用于产出剖面测井的高可靠防砂卡涡轮流量计

2018-07-19

石油管材与仪器 2018年3期

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163513)

0 引言

目前，过环空阻抗找水仪主要实现含水和流量测试，含水采用电导法测量[1]，流量测试主要采用涡轮流量计[2]。涡轮流量计的原理和结构决定其有一致命缺点，即其叶轮属于转动部件，与涡轮流量计接触流体中的杂质往往导致叶轮砂卡[3]。通过统计分析，油井出砂、垢粒、垢片、涡轮支架与叶轮间隙小、铁屑是造成砂卡的主要原因。中原测井公司在注入井中的涡轮流量计磁钢安装防磁罩，解决砂卡取得较好效果[4]；专利《防堵卡涡轮流量计》提出切向涡轮流量计的办法解决产出井砂卡[5]，但未找到相应的应用文献。大庆油田处于开发中后期，大量的井存在出砂、垢粒现象。通过统计，在采油五厂砂卡占到70%，其中仪器自身原因和井况造成的砂卡占到94%。涡轮流量计出现砂卡，则得到的产液量不准，无法为地质部门提供真实准确的环空测试资料，达不到指导油田开发生产的目的。为了降低砂卡率，通过机械解卡的办法实现解卡。

1 防砂卡涡轮流量计结构及防砂卡工作原理

防砂卡涡轮流量计结构如图1所示，主要由涡轮流量计、筛状出液孔、涡轮流量计安装短接、解卡管、解卡管开槽、中心管、长条孔(销钉运动槽7)、薄壁筒、进液孔、解卡管固定销钉、含水传感器安装筒组成。

采用等效面法，将进液孔一分为二，改为宽2 mm的矩形进液孔，解决从进液孔进入的长垢片或大垢片造成的砂卡，如图2所示。将原先3个方型的出液孔改为直径4 mm的阵列状的筛孔，解决仪器在下井过程中从出液孔进入仪器的长垢片、大垢片造成的砂卡，如图3所示。

1-解卡管；2-进液孔；3-薄壁筒；4-长条孔(销钉运动槽)；5-解卡管固定销钉；6-中心管；7-涡轮流量计安装短接；8-解卡管开槽；9-涡轮流量计；10-含水传感器安装筒;11-筛状出液孔图1 防砂卡涡轮流量计结构示意图

图2 改进前后进液孔比较

图3 改进前后出液孔比较

将涡轮支架内径扩大，解卡管的内壁充当涡轮的内壁，解卡管通过固定销钉固定在薄壁筒上，通过开收伞，薄壁筒带动解卡管在长条孔上下运动，解卡管在解卡管开槽上下通过涡轮总成的支架，在收伞的过程中实现涡轮总成的支架内壁与叶轮之间的空间增大，从而实现井内出砂、垢粒、小垢片、涡轮支架与叶轮间隙小造成的砂卡的解卡。

在解卡管底端安装磁钢，如图4所示，吸附流体中铁屑、锈粉，解决涡轮叶片磁钢吸附铁屑造成的砂卡。

图4 单层磁铁环设计截面图

2 主要技术指标

20 m3涡轮流量计流量最大允许误差为3%，启动排量1 m3/d，支架内腔直径由13.80 mm扩大为17.76 mm，解卡管长18.90 mm，外径Ф17.00 mm，内径Ф13.80 mm。

40 m3涡轮流量计流量最大允许误差为3%，启动排量2 m3/d,支架内腔直径由17.76 mm扩大为20.00 mm，解卡管长18.90 mm，外径Ф19.30 mm，内径Ф17.76 mm。

解卡管顶端每120°均匀分布长16.1 mm，宽2 mm槽缝，线槽长24.6 mm，宽2 mm，解卡管底端的销钉走固定槽宽4 mm，长10 mm。

3 室内校准

为了验证可行性，采用室内校准实现。机加组装2支型号HK-ZS-40仪器，编号为P033、P032，2支HK-ZS-20仪器，编号为K001、K018，进行室内流量校准。校准介质：自来水。从2014年5月13日到2014年9月20日，先后校准阻抗仪40多次。

3.1 关于解卡管、进液孔、出液孔造成的摩擦和局部扩大(缩小)阻力损失用K值确定

K值为仪器常数，理想状态下，涡轮转动只受流体作用于涡轮的力，但实际测量时，除了流体作用于涡轮的力外，涡轮还受到流体的粘性摩擦力、涡轮自重及涡轮轴承转动的摩擦力、流体在进入涡轮横截面的局部阻力，仪器常数用于评价涡轮叶片的受力情况，其定义式为：

K=ξ/2π

(1)

式(1)中，K为仪器常数，r/(m3·s)；ξ为流量系数，°/m3。

仪器常数的物理意义是单位时间内单位体积的流体流过涡轮时，涡轮转动圈数。从仪器常数的定义式可知，K值表征了流量范围内涡轮的平均转速，要求其大于等于1。K值越大，则涡轮转速越快，所受阻力越小，因此解卡管、进液孔、出液孔造成的局部扩阻力损失可以由K值衡量。通过校准，按(2)式以最小二乘法就可求得仪器常数K值。

N=K(Q-q)

(2)

式(2)中，N为涡轮转动转数，r/s；Q为流量， m3/d；q为启动排量， m3/d。

表1为2014年8月24日P033第6次校准结果。本次校准平均K值1.301 r/(m3·s)，大于1.0 r/(m3·s)，同时最大引用误差为1.08%，小于最大允许误差3%，启动排量2 m3/d时的平均转速1.850 r/s，因此P033校准合格。同样，P032、K001、K018先后校准合格。因此，在启动排量、最大允许误差合格的前提下，K值大于等于1，K值可以评价解卡管、进液孔、出液孔造成的局部阻力损失。

表1 2014年8月24日P033第6次校准结果

注：标准流量单位，m3/d；被测转速单位，r/s；K值单位，r/(m3·s)。

3.2 确定涡轮叶片转动的持续时间

涡轮叶片能转动的持续时间是指涡轮调试好后，在一定作用力下，涡轮叶片从转动开始到停止的时间。由表2可知，P032第1次校准时，解卡装置末端没有安装磁钢，涡轮调试结果持续时间19s，最大引用误差3.012%不合格，启动排量2 m3/d时，平均转速为0.943 r/s，涡轮虽然没有转动，但已接近转动。P032第2次校准时，解卡装置末端没有安装磁钢，涡轮调试结果持续时间20 s，最大引用误差2.856%合格，启动排量2 m3/d时，涡轮转动，平均转速为1.867 r/s。K001第1次校准时，解卡装置末端没有安装磁钢，涡轮调试结果持续时间30s，最大引用误差2.458%合格，启动排量1 m3/d时，涡轮转动，平均转速为2.245 r/s。P032和K001的校准结果表明，在启动排量时，涡轮叶片转动的持续时间超过20 s，就可以保证启动排量、最大引用误差合格。为了提高涡轮流量计校准精度，硬性规定为了保证启动排量，涡轮叶片转动的持续时间为30 s。

表2 P032、K001校准结果

3.3 磁钢位置和大小的确定

由表2可知，解卡装置末端粘贴宽15 mm、长15.2 mm、厚1.8 mm的弧形磁钢，安装距离涡轮流量计磁钢8.9 cm时，P032第3次涡轮叶片转动持续时间28 s，40 m3/d平均转速49.650 r/s；同样的磁钢大小和安装距离，K001第2次调试涡轮，叶轮转动持续时间26 s，最大引用误差1.908%合格，启动排量1 m3/d时，平均转速0.513 r/s，不合格。K001第3次，解卡装置末端粘贴宽15 mm、长3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁钢，安装距离涡轮流量计磁钢9.6 cm，涡轮没有调试持续时间30 s，但校准结果最大引用误差3.752%不合格，启动排量1 m3/d没有启动，平均转速0.666 r/s不合格。K001第4次，重新调试涡轮，持续时间30 s，同时将宽15 mm、长3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁钢，距离涡轮流量计磁钢的距离调整为12.16 cm，最大引用误差1.095%，启动排量1 m3/d启动，平均转速2.587。故最终确定弧形磁钢宽15 mm、长3.8 mm、厚1.8 mm，距离涡轮流量计磁钢的距离为12.16 cm。此时在流量计启动排量时，涡轮叶片转动。

3.4 中心管、解卡装置材质确定

2014年8月23日将解卡装置下端弧形磁钢去掉，并重新调试涡轮，结果见表3。涡轮调试结果持续时间35 s，虽然误差-2.12%合格，但启动排量2 m3/d仍没有启动。磁钢去掉后，还有什么原因呢？2014年8月24日检修发现，中心管、解卡装置被磁化，变相有磁场影响涡轮流量计启动排量。更换中心管薄壁筒重新校准，重复校准13次，误差为分别为1.38%、1.474%、1.143%、1.166%、1.247%、1.082%、1.640%、1.709%、1.313%、1.26%、1.227%、1.114%，K值为1.29左右。从结果可知，仪器P033线性、稳定性、重复性良好。所以中心管、解卡装置必须为不导磁材料。

表3 2014年8月23日P033校准结果

注：标准流量单位，m3/d；被测转速单位，r/s；K值单位，r/(m3·s)。

4 现场应用

防砂卡涡轮流量计在五大队成功解卡370井次，现场解卡测试曲线见图5。刚测试时，涡轮叶片转动正常，大约在20 s左右，由于流体带进的杂质导致流量曲线归零。通过仪器二芯供电收伞，大约15 s后再开伞，一芯流量供电测试，涡轮叶片通过瞬间开收伞，扩大了叶轮与涡轮壳体之间的空间，杂质通过，涡轮叶片旋转正常。从曲线可以看出，在解卡前和解卡后，涡轮旋转一致，都为15 m3/d左右，而且解卡前后冲次一致，涡轮流量计解卡装置有效解决了因油井出砂、垢片、间隙小造成的砂卡，砂卡率由原先的70%降低到30%，实现了产液剖面流量准确测试。