計的環(huán)空找水儀可避免儀器起下過程中井壁上的鐵銹、結(jié)垢碎片及地層出砂對渦輪葉片的卡滯作用,確保集流傘在測量過程中的完好,保證測量結(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)場應(yīng)用過程中,為驗證扶正器對集流傘的保護效果,在全井測量結(jié)束后,收回扶正器再進行全井復(fù)測,將測得的結(jié)果進行對比分析(表1).

表1 使用扶正器和未使用扶正器測量結(jié)果對比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)場測量數(shù)據(jù)Tab.2 Field measurement data of annular water detector after using centralizer

從測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在收回扶正器后測量第二點流量明顯下降,含水率也變化較大,之后的測量點測量結(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井對使用扶正器的環(huán)空找水儀進行現(xiàn)場應(yīng)用,為了檢驗扶正器對集流傘的保護效果,對該井進行了全井復(fù)測(表2).從測量結(jié)果可以看出,復(fù)測點的流量與含水率都與第一次的測量結(jié)果吻合,證明扶正器對提高測量結(jié)果的準確性有很好的效果,也證明了環(huán)空找水儀加入扶正器是有必要的.

通過20余井次的試驗應(yīng)用,沒有發(fā)生過集流傘刮破的現(xiàn)象,證明扶正器對提高測量結(jié)果的準確性具有重要作用.

6 結(jié)論

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

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

(3)可控式扶正器電路簡單,控制可靠,操作簡單,檢修方便,易于推廣使用.

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