一種單芯遙測電導陣列探針產出剖面測井儀的研制

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(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司　黑龍江　大慶　163453)

0　引　言

目前大慶油田產出剖面高含水測量主要以阻抗法[1]和探針法為主，測井儀以脈沖信號傳輸，耐溫、耐壓指標和可靠性低，輸出信號過測井電纜后畸變較大，地面解碼困難；其中利用電導法的陣列探針儀器所使用的電導探針傳感器為手工制作，一致性不好、使用壽命短[2]；儀器連接及機加件固定需要配鉆，零件互換性差，組裝和維修工作量大。基于電路設計和機械加工工藝水平的提高，考慮到儀器組裝、維修的便捷性以及對外技術服務，有必要研制一套新型的單芯遙測電導陣列探針產出剖面組合測井儀。

探針傳感器在垂直管道中探測油水兩相電導流動信號已取得很好的效果[3]，利用探針測量管道內介質的導電性，具有較好的重復性和一致性。探針法不但可以測量井下混合流體的整體含水狀況，而且通過探測信號可以估算油泡(氣泡)的大小和分布情況，通過對測井數據的分析和解釋，儀器有望應用于部分三相流的測井中[4]，因此新研制的儀器采用探針法測量含水。新儀器對電路、機械接口、電導探針傳感器和集流傘進行了重新設計。儀器電路利用單片機內置功能替代原儀器電路上大量使用的分立元件；設計了整體封裝的電導探針傳感器，并委托專業廠家加工；改變集流器動作依靠電機直接連接絲杠的方式，設計多級的電機傳動機構，使集流器的行程控制更加精準。通過在電路和機械結構上對傳統產出剖面測井儀進行優化，新儀器的加工工藝、耐溫、耐壓指標和一致性比原儀器有了明顯的提升。

1　總體結構

測井儀由電路、電路快速連接、存線倉、出液口、集流傘快速連接、流量傳感器、電導探針傳感器、集流傘和電機組成，如圖1所示。儀器通過位于集流傘內部的電導探針傳感器與油水介質接觸探測持水率，通過渦輪葉片轉數記錄井下流體的體積流量。測井儀在井下集流后，流體從進液口流入，依次通過電導探針傳感器和流量傳感器，從出液口流出。

圖1　單芯遙測電導陣列探針產出剖面測井儀結構

2　技術指標

外徑：28 mm；

耐溫：150 ℃；

耐壓：50 MPa；

流量測量范圍：3～80 m3/d，±3%F.S；

含水測量范圍：50%～100%，±5%；

3　含水測量原理

電導陣列探針產出剖面測井儀采用井下集流的方式測量含水，其測量是根據油、水不同的導電特性，在儀器流道內設置一組陣列探針，通過檢測探針與油水的接觸情況來進行持水率測量。當探針接觸到油(氣)或水時，每路探頭就會產生不同的輸出信號，信號輸出高電平代表油泡(或氣泡)，低電平代表水，輸出信號的寬度表明油泡(或氣泡)與探針的接觸時間[2]。

通過電路對同一測點的各路探針傳感器輸出信號進行連續采集，計算該處探針處于水中的導電時間與處于油和水中的導電時間均值之比，即可以計算探針的局部持水率，如式(1)所示。將各探針局部持水率平均，得到平均持水率，通過模擬井建立含水率與持水率的關系圖版進行解釋，進而得到含水率。

(1)

4　電路設計

儀器采用三芯電纜，供電和信號傳輸在同一根纜芯上完成，集流傘供電使用三芯電纜的另外一根纜芯。電路由溫度壓力磁性定位遙測部分及流量含水測量部分組成,如圖2所示。

圖2　單芯遙測電導陣列探針產出剖面測井儀電路框圖

流量含水測量電路中，簡化了探針前端處理電路，4路探針對油泡信號的采集、計算和閾值設置均由單片機程序進行判斷和控制。電導探針輸出的含水信號通過AD后與計數器輸出的渦輪信號一同進入流量含水處理電路，如圖2(b)所示。流量含水測量電路通過串行通信與井溫壓力遙測三參數電路相連，遙測電路定時發送地址位，當流量含水電路接收到地址后，將地址對應的數據發送給遙測電路，兩個功能短接利用串口通信解決了流量和含水參數的數據通訊。

溫度壓力磁性定位及遙測電路利用單片機直接采集溫度、壓力和磁性定位信號，信號經過內置芯片的相關運算和處理后與流量和含水信號通過遙測電路內的單片機程序控制進行編碼，然后經功率放大后上傳電纜，如圖2(a)所示。

5　結構設計

該測井儀機械部分在選材、功能設計、加工工藝等方面進行了大量的創新，新儀器充分考慮到儀器的組裝、維修和拆卸，相對于目前產出剖面測井儀做了以下設計。

5.1　電路短接快速連接

產出剖面測井儀包含渦輪、集流傘、電機等多個可動部件，儀器內部機械部件繁多，每次下井后均需要拆卸清洗和更換集流傘。為了便于儀器的專業化維修和測量短接的攜帶，在儀器電路和密封塞之間設計了快速連接，如圖3所示。電路快速連接接口采用高溫七芯接插件，插件的公頭連接電路，母頭連接密封塞，旋轉電路板架座和密封接頭，可以將儀器電路和測量部分快速相連或分離。

圖3　電路短接快速連接

5.2　電導探針傳感器

電導探針含水測量要求探針位于集流傘內部，原探針傳感器為手工制作，探針及支座通過頂絲固定在中心管側壁上，探針的一致性、軸向位置和截面分布位置很難保證，并且安裝時需要拆卸集流傘傘布，操作及維修極不方便。新設計的電導探針傳感器采用整體封裝工藝，由針尖、兩級保護套管、密封堵、信號引線及密封膠尾組成，如圖4所示。保護套嵌入密封堵內，與針尖相連的信號引線通過兩級保護套管后，與密封膠尾連接。該探針針尖作為含水傳感器探頭，探針外殼作為信號回路。密封堵靠近針尖一側設計螺紋，在集流傘上座總成端面軸向均勻設計4個探針安裝孔，當探針完全旋入安裝孔后，探針測量部分正對進液口。新電導探針傳感器耐溫耐壓指標高，針尖長度及安裝位置更加精準，減少了由于探針自身差異及安裝位置不一致給測量帶來的誤差。

圖4　電導探針傳感器

5.3　集流傘驅動裝置

集流傘是產出剖面測井儀易損部件，為了提高集流傘驅動能力，準確控制行程，避免絲杠抱死等現象的發生，對集流傘驅動裝置進行了重新設計。新的驅動裝置如圖5所示，推桿和滾珠絲杠位于滾珠絲杠架內，上下兩側為雙拉板。上下兩個拉板的右側通過凹槽掛接在滾珠絲杠中間螺母的兩端，與推桿相連的連接方塊通過頂絲固定在上下兩個拉板之間，當電機驅動滾珠絲杠螺桿旋轉時，螺母帶動上下兩個拉板軸向移動，連接方塊通過推桿帶動集流傘下傘支座完成集流傘的開啟和閉合。該方式電機和絲杠受力均勻，集流傘工作更加可靠。

圖5　集流傘驅動裝置

6　模擬井動態實驗

該單芯遙測電導陣列探針產出剖面測井儀在油氣水三相流實驗室內進行了持水率測量實驗，實驗分別記錄各流量下不同含水配比時，4根探針的持水率輸出，如圖6所示。圖6(a)～(f)分別是流量在80、60、40、20、10和5 m3/d時，電導探針在不同含水時的持水率輸出。從對比圖可以看出，各流量測試點在含水率不同時，輸出的持水率有明顯的變化。含水越高，探針輸出的持水率越高；針對相同的油水配比，4根電導探針輸出值趨于一致，電導探針具有較好的一致性。

將圖6中各流量下4個電導探針的測量值平均，如表1所示。以流量為橫坐標、平均持水率為縱坐標，建立流量-含水解釋曲線，圖例為含水曲線，如圖7所示。從解釋曲線可以看出，當流量高于5 m3/d、含水大于50%時，持水率測量結果與含水曲線具有很好的響應，含水越高，持水率測量精度越高。

圖6　電導陣列探針不同流量下持水率輸出

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

圖7　單芯遙測電導陣列探針含水解釋曲線

7　結　論

采用單芯遙測技術，解決了原測井儀過電纜解碼困難的問題；通過單片機控制簡化了電路硬件設置，增加了電路調試的靈活性。新型的儀器連接和組合形式有利于儀器的攜帶和專業化維修；整體封裝的電導探針傳感器提高了含水率測量的準確性和儀器的使用壽命；雙拉板驅動裝置使集流傘驅動和行程控制更加可靠。動態實驗表明單芯遙測陣列探針產出剖面測井儀電路工作穩定、測井時效高、探針傳感器對油泡反應敏感，儀器電路和機械結構的優化達到了預期的設計要求。

[1] 胡金海,劉興斌,張玉輝，等. 阻抗式含水率計及其應用[J].測井技術,1999.23(增刊):511-514.

[2] 房乾,韓世林,朱海清，等.陣列探針產出剖面測井技術及其應用[J].石油天然氣學報,2013,35(12),89-92.

[3] 金寧德,鄭桂波,胡凌云.垂直上升管道中氣液兩相流電導波動信號的混沌特性分析[J].地球物理學報,2006,49(5): 1552-1560.

[4] 鄭華.三相流產出剖面測井在大慶油田適用性研究[J]. 測井技術,2004,28(4): 344-347.