高可靠防砂卡渦輪流量計(jì)在產(chǎn)出剖面測井使用效
摘要：為了解決產(chǎn)出剖面測井用渦輪流量計(jì)的砂卡難題, 采用等效面積法改變進(jìn)液孔、出液孔形狀, 對原有渦輪流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了防砂卡裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理, 防砂卡渦輪流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及室內(nèi)校準(zhǔn)結(jié)果?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明, 較原有傳統(tǒng)渦輪流量計(jì), 防砂卡渦輪流量計(jì)可以顯著減少砂卡率, 有效提高產(chǎn)出剖面測井成功率。
0、引言：
目前, 過環(huán)空阻抗找水儀主要實(shí)現(xiàn)含水和流量測試, 含水采用電導(dǎo)法測量[1], 流量測試主要采用渦輪流量計(jì)[2]。渦輪流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)決定其有一致命缺點(diǎn), 即其葉輪屬于轉(zhuǎn)動部件, 與渦輪流量計(jì)接觸流體中的雜質(zhì)往往導(dǎo)致葉輪砂卡[3]。通過統(tǒng)計(jì)分析, 油井出砂、垢粒、垢片、渦輪支架與葉輪間隙小、鐵屑是造成砂卡的主要原因。中原測井公司在注入井中的渦輪流量計(jì)磁鋼安裝防磁罩, 解決砂卡取得較好效果[4];專利《防堵卡渦輪流量計(jì)》提出切向渦輪流量計(jì)的辦法解決產(chǎn)出井砂卡[5], 但未找到相應(yīng)的應(yīng)用文獻(xiàn)。大慶油田處于開發(fā)中后期, 大量的井存在出砂、垢?，F(xiàn)象。通過統(tǒng)計(jì), 在采油五廠砂卡占到70%, 其中儀器自身原因和井況造成的砂卡占到94%。渦輪流量計(jì)出現(xiàn)砂卡, 則得到的產(chǎn)液量不準(zhǔn), 無法為地質(zhì)部門提供真實(shí)準(zhǔn)確的環(huán)空測試資料, 達(dá)不到指導(dǎo)油田開發(fā)生產(chǎn)的目的。為了降低砂卡率, 通過機(jī)械解卡的辦法實(shí)現(xiàn)解卡。
1、防砂卡渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)及防砂卡工作原理：
防砂卡渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 主要由渦輪流量計(jì)、篩狀出液孔、渦輪流量計(jì)安裝短接、解卡管、解卡管開槽、中心管、長條孔 (銷釘運(yùn)動槽7) 、薄壁筒、進(jìn)液孔、解卡管固定銷釘、含水傳感器安裝筒組成。
采用等效面法, 將進(jìn)液孔一分為二, 改為寬2 mm的矩形進(jìn)液孔, 解決從進(jìn)液孔進(jìn)入的長垢片或大垢片造成的砂卡, 如圖2所示。將原先3個(gè)方型的出液孔改為直徑4 mm的陣列狀的篩孔, 解決儀器在下井過程中從出液孔進(jìn)入儀器的長垢片、大垢片造成的砂卡, 如圖3所示。
圖1 防砂卡渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
1-解卡管;2-進(jìn)液孔;3-薄壁筒;4-長條孔 (銷釘運(yùn)動槽) ;5-解卡管固定銷釘;6-中心管;7-渦輪流量計(jì)安裝短接;8-解卡管開槽;9-渦輪流量計(jì);10-含水傳感器安裝筒;11-篩狀出液孔
圖2 改進(jìn)前后進(jìn)液孔比較
圖3 改進(jìn)前后出液孔比較
將渦輪支架內(nèi)徑擴(kuò)大, 解卡管的內(nèi)壁充當(dāng)渦輪的內(nèi)壁, 解卡管通過固定銷釘固定在薄壁筒上, 通過開收傘, 薄壁筒帶動解卡管在長條孔上下運(yùn)動, 解卡管在解卡管開槽上下通過渦輪總成的支架, 在收傘的過程中實(shí)現(xiàn)渦輪總成的支架內(nèi)壁與葉輪之間的空間增大, 從而實(shí)現(xiàn)井內(nèi)出砂、垢粒、小垢片、渦輪支架與葉輪間隙小造成的砂卡的解卡。
在解卡管底端安裝磁鋼, 如圖4所示, 吸附流體中鐵屑、銹粉, 解決渦輪葉片磁鋼吸附鐵屑造成的砂卡。
圖4 單層磁鐵環(huán)設(shè)計(jì)截面圖
2、主要技術(shù)指標(biāo)：
20 m3渦輪流量計(jì)流量***大允許誤差為3%, 啟動排量1 m3/d, 支架內(nèi)腔直徑由13.80 mm擴(kuò)大為17.76 mm, 解卡管長18.90 mm, 外徑Ф17.00 mm, 內(nèi)徑Ф13.80 mm。
40 m3渦輪流量計(jì)流量***大允許誤差為3%, 啟動排量2 m3/d, 支架內(nèi)腔直徑由17.76 mm擴(kuò)大為20.00 mm, 解卡管長18.90 mm, 外徑Ф19.30 mm, 內(nèi)徑Ф17.76 mm。
解卡管頂端每120°均勻分布長16.1 mm, 寬2 mm槽縫, 線槽長24.6 mm, 寬2 mm, 解卡管底端的銷釘走固定槽寬4 mm, 長10 mm。
3、室內(nèi)校準(zhǔn)：
為了驗(yàn)證可行性, 采用室內(nèi)校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。機(jī)加組裝2支型號HK-ZS-40儀器, 編號為P033、P032, 2支HK-ZS-20儀器, 編號為K001、K018, 進(jìn)行室內(nèi)流量校準(zhǔn)。校準(zhǔn)介質(zhì):自來水。從2014年5月13日到2014年9月20日, 先后校準(zhǔn)阻抗儀40多次。
3.1、關(guān)于解卡管、進(jìn)液孔、出液孔造成的摩擦和局部擴(kuò)大 (縮小) 阻力損失用K值確定
K值為儀器常數(shù), 理想狀態(tài)下, 渦輪轉(zhuǎn)動只受流體作用于渦輪的力, 但實(shí)際測量時(shí), 除了流體作用于渦輪的力外, 渦輪還受到流體的粘性摩擦力、渦輪自重及渦輪軸承轉(zhuǎn)動的摩擦力、流體在進(jìn)入渦輪橫截面的局部阻力, 儀器常數(shù)用于評價(jià)渦輪葉片的受力情況, 其定義式為:
式 (1) 中, K為儀器常數(shù), r/ (m3·s) ;ξ為流量系數(shù), °/m3。
儀器常數(shù)的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)單位體積的流體流過渦輪時(shí), 渦輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)。從儀器常數(shù)的定義式可知, K值表征了流量范圍內(nèi)渦輪的平均轉(zhuǎn)速, 要求其大于等于1。K值越大, 則渦輪轉(zhuǎn)速越快, 所受阻力越小, 因此解卡管、進(jìn)液孔、出液孔造成的局部擴(kuò)阻力損失可以由K值衡量。通過校準(zhǔn), 按 (2) 式以***小二乘法就可求得儀器常數(shù)K值。
式 (2) 中, N為渦輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù), r/s;Q為流量, m3/d;q為啟動排量, m3/d。
表1為2014年8月24日P033第6次校準(zhǔn)結(jié)果。本次校準(zhǔn)平均K值1.301 r/ (m3·s) , 大于1.0 r/ (m3·s) , 同時(shí)***大引用誤差為1.08%, 小于***大允許誤差3%, 啟動排量2 m3/d時(shí)的平均轉(zhuǎn)速1.850 r/s, 因此P033校準(zhǔn)合格。同樣, P032、K001、K018先后校準(zhǔn)合格。因此, 在啟動排量、***大允許誤差合格的前提下, K值大于等于1, K值可以評價(jià)解卡管、進(jìn)液孔、出液孔造成的局部阻力損失。
表1 2014年8月24日P033第6次校準(zhǔn)結(jié)果
注:標(biāo)準(zhǔn)流量單位, m3/d;被測轉(zhuǎn)速單位, r/s;K值單位, r/ (m3·s) 。
3.2、確定渦輪葉片轉(zhuǎn)動的持續(xù)時(shí)間：
渦輪葉片能轉(zhuǎn)動的持續(xù)時(shí)間是指渦輪調(diào)試好后, 在一定作用力下, 渦輪葉片從轉(zhuǎn)動開始到停止的時(shí)間。由表2可知, P032第1次校準(zhǔn)時(shí), 解卡裝置末端沒有安裝磁鋼, 渦輪調(diào)試結(jié)果持續(xù)時(shí)間19s, ***大引用誤差3.012%不合格, 啟動排量2 m3/d時(shí), 平均轉(zhuǎn)速為0.943 r/s, 渦輪雖然沒有轉(zhuǎn)動, 但已接近轉(zhuǎn)動。P032第2次校準(zhǔn)時(shí), 解卡裝置末端沒有安裝磁鋼, 渦輪調(diào)試結(jié)果持續(xù)時(shí)間20 s, ***大引用誤差2.856%合格, 啟動排量2 m3/d時(shí), 渦輪轉(zhuǎn)動, 平均轉(zhuǎn)速為1.867r/s。K001第1次校準(zhǔn)時(shí), 解卡裝置末端沒有安裝磁鋼, 渦輪調(diào)試結(jié)果持續(xù)時(shí)間30s, ***大引用誤差2.458%合格, 啟動排量1 m3/d時(shí), 渦輪轉(zhuǎn)動, 平均轉(zhuǎn)速為2.245 r/s。P032和K001的校準(zhǔn)結(jié)果表明, 在啟動排量時(shí), 渦輪葉片轉(zhuǎn)動的持續(xù)時(shí)間超過20 s, 就可以保證啟動排量、***大引用誤差合格。為了提高渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)精度, 硬性規(guī)定為了保證啟動排量, 渦輪葉片轉(zhuǎn)動的持續(xù)時(shí)間為30 s。
表2 P032、K001校準(zhǔn)結(jié)果
3.3、磁鋼位置和大小的確定：
由表2可知, 解卡裝置末端粘貼寬15 mm、長15.2mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 安裝距離渦輪流量計(jì)磁鋼8.9 cm時(shí), P032第3次渦輪葉片轉(zhuǎn)動持續(xù)時(shí)間28 s, 40m3/d平均轉(zhuǎn)速49.650 r/s;同樣的磁鋼大小和安裝距離, K001第2次調(diào)試渦輪, 葉輪轉(zhuǎn)動持續(xù)時(shí)間26 s, ***大引用誤差1.908%合格, 啟動排量1 m3/d時(shí), 平均轉(zhuǎn)速0.513 r/s, 不合格。K001第3次, 解卡裝置末端粘貼寬15 mm、長3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 安裝距離渦輪流量計(jì)磁鋼9.6 cm, 渦輪沒有調(diào)試持續(xù)時(shí)間30 s, 但校準(zhǔn)結(jié)果***大引用誤差3.752%不合格, 啟動排量1 m3/d沒有啟動, 平均轉(zhuǎn)速0.666 r/s不合格。K001第4次, 重新調(diào)試渦輪, 持續(xù)時(shí)間30 s, 同時(shí)將寬15 mm、長3.8mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離調(diào)整為12.16 cm, ***大引用誤差1.095%, 啟動排量1 m3/d啟動, 平均轉(zhuǎn)速2.587。故***終確定弧形磁鋼寬15mm、長3.8 mm、厚1.8 mm, 距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離為12.16 cm。此時(shí)在流量計(jì)啟動排量時(shí), 渦輪葉片轉(zhuǎn)動。
3.4、中心管、解卡裝置材質(zhì)確定：
2014年8月23日將解卡裝置下端弧形磁鋼去掉, 并重新調(diào)試渦輪, 結(jié)果見表3。渦輪調(diào)試結(jié)果持續(xù)時(shí)間35 s, 雖然誤差-2.12%合格, 但啟動排量2 m3/d仍沒有啟動。磁鋼去掉后, 還有什么原因呢?2014年8月24日檢修發(fā)現(xiàn), 中心管、解卡裝置被磁化, 變相有磁場影響渦輪流量計(jì)啟動排量。更換中心管薄壁筒重新校準(zhǔn), 重復(fù)校準(zhǔn)13次, 誤差為分別為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值為1.29左右。從結(jié)果可知, 儀器P033線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性良好。所以中心管、解卡裝置必須為不導(dǎo)磁材料。
表3 2014年8月23日P033校準(zhǔn)結(jié)果
注:標(biāo)準(zhǔn)流量單位, m3/d;被測轉(zhuǎn)速單位, r/s;K值單位, r/ (m3·s) 。
4、現(xiàn)場應(yīng)用：
防砂卡渦輪流量計(jì)在五大隊(duì)成功解卡370井次, 現(xiàn)場解卡測試曲線見圖5。剛測試時(shí), 渦輪葉片轉(zhuǎn)動正常, 大約在20 s左右, 由于流體帶進(jìn)的雜質(zhì)導(dǎo)致流量曲線歸零。通過儀器二芯供電收傘, 大約15 s后再開傘, 一芯流量供電測試, 渦輪葉片通過瞬間開收傘, 擴(kuò)大了葉輪與渦輪殼體之間的空間, 雜質(zhì)通過, 渦輪葉片旋轉(zhuǎn)正常。從曲線可以看出, 在解卡前和解卡后, 渦輪旋轉(zhuǎn)一致, 都為15 m3/d左右, 而且解卡前后沖次一致, 渦輪流量計(jì)解卡裝置有效解決了因油井出砂、垢片、間隙小造成的砂卡, 砂卡率由原先的70%降低到30%, 實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)液剖面流量準(zhǔn)確測試。
圖5 現(xiàn)場解卡測試成果曲線
在現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)現(xiàn), 磁鋼固定采用AB膠效果不理想, 下一步研究怎么固定磁鋼, 磁場的大小怎么確定, 解決渦輪磁鋼吸附鐵屑造成的砂卡。
5、結(jié)論：
1) K值可以衡量解卡裝置、進(jìn)液孔、出液孔、弧形磁鋼造成的摩擦和局部阻力損失;
2) 在解卡裝置末端粘貼寬15 mm、長3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離為12.16 cm時(shí), 在渦輪流量計(jì)啟動排量不會造成不啟動;
3) 中心管、解卡裝置必須是不導(dǎo)磁材料, 否則啟動排量不能啟動;
4) 磁鋼固定采用AB膠效果不理想, 下一步研究磁場的大小和磁鋼固定方式。