環空找水儀流量測量可靠性設計及應用研究

張志剛

大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司

采用環空找水儀[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].在產出剖面[4]流量測量時,由于井內產出液和井壁的情況復雜,環空找水儀流量測量時渦輪流量計的渦輪經常發生被卡住和轉動不靈活的現象,當渦輪卡住時通常采用壓電纜方式解決,其效果有限,而且渦輪轉動不靈活的現象很難消除,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 渦輪流量計結構及工作原理

環空找水儀采用渦輪流量計測量產出井的產量,液流通過渦輪流量計時推動渦輪旋轉,由渦輪軸上的磁鋼傳遞渦輪轉動信息.渦輪轉動時其軸上磁鋼的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形空間使井筒內的流體全部流經儀器內部,從而進行產出剖面各層段流量的測量[7].

2 渦輪流量計卡滯原因分析

對出現渦輪卡滯現象的環空找水儀進行維修發現,渦輪流量計內通常有砂粒、井壁結垢碎片、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 儀器內的砂粒Fig.2 Sand particles in the instrument

通過對大量的有卡滯現象的渦輪流量計進行維修發現,砂粒、井壁結垢碎片和鐵銹等雜物在渦輪流量計內的分布是有規律的,較大的井壁結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的位置分布示意圖.

(1)井壁結垢碎片在渦輪葉片上部的原因.井壁上的結垢碎片(灰白色的鈣質沉積物)一般較大(片狀,不規則),大多在渦輪葉片上面.分析認為儀器下井時刮擦井壁,井壁上的結垢被刮下來,有些碎屑從儀器較寬闊的上出液口掉入到內流道,較大的垢塊落到渦輪葉片上部,較小的會落到渦輪葉片內,卡住渦輪葉片使渦輪無法轉動.

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的原因.對出砂嚴重的產出井使用過的儀器維修時發現,渦輪葉片和外殼之間夾有較大砂粒(粒狀,不規則).分析認為砂粒隨油井產液從進液口進入到儀器內流道,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致渦輪無法轉動;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.每次維修環空找水儀渦輪流量計時,都會發現渦輪磁鋼上有鐵銹(粉狀)吸附.分析認為產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),導致集流傘的集流度嚴重下降,從而影響測量結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Fig.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 對流量計結構進行改進

(1)上出液口設計成篩管狀,防止結垢碎片掉落到儀器內流道內.考慮改進后的出液口的過流阻力應不大于原儀器出液口的流動阻力,結構強度要不低于原結構強度,維修拆卸組裝方便等因素,將出液口設計成篩管型,防止井壁結垢碎屑掉入儀器內流道,從而解決因結垢碎片掉落儀器內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,根據工程流體力學原理[8]計算有效流動面積為260 mm2.篩管型出液口(9個)設計總面積904 mm2,根據工程流體力學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)在進液口內設置篩網阻止井液中較大的砂粒進入內流道.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,在進液口內部放置筒狀篩網.篩網網眼大小既能阻止井液中較大的砂粒進入內流道,又不會造成渦輪卡住的較小砂粒通過篩網,避免因篩網過細而產生的大量砂粒濾積在篩網上,造成流動阻力增大影響流量測量的問題.

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

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.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環空儀內流道直徑為18 mm,面積254 mm2.進液口尺寸為8 mmX20 mm(6個),總面積960 mm2,根據工程流體力學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,選用網眼小于1 mm的18X18篩網,網眼尺寸為0.98 mmX0.98 mm,鋼絲直徑0.432 mm.增加18X 18篩網后,6個進液口的網眼數量為420個,總面積403 mm2,根據工程流體力學原理計算有效流動面積為395 mm2,為環空儀內流道面積的1.55倍.圖6是環空找水儀進液口及筒狀防砂篩網照片.

圖6 環空找水儀進液口及筒狀防砂篩網Fig.6 Liquid inlet of annular air water detector and cylindrical sand screen

(3)在渦輪上、下設置磁性環預先吸附井液中的鐵銹.在渦輪流量計的內流道中設計放置有片狀磁鐵的磁鐵環,渦輪流量計上方放置單層的磁鐵環,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,吸附從進液口隨井液進入的鐵銹.設置的上、下磁鐵環預先吸附了鐵銹,可防止鐵銹被渦輪磁鋼吸附.

單層磁鐵環設計見圖7,設計有6個片狀磁鐵,朝向內流道的磁鐵N、S極間隔放置來增強吸附鐵銹的效果.雙層磁鐵環的每層磁鐵的排列方式與單層磁鐵環相同,渦輪下面采用雙層磁鐵環設計是為了更有效地吸附在內流道內流動井液中的鐵銹.

圖7 單層磁鐵環設計截面7Fig.7 Design section of single-layer magnet ring

4.2 設計可控式扶正器

如果設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,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,扶正器設計成單獨短節,方便與環空儀器連接.連接扶正器后的環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 現場應用

設計的環空找水儀可避免儀器起下過程中井壁上的鐵銹、結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井的現場應用過程中,為驗證扶正器對集流傘的保護效果,在全井測量結束后,收回扶正器再進行全井復測,將測得的結果進行對比分析(表1).

表1 使用扶正器和未使用扶正器測量結果對比Tab.1 Comparison of measured results with and without centralizer

表2 使用扶正器后環空找水儀現場測量數據Tab.2 Field measurement data of annular water detector after using centralizer

從測量結果可以發現,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果偏差也都較大,可以判斷儀器的集流傘已經被刮破.

2018年5月21日在南8-丁4-XXX井對使用扶正器的環空找水儀進行現場應用,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測(表2).從測量結果可以看出,復測點的流量與含水率都與第一次的測量結果吻合,證明扶正器對提高測量結果的準確性有很好的效果,也證明了環空找水儀加入扶正器是有必要的.

通過20余井次的試驗應用,沒有發生過集流傘刮破的現象,證明扶正器對提高測量結果的準確性具有重要作用.

6 結論

(1)改進后的環空找水儀在水驅產出剖面流量測量時能有效防止渦輪流量計卡滯現象的發生,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)按本研究設計改進后的環空找水儀不適用于聚合物驅和三元驅產出剖面的測量.