摘要：水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試使用的渦輪流量計(jì)受啟動(dòng)流量影響，不適應(yīng)于低液量水平井測(cè)試。研制了適用于小流量測(cè)試的井下存儲(chǔ)式金屬管浮子流量計(jì)，并與溫度、壓力、含水測(cè)試傳感器組成井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀，該儀器隨油管下入水平井段，無(wú)需電纜和爬行器，可在油井正常生產(chǎn)的情況下連續(xù)工作一個(gè)月，提高了低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試的準(zhǔn)確率和成功率。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)表明，井下金屬管浮子流量計(jì)應(yīng)用于水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試可行，為低滲透油田水平井產(chǎn)液剖面的流量測(cè)試提供了新途徑。

0　引　言
        水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試技術(shù)是從油套環(huán)空通過電纜或連續(xù)油管將產(chǎn)液剖面測(cè)試儀器輸送至射孔段，在抽油機(jī)不停抽情況下采用渦輪流量計(jì)、持水率儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量、含水，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能在抽油機(jī)不停抽的情況下獲得井下分段的流量、含水率等數(shù)據(jù)［１?常蕁５?牽?９娌?浩拭娌饈栽謁?驕?忻媼偎?蕉味嘞嗔魈宸植�、道D攣薹ㄏ氯氳任侍猓?饕?捎肕APS陣列式測(cè)井儀和爬行器等解決方案［４?叮蕁Ｈ歡???浩拭媸褂玫奈新至髁考圃冢蛋園遡n倡套管井中流量小于５０m３／d時(shí)，渦輪啟動(dòng)困難［７］，不適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試；爬行器受井筒環(huán)境影響，測(cè)試成功率不高且測(cè)試作業(yè)費(fèi)用昂貴。長(zhǎng)慶油田水平井日產(chǎn)液小于２０m３的井占總井?dāng)?shù)的８７％，平均單段日產(chǎn)液小于２m３，低液量水平井的產(chǎn)液剖面測(cè)試已成為一個(gè)重要難題。為此，本文開展了將金屬管浮子流量計(jì)應(yīng)用于水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試的探索研究，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需電纜輸送儀器、提高測(cè)試準(zhǔn)確率、降低作業(yè)成本的目的。

1　金屬管浮子流量計(jì)
1.1　結(jié)構(gòu)和原理
        金屬管浮子流量計(jì)由一個(gè)錐形管和一個(gè)置于錐形管中可以上下自由移動(dòng)的浮子組成（見圖１）。流量計(jì)本體兩端用法蘭連接或螺紋連接的方式垂直安裝在測(cè)量管路上，使流體自下而上流過流量計(jì)，推動(dòng)浮子。由于節(jié)流作用，使上下游產(chǎn)生壓差Δp，由于該壓差的存在，使得浮子受到迎面的壓差阻力，在該阻力的作用下，浮子在錐管中上升，流通面積A增大，環(huán)隙中流體的平均速度減小，直到該阻力與浮子的自重和浮力相平衡時(shí)，浮子停留在某一高度。流量Qv越大，浮子停留的高度h越高。在穩(wěn)定情況下，浮子懸浮的高度h與通過流量計(jì)的體積Qv之間有一定的比例關(guān)系為
       
        式中，α是金屬管浮子流量計(jì)的流量系數(shù)；Df是浮子的非常大直徑；Af是浮子迎面流體面積；Vf是浮子的體積；ρf是浮子材料密度；φ是錐管的錐角；ρ是流體介質(zhì)密度；h是浮子高度。

        對(duì)于一定的流量計(jì)和流體，式（１）中的Df、Af、Vf、ρf、φ、ρ等均為常數(shù)，因此，只要保持α為常數(shù)，則流量Qv與浮子高度h之間就存在近似線性關(guān)系。

        因此，可以將這種對(duì)應(yīng)關(guān)系直接刻度在流量計(jì)的錐管上，根據(jù)浮子的高度直接讀出流量值，或通過電存儲(chǔ)方式將流量信號(hào)（即浮子的位置信號(hào)）記錄。

1.2　金屬管浮子流量計(jì)的特點(diǎn)
        由于金屬管浮子流量計(jì)在測(cè)量過程中始終保持節(jié)流件前后的壓差不變，通過改變流通面積實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。①幾乎不會(huì)遇到砂卡的現(xiàn)象，與渦輪流量計(jì)相比受井筒環(huán)境的影響小；②可接收微小流量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低液量井流量測(cè)試；③浮子的高度取決于液體的流量，氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小［８］。

2　井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀
        借鑒常規(guī)金屬管浮子流量計(jì)，同時(shí)考慮到水平井中儀器無(wú)法通過電纜在水平段下放，使用爬行器價(jià)格昂貴且受井筒環(huán)境影響故障率高等因素，設(shè)計(jì)了適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試的井下金屬管浮子流量計(jì)，同時(shí)與溫度、壓力、含水測(cè)試傳感器以及電路系統(tǒng)組成井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀，該儀器和油管連接后一起下入到射孔段，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)多段壓裂水平井產(chǎn)液信息。

2.1　水平井井下金屬管浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)
        水平井井下金屬管浮子流量計(jì)由浮子、推桿、滑套、線圈、彈簧、流量護(hù)管、單流閥等組成（見圖２）。

        工作原理：給浮子感應(yīng)線圈上提供恒定的電流激勵(lì)，當(dāng)井下流體通過過流通道，推動(dòng)浮子移動(dòng)，銜鐵發(fā)生位移，引起感應(yīng)線圈中磁阻變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)濾波放大，輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理后測(cè)得流量。流量測(cè)量線圈采用差分結(jié)構(gòu)，溫漂小，在流量線圈外加屏蔽層，減少外部對(duì)流量測(cè)量的干擾；自感傳感器可以測(cè)量０暢０１μm～５０mm的機(jī)械位移，具有測(cè)量精度高、靈敏度高、線性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3　存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2.2　含水率、溫度和壓力測(cè)量設(shè)計(jì)
        含水率測(cè)試儀采用電容式含水率傳感器和阻抗式含水率傳感器組合設(shè)計(jì)，分別測(cè)試流體的電容值和電導(dǎo)率，可以適應(yīng)低含水和高含水傳感器組合，可以更加精準(zhǔn)測(cè)量含水率。

        溫度測(cè)量原理：給PT１０００提供恒流激勵(lì)，當(dāng)井溫變化時(shí)，PT１０００的阻值也會(huì)發(fā)生變化，測(cè)量電路輸出與溫度成正比的差動(dòng)電壓信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)AD采集，得到溫度信號(hào)。

        壓力測(cè)量原理：壓力傳感器采用恒壓供電電路，輸出與壓力成正比的壓力差動(dòng)電壓信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)AD采集，得到壓力信號(hào)。

2.3　儀器功耗設(shè)計(jì)
        儀器選用容量為９Ah的高溫電池，采樣間隔有多種類型可供選擇，非常小可設(shè)置為３s。儀器工作３０d非常大功耗設(shè)計(jì)如下。
        （１）當(dāng)儀器采樣間隔設(shè)置為３s時(shí)。每間隔３s需要采集１次數(shù)據(jù)，采集０暢８s，此時(shí)總電流不超過２５mA。１個(gè)月的耗電量４暢８Ah。
        （２）當(dāng)儀器不工作時(shí)，進(jìn)入休眠狀態(tài)�？傠娏鞑怀�過１００μA。１個(gè)月耗電量０暢０７２Ah。
        （３）儀器每采集８７組數(shù)據(jù)（８７×３s＝２６１s）進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)時(shí)間為０暢６s，總電流不超過５０mA。１個(gè)月耗電量０暢０８２Ah。
        （４）儀器１個(gè)月非常大耗電量４暢９５４Ah。儀器可在井下連續(xù)工作１個(gè)半月以上。

2.4　水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀結(jié)構(gòu)及原理
        井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀由金屬管浮子流量計(jì)、含水探頭、溫度探頭、壓力傳感器、測(cè)量電路、供電電池組成（見圖３）。當(dāng)正常產(chǎn)液時(shí)，坐封單向閥截止，流體通過進(jìn)液口，推動(dòng)浮子移動(dòng)，從而測(cè)得流量。流體由過流通道流經(jīng)溫度探頭、壓力探頭與含水探頭時(shí)，可測(cè)得流體含水率、壓力與溫度，非常后通過出液口流出。坐封時(shí)，浮子保護(hù)單向閥截止，流體從隔離管與外護(hù)管環(huán)空過流通道流過，打開坐封單向閥，實(shí)現(xiàn)坐封。

3　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
3.1　含水率對(duì)流量測(cè)試的影響
        （１）介質(zhì)：柴油和水兩相。
        （２）方式：在垂直狀態(tài)下進(jìn)行流量標(biāo)定，流量從０、１、２、⋯、１０m３／d，分別選擇含水率為１００％、８０％、４０％進(jìn)行流量測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
        （３）對(duì)流量刻度進(jìn)行曲線擬合。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬管浮子流量計(jì)啟動(dòng)流量為０暢５m３／d，可對(duì)低液量井進(jìn)行測(cè)試；不同含水率的流量測(cè)試曲線基本重合，說明浮子位置的變化只與通過浮子流體的流量相關(guān)，流體含水率對(duì)金屬管浮子流量計(jì)測(cè)試結(jié)果的影響可忽略。

3.2　儀器傾角對(duì)流量測(cè)試的影響
        （１）介質(zhì)：柴油和水兩相。
        （２）方式：將儀器分別處于水平狀態(tài)０°和負(fù)角度－３０°（即進(jìn)液口高于出液口）狀態(tài)下，流量從０、１、２、⋯、１０m３／d，分別選擇含水率為１００％、８０％、４０％進(jìn)行流量測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
        （３）對(duì)流量刻度進(jìn)行曲線擬合。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)井筒處于水平狀態(tài)甚至負(fù)角度狀態(tài)下，盡管流體的型態(tài)為層流或逆向流，但對(duì)金屬管浮子流量計(jì)和含水率的測(cè)試結(jié)果影響較小，非常大誤差僅４％。分析認(rèn)為這是由于浮子位置變化只與進(jìn)入錐形管空間流體流量有關(guān)，基本克服了油、水的分層流動(dòng)使渦輪流量計(jì)響應(yīng)變得復(fù)雜的問題。當(dāng)流體經(jīng)過電容＋阻抗式持水率儀時(shí)，由于在圓周上配置多個(gè)持水率傳感器，能夠很好地解決常規(guī)儀器只能中心采樣不能探測(cè)到的全截面流體的問題，可以清楚地分辨出油和水。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
        ２０１６年２月在長(zhǎng)慶油田CP?井首次開展水平井存儲(chǔ)式金屬管浮子流量計(jì)井下先導(dǎo)性試驗(yàn)，該井射孔９段，測(cè)試前日產(chǎn)液１６暢０７m３，含水１００％。為了驗(yàn)證流量、含水測(cè)試準(zhǔn)確性，對(duì)該井射孔段１進(jìn)行雙封單卡工藝測(cè)試，同時(shí)地面單獨(dú)測(cè)量該段產(chǎn)液量并化驗(yàn)含水，測(cè)試管柱見圖４。該井儀器設(shè)置采樣間隔為１０min，３５d后起出，測(cè)試結(jié)果顯示射孔段１單層流量為３暢７７m３／d，含水９８暢６％（見圖５）；同時(shí)，地面單獨(dú)測(cè)量射孔段１的日產(chǎn)液為３暢５８m３，含水１００％。測(cè)試流量和含水與實(shí)際單量和化驗(yàn)結(jié)果接近，說明存儲(chǔ)式產(chǎn)液剖面測(cè)試儀首次在水平井井下試驗(yàn)取得成功，證明了井下金屬管浮子流量計(jì)應(yīng)用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試可行。

5　結(jié)　論
        （１）井下存儲(chǔ)式金屬管浮子流量計(jì)啟動(dòng)流量小于０.５m３／d，且不受井筒出砂影響，彌補(bǔ)了渦輪流量計(jì)不適應(yīng)低液量水平井的不足，提高了低液量水平井測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
        （２）室內(nèi)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論是垂直、水平及傾斜情況下，金屬管浮子流量計(jì)響應(yīng)特性均不敏感于含水率，擁有非常好的不依賴于流型的特性。
        （３）測(cè)試儀器隨油管下入目的層，無(wú)需電纜和爬行器，一趟管柱即可完成水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試，大幅度降低了產(chǎn)液剖面測(cè)試成本。
        （４）測(cè)試結(jié)果包含流量、含水、壓力和溫度等儲(chǔ)層流體物性參數(shù)，可進(jìn)行各射孔段產(chǎn)能評(píng)價(jià)、判斷井筒出水位置，為低液量水平井控水穩(wěn)油措施提供依據(jù)。

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