一种单芯遥测电导阵列探针产出剖面测井仪的研制

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(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司　黑龙江　大庆　163453)

0　引　言

目前大庆油田产出剖面高含水测量主要以阻抗法[1]和探针法为主，测井仪以脉冲信号传输，耐温、耐压指标和可靠性低，输出信号过测井电缆后畸变较大，地面解码困难；其中利用电导法的阵列探针仪器所使用的电导探针传感器为手工制作，一致性不好、使用寿命短[2]；仪器连接及机加件固定需要配钻，零件互换性差，组装和维修工作量大。基于电路设计和机械加工工艺水平的提高，考虑到仪器组装、维修的便捷性以及对外技术服务，有必要研制一套新型的单芯遥测电导阵列探针产出剖面组合测井仪。

探针传感器在垂直管道中探测油水两相电导流动信号已取得很好的效果[3]，利用探针测量管道内介质的导电性，具有较好的重复性和一致性。探针法不但可以测量井下混合流体的整体含水状况，而且通过探测信号可以估算油泡(气泡)的大小和分布情况，通过对测井数据的分析和解释，仪器有望应用于部分三相流的测井中[4]，因此新研制的仪器采用探针法测量含水。新仪器对电路、机械接口、电导探针传感器和集流伞进行了重新设计。仪器电路利用单片机内置功能替代原仪器电路上大量使用的分立元件；设计了整体封装的电导探针传感器，并委托专业厂家加工；改变集流器动作依靠电机直接连接丝杠的方式，设计多级的电机传动机构，使集流器的行程控制更加精准。通过在电路和机械结构上对传统产出剖面测井仪进行优化，新仪器的加工工艺、耐温、耐压指标和一致性比原仪器有了明显的提升。

1　总体结构

测井仪由电路、电路快速连接、存线仓、出液口、集流伞快速连接、流量传感器、电导探针传感器、集流伞和电机组成，如图1所示。仪器通过位于集流伞内部的电导探针传感器与油水介质接触探测持水率，通过涡轮叶片转数记录井下流体的体积流量。测井仪在井下集流后，流体从进液口流入，依次通过电导探针传感器和流量传感器，从出液口流出。

图1　单芯遥测电导阵列探针产出剖面测井仪结构

2　技术指标

外径：28 mm；

耐温：150 ℃；

耐压：50 MPa；

流量测量范围：3～80 m3/d，±3%F.S；

含水测量范围：50%～100%，±5%；

3　含水测量原理

电导阵列探针产出剖面测井仪采用井下集流的方式测量含水，其测量是根据油、水不同的导电特性，在仪器流道内设置一组阵列探针，通过检测探针与油水的接触情况来进行持水率测量。当探针接触到油(气)或水时，每路探头就会产生不同的输出信号，信号输出高电平代表油泡(或气泡)，低电平代表水，输出信号的宽度表明油泡(或气泡)与探针的接触时间[2]。

通过电路对同一测点的各路探针传感器输出信号进行连续采集，计算该处探针处于水中的导电时间与处于油和水中的导电时间均值之比，即可以计算探针的局部持水率，如式(1)所示。将各探针局部持水率平均，得到平均持水率，通过模拟井建立含水率与持水率的关系图版进行解释，进而得到含水率。

(1)

4　电路设计

仪器采用三芯电缆，供电和信号传输在同一根缆芯上完成，集流伞供电使用三芯电缆的另外一根缆芯。电路由温度压力磁性定位遥测部分及流量含水测量部分组成,如图2所示。

图2　单芯遥测电导阵列探针产出剖面测井仪电路框图

流量含水测量电路中，简化了探针前端处理电路，4路探针对油泡信号的采集、计算和阈值设置均由单片机程序进行判断和控制。电导探针输出的含水信号通过AD后与计数器输出的涡轮信号一同进入流量含水处理电路，如图2(b)所示。流量含水测量电路通过串行通信与井温压力遥测三参数电路相连，遥测电路定时发送地址位，当流量含水电路接收到地址后，将地址对应的数据发送给遥测电路，两个功能短接利用串口通信解决了流量和含水参数的数据通讯。

温度压力磁性定位及遥测电路利用单片机直接采集温度、压力和磁性定位信号，信号经过内置芯片的相关运算和处理后与流量和含水信号通过遥测电路内的单片机程序控制进行编码，然后经功率放大后上传电缆，如图2(a)所示。

5　结构设计

该测井仪机械部分在选材、功能设计、加工工艺等方面进行了大量的创新，新仪器充分考虑到仪器的组装、维修和拆卸，相对于目前产出剖面测井仪做了以下设计。

5.1　电路短接快速连接

产出剖面测井仪包含涡轮、集流伞、电机等多个可动部件，仪器内部机械部件繁多，每次下井后均需要拆卸清洗和更换集流伞。为了便于仪器的专业化维修和测量短接的携带，在仪器电路和密封塞之间设计了快速连接，如图3所示。电路快速连接接口采用高温七芯接插件，插件的公头连接电路，母头连接密封塞，旋转电路板架座和密封接头，可以将仪器电路和测量部分快速相连或分离。

图3　电路短接快速连接

5.2　电导探针传感器

电导探针含水测量要求探针位于集流伞内部，原探针传感器为手工制作，探针及支座通过顶丝固定在中心管侧壁上，探针的一致性、轴向位置和截面分布位置很难保证，并且安装时需要拆卸集流伞伞布，操作及维修极不方便。新设计的电导探针传感器采用整体封装工艺，由针尖、两级保护套管、密封堵、信号引线及密封胶尾组成，如图4所示。保护套嵌入密封堵内，与针尖相连的信号引线通过两级保护套管后，与密封胶尾连接。该探针针尖作为含水传感器探头，探针外壳作为信号回路。密封堵靠近针尖一侧设计螺纹，在集流伞上座总成端面轴向均匀设计4个探针安装孔，当探针完全旋入安装孔后，探针测量部分正对进液口。新电导探针传感器耐温耐压指标高，针尖长度及安装位置更加精准，减少了由于探针自身差异及安装位置不一致给测量带来的误差。

图4　电导探针传感器

5.3　集流伞驱动装置

集流伞是产出剖面测井仪易损部件，为了提高集流伞驱动能力，准确控制行程，避免丝杠抱死等现象的发生，对集流伞驱动装置进行了重新设计。新的驱动装置如图5所示，推杆和滚珠丝杠位于滚珠丝杠架内，上下两侧为双拉板。上下两个拉板的右侧通过凹槽挂接在滚珠丝杠中间螺母的两端，与推杆相连的连接方块通过顶丝固定在上下两个拉板之间，当电机驱动滚珠丝杠螺杆旋转时，螺母带动上下两个拉板轴向移动，连接方块通过推杆带动集流伞下伞支座完成集流伞的开启和闭合。该方式电机和丝杠受力均匀，集流伞工作更加可靠。

图5　集流伞驱动装置

6　模拟井动态实验

该单芯遥测电导阵列探针产出剖面测井仪在油气水三相流实验室内进行了持水率测量实验，实验分别记录各流量下不同含水配比时，4根探针的持水率输出，如图6所示。图6(a)～(f)分别是流量在80、60、40、20、10和5 m3/d时，电导探针在不同含水时的持水率输出。从对比图可以看出，各流量测试点在含水率不同时，输出的持水率有明显的变化。含水越高，探针输出的持水率越高；针对相同的油水配比，4根电导探针输出值趋于一致，电导探针具有较好的一致性。

将图6中各流量下4个电导探针的测量值平均，如表1所示。以流量为横坐标、平均持水率为纵坐标，建立流量-含水解释曲线，图例为含水曲线，如图7所示。从解释曲线可以看出，当流量高于5 m3/d、含水大于50%时，持水率测量结果与含水曲线具有很好的响应，含水越高，持水率测量精度越高。

图6　电导阵列探针不同流量下持水率输出

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

图7　单芯遥测电导阵列探针含水解释曲线

7　结　论

采用单芯遥测技术，解决了原测井仪过电缆解码困难的问题；通过单片机控制简化了电路硬件设置，增加了电路调试的灵活性。新型的仪器连接和组合形式有利于仪器的携带和专业化维修；整体封装的电导探针传感器提高了含水率测量的准确性和仪器的使用寿命；双拉板驱动装置使集流伞驱动和行程控制更加可靠。动态实验表明单芯遥测阵列探针产出剖面测井仪电路工作稳定、测井时效高、探针传感器对油泡反应敏感，仪器电路和机械结构的优化达到了预期的设计要求。

[1] 胡金海,刘兴斌,张玉辉，等. 阻抗式含水率计及其应用[J].测井技术,1999.23(增刊):511-514.

[2] 房乾,韩世林,朱海清，等.阵列探针产出剖面测井技术及其应用[J].石油天然气学报,2013,35(12),89-92.

[3] 金宁德,郑桂波,胡凌云.垂直上升管道中气液两相流电导波动信号的混沌特性分析[J].地球物理学报,2006,49(5): 1552-1560.

[4] 郑华.三相流产出剖面测井在大庆油田适用性研究[J]. 测井技术,2004,28(4): 344-347.