环空找水仪流量测量可靠性设计及应用研究

张志刚

大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司

采用环空找水仪[1]进行流量测量最常用的是涡轮流量计[2],采用集流伞集流[3].在产出剖面[4]流量测量时,由于井内产出液和井壁的情况复杂,环空找水仪流量测量时涡轮流量计的涡轮经常发生被卡住和转动不灵活的现象,当涡轮卡住时通常采用压电缆方式解决,其效果有限,而且涡轮转动不灵活的现象很难消除,而仪器在起下过程中由于贴靠井壁行进,伞布磨损造成集流效果降低.以上情况严重影响施工的进度和流量测量准确度.

1 涡轮流量计结构及工作原理

环空找水仪采用涡轮流量计测量产出井的产量,液流通过涡轮流量计时推动涡轮旋转,由涡轮轴上的磁钢传递涡轮转动信息.涡轮转动时其轴上磁钢的N、S极轮流接近霍尔传感器,通过计量霍尔传感器输出的脉冲计数测量流量的大小.涡轮流量计主要由涡轮[5]、霍尔传感器[6]、涡轮安装架和涡轮轴顶针等组成.

环空找水仪采用集流伞式集流,通过地面供正电和负电控制集流伞的打开与收回,密封仪器与套管的环形空间使井筒内的流体全部流经仪器内部,从而进行产出剖面各层段流量的测量[7].

2 涡轮流量计卡滞原因分析

对出现涡轮卡滞现象的环空找水仪进行维修发现,涡轮流量计内通常有砂粒、井壁结垢碎片、铁锈等杂物,偶尔会有丝状物(图1、图2).

图1 涡轮磁钢上的铁锈、井壁碎屑Fig.1 Rustand well wall debris on turbine magnetic steel

图2 仪器内的砂粒Fig.2 Sand particles in the instrument

通过对大量的有卡滞现象的涡轮流量计进行维修发现,砂粒、井壁结垢碎片和铁锈等杂物在涡轮流量计内的分布是有规律的,较大的井壁结垢碎片在涡轮叶片上部;较大的砂粒在涡轮叶片中间;铁锈附着在涡轮轴的磁钢上.图3是造成涡轮流量计卡滞的不同杂物在涡轮流量计内的位置分布示意图.

(1)井壁结垢碎片在涡轮叶片上部的原因.井壁上的结垢碎片(灰白色的钙质沉积物)一般较大(片状,不规则),大多在涡轮叶片上面.分析认为仪器下井时刮擦井壁,井壁上的结垢被刮下来,有些碎屑从仪器较宽阔的上出液口掉入到内流道,较大的垢块落到涡轮叶片上部,较小的会落到涡轮叶片内,卡住涡轮叶片使涡轮无法转动.

图3 造成涡轮卡滞杂物分布示意图Fig.3 Distribution diagram of sundries causing turbagram hysteresis

(2)较大砂粒在涡轮叶片中间出现的原因.对出砂严重的产出井使用过的仪器维修时发现,涡轮叶片和外壳之间夹有较大砂粒(粒状,不规则).分析认为砂粒随油井产液从进液口进入到仪器内流道,液流通过涡轮流量计时较大砂粒会卡在涡轮叶片和外壳之间导致涡轮无法转动;另一种情况是井液中的砂粒通过了涡轮,仪器收伞后,在内流道中存留的井液中的砂粒会沉积在涡轮叶片上,较大砂粒也会卡住涡轮.

(3)涡轮磁钢上附着铁锈的原因.每次维修环空找水仪涡轮流量计时,都会发现涡轮磁钢上有铁锈(粉状)吸附.分析认为产出液中的铁锈大多是由于仪器在井下移动时由井壁摩擦下来而悬浮在井液中的,当液流通过涡轮流量计时铁锈会被涡轮上的磁钢吸附,在磁钢的两个磁极处形成团状,增大了涡轮的转动阻力,当锈粉团大到与霍尔传感器相刮时就会迟滞涡轮转动,流量较低时会卡住涡轮.

3 集流伞布破损原因分析

通过对环空找水仪测量过程分析,集流伞破损主要集中在测量过程中,当完成第一个测量点收伞时,井下产液向上流动的冲击始终使伞布受到向外的张力,致使集流伞收完后伞布夹在伞筋之间并突出于伞筋之外(图4).由于油井套管管柱都有一定的倾斜度且仪器本身还带有磁性定位短接,致使在更换测点过程中仪器贴在井壁上移动,以及套管内壁长年的腐蚀变得粗糙和射孔孔眼突出的毛刺等原因,伞布极容易被磨损、挂破或移位(图5),导致集流伞的集流度严重下降,从而影响测量结果的可靠性和一致性.

图4 集流伞布突出于伞筋之外的照片Fig.4 Picture of the umbrella cloth protruding out of the umbrella bars

图5 集流伞布被井壁磨损和被刮变形Fig.5 Picture of the umbrella cloth being worn out by well wall and deformed by being shaved

4 解决对策

4.1 对流量计结构进行改进

(1)上出液口设计成筛管状,防止结垢碎片掉落到仪器内流道内.考虑改进后的出液口的过流阻力应不大于原仪器出液口的流动阻力,结构强度要不低于原结构强度,维修拆卸组装方便等因素,将出液口设计成筛管型,防止井壁结垢碎屑掉入仪器内流道,从而解决因结垢碎片掉落仪器内流道造成的涡轮卡住问题.

原出液口尺寸为10 mmX14.2 mm(3个),总面积426 mm2,根据工程流体力学原理[8]计算有效流动面积为260 mm2.筛管型出液口(9个)设计总面积904 mm2,根据工程流体力学原理计算有效流动面积为615 mm2,远大于原出液口有效流动面积,所以流动阻力更小.

(2)在进液口内设置筛网阻止井液中较大的砂粒进入内流道.考虑到仪器中心管外有取样密封筒且直径不能加大,维修时拆卸组装方便等因素,在进液口内部放置筒状筛网.筛网网眼大小既能阻止井液中较大的砂粒进入内流道,又不会造成涡轮卡住的较小砂粒通过筛网,避免因筛网过细而产生的大量砂粒滤积在筛网上,造成流动阻力增大影响流量测量的问题.

由于聚合物驱[9]和三元驱[10]产出井中有絮状或团状凝块,会贴附在筛网上堵塞进液口,所以仪器进液口加筛网后不适用于聚合物驱和三元驱产出剖面的流量测量.

在仪器维修时观察到砂粒直径为0.2~3.2 mm,大于1 mm的砂粒为极少数.涡轮与涡轮安装筒间隙为1 mm,所以砂粒直径小于1 mm时不会卡住涡轮.Ф 28 mm环空仪内流道直径为18 mm,面积254 mm2.进液口尺寸为8 mmX20 mm(6个),总面积960 mm2,根据工程流体力学计算有效流动面积为586 mm2.为了尽量减小进液口的流动阻力,选用网眼小于1 mm的18X18筛网,网眼尺寸为0.98 mmX0.98 mm,钢丝直径0.432 mm.增加18X 18筛网后,6个进液口的网眼数量为420个,总面积403 mm2,根据工程流体力学原理计算有效流动面积为395 mm2,为环空仪内流道面积的1.55倍.图6是环空找水仪进液口及筒状防砂筛网照片.

图6 环空找水仪进液口及筒状防砂筛网Fig.6 Liquid inlet of annular air water detector and cylindrical sand screen

(3)在涡轮上、下设置磁性环预先吸附井液中的铁锈.在涡轮流量计的内流道中设计放置有片状磁铁的磁铁环,涡轮流量计上方放置单层的磁铁环,吸附从出液口进入的铁锈;涡轮流量计下方放置双层的磁铁环,吸附从进液口随井液进入的铁锈.设置的上、下磁铁环预先吸附了铁锈,可防止铁锈被涡轮磁钢吸附.

单层磁铁环设计见图7,设计有6个片状磁铁,朝向内流道的磁铁N、S极间隔放置来增强吸附铁锈的效果.双层磁铁环的每层磁铁的排列方式与单层磁铁环相同,涡轮下面采用双层磁铁环设计是为了更有效地吸附在内流道内流动井液中的铁锈.

图7 单层磁铁环设计截面7Fig.7 Design section of single-layer magnet ring

4.2 设计可控式扶正器

如果设计一种扶正器在起下过程中保护集流伞不被磨损,保证集流伞集流度一致,就可以保证测量结果的准确性和可靠性.

扶正器在使用时,当仪器下到第一点准备测量时,首先打开集流伞,在仪器变换测量点时,正常收回集流伞,扶正器一直保持打开状态,直到测完所有测点后收拢打开的扶正器.这样在更换测点过程中,即使仪器收伞时伞布突出至伞筋外,扶正器可以防止突出至伞筋外的集流伞布与不光滑的井壁的摩擦,有效地保护集流伞布.所以要设计一个可以独立控制的扶正器[8].

(1)可控式扶正器的工作原理.扶正器连在集流伞电动机的下部,使用时,当仪器下到第一点准备测量时供电电压到50 V打开集流伞,集流伞电动机电流回零表示集流伞完全打开.增加供电电压到70 V打开扶正器,当扶正器电动机电流回零时表示扶正器完全打开,扶正器打开直径为120 mm,起到在套管内将仪器扶正作用.

更换测点时供电电压到-50 V收回集流伞,集流伞电动机电流回零后表示集流伞完全收回,可以更换测点,测量过程中不收回扶正器.当供电电压增加到-70 V时收回扶正器,扶正器电动机供电电流回零表示扶正器完全收回.

(2)扶正器电动机电路示意图及原理.扶正器短节的研制重点主要在扶正器电动机[12]电压的控制,要做到在不影响集流伞正常打开、收回前提下控制扶正器的打开和收回.图8为扶正器电动机的控制电路[13]示意图.

图8 扶正器控制电路示意图Fig.8 Sketch map of centralizer control circuit

为了维修和更换方便,扶正器设计成单独短节,方便与环空仪器连接.连接扶正器后的环空找水仪缆芯用于仪器工作供电和传输含水、流量信号,缆芯2与集流伞、扶正器连接.

5 现场应用

设计的环空找水仪可避免仪器起下过程中井壁上的铁锈、结垢碎片及地层出砂对涡轮叶片的卡滞作用,确保集流伞在测量过程中的完好,保证测量结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井的现场应用过程中,为验证扶正器对集流伞的保护效果,在全井测量结束后,收回扶正器再进行全井复测,将测得的结果进行对比分析(表1).

表1 使用扶正器和未使用扶正器测量结果对比Tab.1 Comparison of measured results with and without centralizer

表2 使用扶正器后环空找水仪现场测量数据Tab.2 Field measurement data of annular water detector after using centralizer

从测量结果可以发现,在收回扶正器后测量第二点流量明显下降,含水率也变化较大,之后的测量点测量结果偏差也都较大,可以判断仪器的集流伞已经被刮破.

2018年5月21日在南8-丁4-XXX井对使用扶正器的环空找水仪进行现场应用,为了检验扶正器对集流伞的保护效果,对该井进行了全井复测(表2).从测量结果可以看出,复测点的流量与含水率都与第一次的测量结果吻合,证明扶正器对提高测量结果的准确性有很好的效果,也证明了环空找水仪加入扶正器是有必要的.

通过20余井次的试验应用,没有发生过集流伞刮破的现象,证明扶正器对提高测量结果的准确性具有重要作用.

6 结论

(1)改进后的环空找水仪在水驱产出剖面流量测量时能有效防止涡轮流量计卡滞现象的发生,从而提高施工实效和流量测量的准确性.

(2)在流量测量过程中可控式扶正器可有效保护集流伞,避免集流伞在起下过程中被刮坏,提高流量测量的可靠性和施工一次成功率.

(3)可控式扶正器电路简单,控制可靠,操作简单,检修方便,易于推广使用.

(4)按本研究设计改进后的环空找水仪不适用于聚合物驱和三元驱产出剖面的测量.