分层流量实时测调仪校准模拟井筒深度研究

王海鹏

(大庆油田测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163513)

0 引 言

随着油田开发进入特高含水期，注入效果的好坏直接影响到油田开采效果。为了及时、准确、有效实现分层流量测试和调配，测试工作者将试井工艺与生产测井工艺相结合，把生产测井中的电缆传输、井下直读仪器、地面采集系统工艺应用到试井井下存储仪器当中，2003年分层流量实时测调仪研制成功，2010年分层流量实时测调仪[1](以下简称测调仪)被广泛应用于注入井分层流量调配[2]，使得分层流量调配劳动强度大大降低，一次测调成功率达到90%。测调仪按测量原理分为超声波测调仪和电磁测调仪；按结构分为偏心测调仪和同心测调仪。为了实现测调仪的校准[3-5]，大庆油田测试技术服务分公司在国内较早建立测调仪校准模拟井，对测调仪进行校准。测调仪流量校准影响因素很多[6]，但最重的影响因素是测调仪校准模拟井筒的深度，目前测调仪校准模拟井筒深度不能满足测调仪校准的基本要求，因此研究测调仪校准模拟井筒深度对实现测调仪量值有效传递有着重要意义。

1 测调仪及其校准模拟井筒结构

1.1 测调仪结构和技术参数

测调仪的结构和技术参数决定测调仪校准模拟井筒的井身结构和井筒深度。偏心测调仪用于偏心注水井分层流量调节，决定了其校准模拟井筒必须有偏心配水器。同心测调仪用于同心注水井分层流量调节，决定了其校准模拟井筒必须有同心配水器。测调仪长度决定校准模拟井筒深度，测调仪流量精度决定流量校准结果的最大允许误差，当校准结果的最大引用误差小于等于最大允许误差时，校准结果合格。超声波测调仪长度和流量精度如表1所示。

表1 超声波测调仪技术参数

1.2 测调仪校准模拟井筒结构

目前建成的偏心测调仪模拟井筒井身结构如图1所示，主要由套管、封隔器、油管、偏心配水器、手动阀门、进水和出水管线等组成。

图1 偏心测调仪校准模拟井筒结构示意图

偏心测调仪模拟井筒油管内径62.5 mm，水嘴距离井口1.75 m，井深3.8 m，进液口1个，进液口距井口100 mm，出液口3个，一个位于井底油管尾部、两个位于水嘴处套管管线上。井底出液口和主回水管线连通(该连通管线上的阀门记作阀门2)，水通过标准表再回水池；水嘴处出液口和主回水管线连通(该连通管线的阀门记作4)，水通过标准表再回水池；水嘴处出液口不和主回水管线连通(该连通管线的阀门记作3)，不通过标准表直接回水池，进水阀门记作1。当1开→2开→3关→4关时实现测试上下流量，实现偏心测调仪吊测和坐测直通流量校准；当1开→2关→3关→4关，实现偏心测调仪上流量计坐测支路流量校准；当1开→2开→3开→4关，实现偏心测调仪下流量计吊测和坐测流量校准。

同心测调仪模拟井筒井身结构与偏心测调仪模拟井筒井身结构类似，区别在于配水器为同心配水器；没有手动阀3和其管线，没有下流量计校准功能。

光油管模拟井筒如图2所示，由进水管线、进水阀门1、光油管(内径62.5 mm)、出水阀门2、出水管线等组成，和分层流量实时偏心测调仪校准模拟井筒主要区别在于没有套管、配水器，为单根光油管。

图2 光油管模拟井筒结构示意图

2 测调仪校准模拟井筒深度研究

2.1 理论分析

模拟井筒井身结构和深度主要影响校准介质的流型的转化和流型的稳定性。雷诺数表征液流惯性力与粘滞力相对大小，可用以判别流动形态转化。流型的稳定性主要表现为流态的稳定距离，符合一定规律。

2.1.1 流型转化计算

流型转化主要依据雷诺数来计算，经过推导，内径62.5 mm的油管中放置外径38 mm的仪器其雷诺数计算公式如(1)。通过调研，层流、紊流的临界雷诺数标准不一[7-9]，本文以2 300作为层流临界雷诺数，4 000作为紊流临界雷诺数计算，由公式可求得内径62.5 mm的油管居中放置外径38 mm的仪器层流临界流量为15.60 m3/d，紊流临界流量27.13 m3/d。通过计算可知，测调仪在0～500 m3/d范围内校准测调仪，绝大多数流量校准点属于紊流范围。

(1)

式(1)中，Re为雷诺数，无量纲；ρ为流体密度，kg/m3；Q为流量，m3/d；μ为流体粘度，mPas；D为油管内径，m；d为仪器外径，m。

2.1.2 流型稳定距离计算

研究表明,流态的稳定距离符合经验公式(2)和(3)[10]。式(2)为层流稳定距离经验公式,式(3)为紊流稳定距离经验公式。以外径38 mm的仪器在油管中为例，雷诺数取2 300，当流量小于15.60 m3/d大于0 m3/d时属于层流范围，水从井口进液口进入模拟井筒需要4.0 m的距离才能稳定；当流量小于27.13 m3/d大于15.60 m3/d时，属于过渡流；当流量大于27.13 m3/d时，属于紊流范围。参考文献[11]中表明，“流量计的测量段一般应距离井口30D(D为注水井管道内径)以上，测量段距离出水口应不小于15D。如果条件允许，模拟井的深度越深越好”。本文以30倍管道直径计算，紊流稳定距离为1.9 m。

(2)

(3)

式(2)和式(3)中，Re为雷诺数，无量纲；l为稳定距离，m；D为油管直径，m。

2.1.3 模拟井筒深度计算

从井口进液口开始，按照“吊测层流(紊流)稳定距离+吊测仪器长度+吊测出水稳定距离+坐测仪器长度+坐测出水稳定距离”计算稳定距离(见图3和图4)，偏心测调仪(双流量)长度为1.9 m，考虑层流稳定距离，偏心测调仪校准模拟井筒深度为9.8 m(4.0+1.9+1.0+1.9+1.0=9.8 m)，配水器以上净油管长度7.35 m；不考虑层流稳定距离，偏心测调仪校准模拟井筒深度为7.7 m(1.9+1.9+1.0+1.9+1.0=7.7 m)，配水器以上净油管长度5.25 m。同心测调仪长度为1.5 m，考虑层流稳定距离，同心测调仪校准模拟井筒深度为9.0 m(4.0+1.5+1.0+1.5+1.0=9.0 m)，配水器以上净油管长度6.75 m；不考虑层流稳定距离，同心测调仪校准模拟井筒深度为6.9 m(1.9+1.5+1.0+1.5+1.0=6.9 m)，配水器以上净油管长度4.65 m。

图3 偏心测调仪校准模拟井筒深度示意图

图4 同心测调仪校准模拟井筒深度示意图

2.2 实验验证

实验使用超声波偏心测调仪(单流量)STC0240，仪器长度1.5 m，其它技术参数参见表1。

2.2.1 实验1

相同模拟井筒不同稳定距离，在光油管模拟井筒完成。光油管模拟井筒深度5 m，光油管内经62.5 mm，改变进液口到仪器顶端的距离分别为0.63、1、1.9、2.5 m。实验数据见表2。由表2可知，进液口到仪器上端距离为0.63 m时校准最大引用误差为1.02%，1 m时为0.69%，1.9 m时为0.49%，2.5 m时为0.38%。结果表明，进液口距离测量井段越深越好，同时结果表明30D(1.9 m)和40D(2.5 m)的校准结果最大引用误差非常接近。

表2 实验1不同稳定距离校准数据 m3·d-1

2.2.2 实验2

不同模拟井筒和稳定距离，在偏心测调仪校准模拟井筒和光油管模拟井筒中完成。先在偏心测调仪模拟井筒中坐测位置上提0.3 m处进行吊测刻度，并使用该刻度系数在此位置进行吊测检定；其次在光油管模拟井筒1.9 m处进行吊测刻度，并使用该刻度系数在此位置进行吊测检定，最后在该位置调取坐测位置上提0.3 m处的刻度系数进行吊测检定。校准时带扶正器，流量稳定时间90 s。实验数据见表3。由表3可知，偏心测调仪模拟井筒坐测位置上提0.3 m处(使用坐测位置上提0.3 m处吊测刻度系数)进行吊测检定，最大引用误差为0.47%；光油管模拟井1.9 m处(使用坐测位置上提0.3 m吊测刻度系数)吊测检定最大引用误差9.42%，大于最大允许2%，因此不合格；光油管模拟井1.9 m处(使用光油管1.9 m处吊测刻度系数)吊测检定最大引用误差0.17%，结果表明坐测位置上提0.3 m处进行吊测校准刻度是不准确的，现场考核调配流量以配水器10 m以上吊测的流量为准，所以目前的测调仪模拟井筒不能同时进行吊测和坐测校准，只能在光油管模拟井筒进行吊测校准，在测调仪模拟井筒进行坐测校准。

表3 实验2不同模拟井筒和稳定距离校准数据

3 结 论

1)目前的测调仪模拟井筒不能同时进行吊测和坐测校准，在光油管模拟井筒进行吊测校准，在测调模拟井筒进行坐测校准。

2)同时进行吊测和坐测校准，如果考虑层流稳定距离，偏心测调仪模拟井筒深度至少为9.8 m；同心测调仪模拟井筒深度至少为9 m。

3)同时进行吊测和坐测校准，如果不考虑层流稳定距离，紊流稳定距离以30倍管道直径计算，偏心测调仪校准模拟井筒深度至少为7.7 m；同心测调仪校准模拟井筒深度至少为6.9 m。