摘 要：本文介紹了適用于井下流量測(cè)量的金屬管浮子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理，地面模擬實(shí)驗(yàn)及在青海油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該流量計(jì)具有啟動(dòng)流量低、測(cè)量范圍寬，能夠應(yīng)用于井下油水兩相流及產(chǎn)液含砂井的流量測(cè)量。

 

引言

目前國(guó)內(nèi)油井過環(huán)空產(chǎn)出剖面測(cè)井的流量測(cè)量以渦輪流量計(jì)為主[1] [2]，由于受儀器外徑和集流效果限制，渦輪流量計(jì)通常存在如下缺點(diǎn)：流量測(cè)量范圍小，或者啟動(dòng)排量過高或者測(cè)量流量上限太低[3]；砂卡普遍較為嚴(yán)重，不能測(cè)量含砂流體；隨著三次采油技術(shù)的推廣，渦輪流量計(jì)因粘度影響，已無法滿足稠油及注聚產(chǎn)液測(cè)量。因此，準(zhǔn)確的流量測(cè)量對(duì)新型流量計(jì)的需求顯得愈加迫切。

 

1 金屬管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 金屬管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)

為了達(dá)到降低流量測(cè)量下限，提高流量測(cè)量上限，進(jìn)而拓寬流量測(cè)量范圍，同時(shí)也為了有效防止砂卡，客服流體粘度影響，從而達(dá)到測(cè)量含砂流體或注聚產(chǎn)液目的，井下金屬管浮子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

位移傳感器外殼 1 主要用于封裝位移傳感器 2~8 等部件；位移傳感器是差動(dòng)變壓器式傳感器，其內(nèi)部鐵芯 3 用于傳遞浮子位移、速度；浮子 6 置于流道中央進(jìn)液口處進(jìn)行流量測(cè)量；下壓彈簧 4 固定于差動(dòng)變壓器式傳感器 2 下端，用于提高流量上限；浮子活動(dòng)范圍由出液口短接 5 長(zhǎng)度所限；上托彈簧 7 用于降低流量下限。

 

1.2 金屬管浮子流量計(jì)工作原理

流體由進(jìn)液口進(jìn)入儀器流道，推動(dòng)浮子，浮子上移過程中，流體在出液口處的流通截面積逐漸增大，不同的流量對(duì)應(yīng)不同的流通截面積，截面積的變化轉(zhuǎn)化為浮子的位移，進(jìn)而不同的流量又轉(zhuǎn)化為浮子的不同位移，即：流量—>面積—>位移。此位移再由內(nèi)部鐵芯傳遞給差動(dòng)變壓器式傳感器，位移

傳感器通過測(cè)量浮子位移位移傳感器通過測(cè)量浮子位移量來測(cè)量流體流量。

 

1.3 金屬管浮子流量計(jì)特點(diǎn)

浮子式流量計(jì)在地面計(jì)量中是一種成型產(chǎn)品，投入實(shí)際應(yīng)用的已好多種，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，各式型號(hào)的浮子式流量計(jì)一直未能在井下過環(huán)空產(chǎn)出剖面流量測(cè)量中得到較好應(yīng)用。本文所述井下金屬管浮子流量計(jì)，綜合以往各式金屬管浮子流量計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)渦輪流量計(jì)所存缺陷，面向目前新時(shí)期流量測(cè)量特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，經(jīng)多方優(yōu)化設(shè)計(jì)而成，主要應(yīng)用于井下過環(huán)空產(chǎn)出剖面穩(wěn)定流態(tài)點(diǎn)測(cè)，其特點(diǎn)如下：

（1）本裝置為流體提供的流通通道短，浮子上、下兩處裝置兩根輔助彈簧。在浮子上移過程中，流體在出液口處的流通截面積逐漸增大，流體對(duì)浮子的沖擊減弱，因此可通過加長(zhǎng)浮子位移量提高流量上限；在高流量范圍內(nèi)，在流通面積的增加量不足以滿足測(cè)量范圍要求時(shí)，浮子向上壓縮下壓彈簧，下壓彈簧彈力克服相當(dāng)部分流動(dòng)壓力及浮子自身浮力，使流量計(jì)不至于很快飽和產(chǎn)出，因此可以通過增加下壓彈簧倔強(qiáng)系數(shù)提高流量測(cè)量上限；

（2）從啟動(dòng)到下托彈簧共工作工程中，下托彈簧使浮子處于受力平衡狀態(tài)，因而流量測(cè)量幾乎無須克服浮子自重而實(shí)現(xiàn)低啟動(dòng)排量，極大程度上降低了流量測(cè)量下限；

（3）浮子與流通內(nèi)壁距離遠(yuǎn)大于流體內(nèi)含砂的粒徑，能夠用于含砂流體的測(cè)量，很好的解決了渦輪流量計(jì)所無法克服的砂卡問題。

 

1.4 金屬管浮子流量計(jì)流量測(cè)量過程力學(xué)分析

井下金屬管浮子流量計(jì)的測(cè)量原理既符合傳統(tǒng)金屬管浮子流量計(jì)的測(cè)量原理，又有一定區(qū)別。該流量計(jì)工作時(shí)，浮子的受力、位移不斷變化，此過程大體分為四個(gè)階段：

 

1.4.1 零流量

浮子 6 由上托彈簧 8 托扶，上托彈簧 8 被壓縮，

浮子 6 處于平衡位置，其力學(xué)關(guān)系式為：

M1+M2+M3=0 （1）

其中，M1 是上托彈簧的彈力；M2 是浮子所受的浮力；M3 是浮子所受的重力。上托彈簧力 M1 和浮力 M2 克服浮子自身重力 M3 ，受力平衡，零流量時(shí)浮子靜止，此時(shí)稍加流量，處于平衡狀態(tài)的浮子即可產(chǎn)生位移，降低了啟動(dòng)排量，帶入各自的表達(dá)式得：

k1△x+ρgV-mg=0 （2）

k1 上托彈簧倔強(qiáng)系數(shù)；△x 上托彈簧的壓縮長(zhǎng)度；流體密度ρ ；g 重力加速度；V 浮子體積；m 浮子質(zhì)量。

 

1.4.2 低流量

在流動(dòng)壓力作用下，浮子 6 上浮，其位移量由位移傳感器 2 測(cè)量，流體在出液口位置的流通截面積增大，浮子6在新的位置達(dá)到平衡，其力學(xué)關(guān)系式為：

F（Q）+ k1△x+ρgV-mg = 0 （3）

其中 F（Q）為流動(dòng)壓力，該力是浮子上下的流體壓力差，流體流出出液口后，以扇狀發(fā)散向上流，設(shè)S1、S2 分別是流束在浮子上下的流通截面積；P1、P2分別為浮子上下的壓力；V1 、V2 為流體在 S1、S2 截面積上的流速。流體滿足伯努利方程：

此式同時(shí)說明流動(dòng)壓力 F(Q)與流體的流量 Q 的平方成正比。

 

1.4.3 中流量

隨著流量增加，當(dāng)流量足夠大時(shí)，浮子脫離上托彈簧 8，但未觸及下壓彈簧 4，浮子懸浮于流體當(dāng)中，上托、下壓彈簧的形變均為零。在該流量范圍內(nèi)，重力、浮力、流體推動(dòng)力達(dá)到新的平衡，浮子 6 的力學(xué)關(guān)系式為：

F（Q）= +ρgV-mg = 0 （13）

 

1.4.4 高流量

進(jìn)入高流量后，浮子向上壓縮下壓彈簧 4，此時(shí)浮子受重力、浮力、流體推力、下壓彈簧反向推力，其力學(xué)關(guān)系式為：

F（Q）-k2△x+ρgV-mg = 0 （14）

 

2 方法實(shí)驗(yàn)

方法實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為柴油、水兩相流：含水率調(diào)節(jié)為0、30%、50%、70%、80%、90%、100%；在每一含水率下 ，流 量 調(diào) 節(jié) 為 1m3/d、5m3/d、10m3/d、2m3/d、3m3/d、5m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、100m3/d，記錄各含水率下不同流量時(shí)金屬管浮子流量計(jì)輸出頻率的變化量，得到井下金屬管浮子流量計(jì)在油水兩相流條件下的方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖 2）。圖中橫坐標(biāo)是配比流量（m3/d），縱坐標(biāo)是儀器輸出頻率（Hz）。

 

由圖 2 可以看出，浮子的啟動(dòng)流量很低為 1m3/d，流量上限達(dá) 70m3/d；在 0、30%、50%、70%、80%、90%、100%每一含水率不同流量下，金屬管浮子流量計(jì)頻率響應(yīng)有較好的線性關(guān)系；在 1m3/d、5m3/d、10m3/d、2m3/d、3m3/d、5m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、100m3/d 每一流量下，不同含水率下儀器輸出頻率離散性很小。

 

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及分析

青海、江蘇、華北油田，許多待測(cè)油井井況比較特殊，以往的 測(cè)井儀器根本無法下井，而且大都為含砂井，砂卡普遍較為嚴(yán)重，渦輪流量計(jì)根本無法應(yīng)

用，無法進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)量[4]。井下金屬管浮子流量計(jì)憑借自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)，配接于 產(chǎn)出剖面測(cè)井儀上，采用傘式集流器在這些油田成功的實(shí)現(xiàn)了流量測(cè)量。圖 3 為青海油田 X 井測(cè)井曲線圖，該井產(chǎn)量為 53.3m3/d，含砂大約 6%。由圖中井溫及微差井溫曲線可以看出，該井主產(chǎn)層在 1460m~1510m，結(jié)合磁定位曲線所示射孔層位及井溫變化曲線可定性的判斷出四個(gè)主要產(chǎn)層，大致分布在深度為 1470m~1475m，1480m 附 近 ，1485~1490m，1495m 附 近 ，1500m 附近開始進(jìn)入死水口。

 

根據(jù)射孔深度、井溫曲線波動(dòng)，該金屬管浮子流量計(jì)的測(cè)點(diǎn)深度分別選取在 1475.4m、1478.9m、1484.6m、1489.1m、1493.6m，相應(yīng)射孔深度的點(diǎn)測(cè)響應(yīng)值分別為 960Hz、947Hz、837Hz、762Hz、646Hz，不同的頻率值對(duì)應(yīng)不同的產(chǎn)量，表明金屬管浮子流量計(jì)在主產(chǎn)層工作正常，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各產(chǎn)層產(chǎn)量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并且測(cè)量不受限于含砂流體，可以用于含砂井的流量測(cè)量。

 

表 1 是將圖 4 金屬管浮子流量計(jì)測(cè)井頻率響應(yīng)曲線圖中深度與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化成深度及流量對(duì)應(yīng)關(guān)系。選取 1500m 死水區(qū)頻率為 260Hz（金屬管浮子流量計(jì)

基值）作為基值，其他測(cè)點(diǎn)頻率響應(yīng)與之分別作差頻，根據(jù)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出各差頻值對(duì)應(yīng)的流量，死水區(qū)選 0m3/d。

 

選取表 1 中的測(cè)點(diǎn)深度值為橫坐標(biāo)，流量作為縱坐標(biāo)，繪制金屬管浮子流量計(jì)深度-流量測(cè)井曲線 （見圖 4）

 

4 結(jié)論

井下金屬管浮子流量計(jì)流量測(cè)量原理的正確性已經(jīng)由室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，而且青海油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，該浮子式流量計(jì)的流量測(cè)量下限低，流量測(cè)量范圍寬，能測(cè)量含砂流體，特別適合于井下流體測(cè)量。