皮球集流式阻抗找水儀的改進

2018-09-11 06:15:12姜海巖

石油管材與儀器 2018年4期

姜海巖

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司黑龍江大慶 163712)

0 引言

過環空找水測試自推廣以來，為抽油機井管理、檢泵及對注采井網調整，對竄槽及高含水層封堵和低滲透層壓裂改造，都提供了可靠的依據。同時對目前研究表外儲層產能和含水情況，以及油層動態情況都是不可缺少的資料。隨著地質開發地不斷深入、精細，對產液剖面測試有了新的更高的要求。目前，環空產出剖面測井儀主要是阻抗式找水儀，阻抗式找水儀有傘集流和皮球集流兩種方式。采用傘集流式阻抗式找水儀進行流量和含水率的測量時，測量過程中存在液體漏失現象，對低產液井測量誤差偏大，在低流量下無法準確測量流量和含水值，導致測井資料的解釋精度不高[1]。皮球集流式阻抗式找水儀在實際測試中，表現為低流量測試靈敏度高、測量準確，在低產液井中具有傘集流式阻抗式找水儀無法比擬的優勢。

皮球集流式阻抗找水儀下井過程中皮球是直接與油管外壁、套管內壁接觸，粗糙的井壁和井下接箍、工具等容易把皮球磨破或是磨薄，在皮球集流過程中也會因為皮球變薄或集流時間過長導致皮球被打爆。儀器下到井下時由于一些井出沙嚴重渦輪轉動困難造成沙卡，導致測井成功率低。為此，對皮球集流式阻抗找水儀進行了改進，解決了實際問題，提高測井成功率和測試精度。

1 皮球集流式阻抗找水儀的組成及原理

皮球集流式阻抗找水儀主要由電磁泵、泄壓閥、皮球、阻抗探頭、線路筒、渦輪總成等幾部分組成。

儀器結構示意圖如圖1所示。

圖1 儀器結構示意圖

電磁泵，由圓柱形電磁鐵和活塞泵構成，當供半波整流50Hz電流時，電磁鐵大幅度振動并帶動活塞泵往返工作。測井時電磁振動泵將井內的流體注到皮球集流器內，使皮球脹起并集流，膨脹的皮球能與套管很好地密封，使井內流體全部通過找水儀的中心管道，流體流經渦輪時，渦輪帶動磁鋼轉動，流過渦輪的流量大小與渦輪轉速成線性關系。傳感器檢測出渦輪的轉速，經整形電路整形放大后形成與渦輪轉速相對應的脈沖信號，經電纜輸送到地面，可通過脈沖信號的頻率求得流體的體積流量[2]。當流體從傳感器內流過時，給傳感器的發射電極供電，通過測量電極檢測到與混相時含水率對應的電壓信號，電路將此電壓信號變為對應的脈沖信號，輸出到地面并與取樣時測量的全水值相對比求出井液的含水率[3]。資料錄取完成后經泄壓閥泄壓后，皮球收攏時縮到儀器的外徑大小，保證井下儀器順利起下。

2 皮球集流式阻抗找水儀的改進

2.1 改進設想

在皮球材質的選擇上選用高彈性硫化橡膠添加抗老化劑、耐磨劑、耐油成分等加工而成的皮球。修改寶石座，降低渦輪質量，相當于減小了摩擦阻力。改變渦輪的尺寸，使渦輪與渦輪架空隙變小，解決渦輪容易沙卡的問題。減小含水傳感器電極筒內徑，增加低流量在電極筒內的流速，使啟動排量降低，以提高皮球集流式阻抗找水儀測試的精度。

2.2 含水傳感器改進

傳感器壁上按一定距離排列3個圓環不銹鋼電極，3個電極環同軸縱向排列，最上面的電極環作為激勵電極，下面一對電極環作為測量電極。

傳感器的改進：

1)電極筒內徑由原來的Φ19改為Φ14，增加了低流量時流體在電極筒內的流速，使渦輪總成啟動排量從原來的2 m3/d降到了0.5 m3/d左右。提高含水測試精度。

2)電極環由原來的圓圈型改為圓圈加十字網，由于圓圈型電極環緊貼電極筒壁，此處流量幾乎為零，而油水混合液體的流速在電極筒的中心位置最高，并且中心位置混合的最好，因此加有十字網的電極環測試效果會好于圓圈型電極環。

改造前后含水標定曲線如圖2、圖3所示。

圖2 改造前含水標定曲線

圖3 改造后的含水標定曲線

從圖1和圖2含水標定曲線可以看出，電極筒及電極環的改變，帶來了含水標定曲線的巨大變化。改造前低流量時含水測試結果偏高，低含水測試數據波動大，高低含水曲線形態不一致，50%和60%含水曲線基本重合。改造后低流量時含水測試結果偏低，各含水曲線形態基本一致，2 m3/d含水曲線標定很順利，各含水曲線波動不大，非常平穩，并且各含水曲線沒有交叉現象。

2.2 皮球材質改進

由于需要在油井中施工，皮球材質必須耐油、彈性好、耐摩擦、抗老化。對聚氨酯橡膠皮球、異戊橡膠皮球、氯丁橡膠皮球、硫化橡膠皮球等加工而成的皮球，在室內對其進行耐磨、彈性、耐熱性、拉伸性等方面進行試驗，硫化橡膠具有不變黏，不易折斷等特質，具有較高的彈性、耐熱性、拉伸強度和在有機溶劑中的不溶解性等特點。所以皮球材質最終定型為由高彈性硫化橡膠添加抗老化劑、耐磨劑、耐油成分等加工而成，皮球的壁厚由過去的2.0 mm增加到3.0 mm，與以前的皮球相比彈性、韌性、抗裂性都有很大的提高。

皮球的外胎加設了涂乳膠的尼龍絲織品，防止皮球在下井過程中被磨破，并起到耐壓保護皮球的作用。改進后的皮球解決了下井過程中與井壁摩擦和集流過程中打爆的問題。

新舊皮球壁厚和彈性系數對比見表1。

表1 皮球壁厚和彈性系數對比表

2.3 渦輪改進

皮球集流式阻抗找水儀流量測量采用渦輪流量計(霍爾元件)檢測方式。運動流體流經渦輪時，渦輪帶動磁鋼轉動，由于流過渦輪的流量大小與渦輪轉速成線性關系，霍爾元件構成的傳感器檢測出渦輪的轉速，經整形電路整形放大之后形成與渦輪轉速相對應的脈沖信號，經電纜輸送到地面，可通過脈沖信號的頻率求出流體的體積流量。

渦輪受到的外力矩由兩部分組成，一部分是流體作用于渦輪的力矩，另一部分是阻力矩。阻力矩是由流體的粘性摩擦力矩、寶石軸承的摩擦力矩及電磁阻力之和，阻力力矩和流體作用于渦輪的傷的力矩是相反的，當后者大于前者時，渦輪開始旋轉[3]。想要降低渦輪啟動排量就要想辦法減小阻力距，由于流體的粘性摩擦力無法改變，所以通過修改寶石座降低了渦輪質量，相當于減小摩擦阻力；修改渦輪架內徑、渦輪葉片外徑，使渦輪與渦輪架之間的空隙由原來的1 mm降低到0.6 mm，使渦輪沙卡的概率大大降低。

另外在泵的進液孔和流量測試進液孔都安裝了篩網，可大大減少井內出砂和雜質對測試的影響。

改造前后渦輪內外徑和寶石支架的對比見表2。