用于產出剖面測井的高可靠防砂卡渦輪流量計

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163513)

0 引 言

目前，過環(huán)空阻抗找水儀主要實現含水和流量測試，含水采用電導法測量[1]，流量測試主要采用渦輪流量計[2]。渦輪流量計的原理和結構決定其有一致命缺點，即其葉輪屬于轉動部件，與渦輪流量計接觸流體中的雜質往往導致葉輪砂卡[3]。通過統(tǒng)計分析，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》提出切向渦輪流量計的辦法解決產出井砂卡[5]，但未找到相應的應用文獻。大慶油田處于開發(fā)中后期，大量的井存在出砂、垢粒現象。通過統(tǒng)計，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%。渦輪流量計出現砂卡，則得到的產液量不準，無法為地質部門提供真實準確的環(huán)空測試資料，達不到指導油田開發(fā)生產的目的。為了降低砂卡率，通過機械解卡的辦法實現解卡。

1 防砂卡渦輪流量計結構及防砂卡工作原理

防砂卡渦輪流量計結構如圖1所示，主要由渦輪流量計、篩狀出液孔、渦輪流量計安裝短接、解卡管、解卡管開槽、中心管、長條孔(銷釘運動槽7)、薄壁筒、進液孔、解卡管固定銷釘、含水傳感器安裝筒組成。

采用等效面法，將進液孔一分為二，改為寬2 mm的矩形進液孔，解決從進液孔進入的長垢片或大垢片造成的砂卡，如圖2所示。將原先3個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入儀器的長垢片、大垢片造成的砂卡，如圖3所示。

1-解卡管；2-進液孔；3-薄壁筒；4-長條孔(銷釘運動槽)；5-解卡管固定銷釘；6-中心管；7-渦輪流量計安裝短接；8-解卡管開槽；9-渦輪流量計；10-含水傳感器安裝筒;11-篩狀出液孔圖1 防砂卡渦輪流量計結構示意圖

圖2 改進前后進液孔比較

圖3 改進前后出液孔比較

將渦輪支架內徑擴大，解卡管的內壁充當渦輪的內壁，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，在收傘的過程中實現渦輪總成的支架內壁與葉輪之間的空間增大，從而實現井內出砂、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)設計截面圖

2 主要技術指標

20 m3渦輪流量計流量最大允許誤差為3%，啟動排量1 m3/d，支架內腔直徑由13.80 mm擴大為17.76 mm，解卡管長18.90 mm，外徑Ф17.00 mm，內徑Ф13.80 mm。

40 m3渦輪流量計流量最大允許誤差為3%，啟動排量2 m3/d,支架內腔直徑由17.76 mm擴大為20.00 mm，解卡管長18.90 mm，外徑Ф19.30 mm，內徑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 室內校準

為了驗證可行性，采用室內校準實現。機加組裝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，進行室內流量校準。校準介質：自來水。從2014年5月13日到2014年9月20日，先后校準阻抗儀40多次。

3.1 關于解卡管、進液孔、出液孔造成的摩擦和局部擴大(縮小)阻力損失用K值確定

K值為儀器常數，理想狀態(tài)下，渦輪轉動只受流體作用于渦輪的力，但實際測量時，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動的摩擦力、流體在進入渦輪橫截面的局部阻力，儀器常數用于評價渦輪葉片的受力情況，其定義式為：

K=ξ/2π

(1)

式(1)中，K為儀器常數，r/(m3·s)；ξ為流量系數，°/m3。

儀器常數的物理意義是單位時間內單位體積的流體流過渦輪時，渦輪轉動圈數。從儀器常數的定義式可知，K值表征了流量范圍內渦輪的平均轉速，要求其大于等于1。K值越大，則渦輪轉速越快，所受阻力越小，因此解卡管、進液孔、出液孔造成的局部擴阻力損失可以由K值衡量。通過校準，按(2)式以最小二乘法就可求得儀器常數K值。

N=K(Q-q)

(2)

式(2)中，N為渦輪轉動轉數，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次校準結果。本次校準平均K值1.301 r/(m3·s)，大于1.0 r/(m3·s)，同時最大引用誤差為1.08%，小于最大允許誤差3%，啟動排量2 m3/d時的平均轉速1.850 r/s，因此P033校準合格。同樣，P032、K001、K018先后校準合格。因此，在啟動排量、最大允許誤差合格的前提下，K值大于等于1，K值可以評價解卡管、進液孔、出液孔造成的局部阻力損失。

表1 2014年8月24日P033第6次校準結果

注：標準流量單位，m3/d；被測轉速單位，r/s；K值單位，r/(m3·s)。

3.2 確定渦輪葉片轉動的持續(xù)時間

渦輪葉片能轉動的持續(xù)時間是指渦輪調試好后，在一定作用力下，渦輪葉片從轉動開始到停止的時間。由表2可知，P032第1次校準時，解卡裝置末端沒有安裝磁鋼，渦輪調試結果持續(xù)時間19s，最大引用誤差3.012%不合格，啟動排量2 m3/d時，平均轉速為0.943 r/s，渦輪雖然沒有轉動，但已接近轉動。P032第2次校準時，解卡裝置末端沒有安裝磁鋼，渦輪調試結果持續(xù)時間20 s，最大引用誤差2.856%合格，啟動排量2 m3/d時，渦輪轉動，平均轉速為1.867 r/s。K001第1次校準時，解卡裝置末端沒有安裝磁鋼，渦輪調試結果持續(xù)時間30s，最大引用誤差2.458%合格，啟動排量1 m3/d時，渦輪轉動，平均轉速為2.245 r/s。P032和K001的校準結果表明，在啟動排量時，渦輪葉片轉動的持續(xù)時間超過20 s，就可以保證啟動排量、最大引用誤差合格。為了提高渦輪流量計校準精度，硬性規(guī)定為了保證啟動排量，渦輪葉片轉動的持續(xù)時間為30 s。

表2 P032、K001校準結果

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15.2 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼，安裝距離渦輪流量計磁鋼8.9 cm時，P032第3次渦輪葉片轉動持續(xù)時間28 s，40 m3/d平均轉速49.650 r/s；同樣的磁鋼大小和安裝距離，K001第2次調試渦輪，葉輪轉動持續(xù)時間26 s，最大引用誤差1.908%合格，啟動排量1 m3/d時，平均轉速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磁鋼9.6 cm，渦輪沒有調試持續(xù)時間30 s，但校準結果最大引用誤差3.752%不合格，啟動排量1 m3/d沒有啟動，平均轉速0.666 r/s不合格。K001第4次，重新調試渦輪，持續(xù)時間30 s，同時將寬15 mm、長3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼，距離渦輪流量計磁鋼的距離調整為12.16 cm，最大引用誤差1.095%，啟動排量1 m3/d啟動，平均轉速2.587。故最終確定弧形磁鋼寬15 mm、長3.8 mm、厚1.8 mm，距離渦輪流量計磁鋼的距離為12.16 cm。此時在流量計啟動排量時，渦輪葉片轉動。

3.4 中心管、解卡裝置材質確定

2014年8月23日將解卡裝置下端弧形磁鋼去掉，并重新調試渦輪，結果見表3。渦輪調試結果持續(xù)時間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，中心管、解卡裝置被磁化，變相有磁場影響渦輪流量計啟動排量。更換中心管薄壁筒重新校準，重復校準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。從結果可知，儀器P033線性、穩(wěn)定性、重復性良好。所以中心管、解卡裝置必須為不導磁材料。

表3 2014年8月23日P033校準結果

注：標準流量單位，m3/d；被測轉速單位，r/s；K值單位，r/(m3·s)。

4 現場應用

防砂卡渦輪流量計在五大隊成功解卡370井次，現場解卡測試曲線見圖5。剛測試時，渦輪葉片轉動正常，大約在20 s左右，由于流體帶進的雜質導致流量曲線歸零。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，擴大了葉輪與渦輪殼體之間的空間，雜質通過，渦輪葉片旋轉正常。從曲線可以看出，在解卡前和解卡后，渦輪旋轉一致，都為15 m3/d左右，而且解卡前后沖次一致，渦輪流量計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%，實現了產液剖面流量準確測試。

圖5 現場解卡測試成果曲線

在現場應用中發(fā)現，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 論

1)K值可以衡量解卡裝置、進液孔、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，距離渦輪流量計磁鋼的距離為12.16 cm時，在渦輪流量計啟動排量不會造成不啟動；

3)中心管、解卡裝置必須是不導磁材料，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。