分層流量實(shí)時(shí)測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度研究

王海鵬

(大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163513)

0 引 言

隨著油田開發(fā)進(jìn)入特高含水期，注入效果的好壞直接影響到油田開采效果。為了及時(shí)、準(zhǔn)確、有效實(shí)現(xiàn)分層流量測(cè)試和調(diào)配，測(cè)試工作者將試井工藝與生產(chǎn)測(cè)井工藝相結(jié)合，把生產(chǎn)測(cè)井中的電纜傳輸、井下直讀儀器、地面采集系統(tǒng)工藝應(yīng)用到試井井下存儲(chǔ)儀器當(dāng)中，2003年分層流量實(shí)時(shí)測(cè)調(diào)儀研制成功，2010年分層流量實(shí)時(shí)測(cè)調(diào)儀[1](以下簡(jiǎn)稱測(cè)調(diào)儀)被廣泛應(yīng)用于注入井分層流量調(diào)配[2]，使得分層流量調(diào)配勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，一次測(cè)調(diào)成功率達(dá)到90%。測(cè)調(diào)儀按測(cè)量原理分為超聲波測(cè)調(diào)儀和電磁測(cè)調(diào)儀；按結(jié)構(gòu)分為偏心測(cè)調(diào)儀和同心測(cè)調(diào)儀。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)調(diào)儀的校準(zhǔn)[3-5]，大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司在國(guó)內(nèi)較早建立測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井，對(duì)測(cè)調(diào)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)調(diào)儀流量校準(zhǔn)影響因素很多[6]，但最重的影響因素是測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒的深度，目前測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度不能滿足測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)的基本要求，因此研究測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度對(duì)實(shí)現(xiàn)測(cè)調(diào)儀量值有效傳遞有著重要意義。

1 測(cè)調(diào)儀及其校準(zhǔn)模擬井筒結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)調(diào)儀結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

測(cè)調(diào)儀的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)決定測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒的井身結(jié)構(gòu)和井筒深度。偏心測(cè)調(diào)儀用于偏心注水井分層流量調(diào)節(jié)，決定了其校準(zhǔn)模擬井筒必須有偏心配水器。同心測(cè)調(diào)儀用于同心注水井分層流量調(diào)節(jié)，決定了其校準(zhǔn)模擬井筒必須有同心配水器。測(cè)調(diào)儀長(zhǎng)度決定校準(zhǔn)模擬井筒深度，測(cè)調(diào)儀流量精度決定流量校準(zhǔn)結(jié)果的最大允許誤差，當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)果的最大引用誤差小于等于最大允許誤差時(shí)，校準(zhǔn)結(jié)果合格。超聲波測(cè)調(diào)儀長(zhǎng)度和流量精度如表1所示。

表1 超聲波測(cè)調(diào)儀技術(shù)參數(shù)

1.2 測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒結(jié)構(gòu)

目前建成的偏心測(cè)調(diào)儀模擬井筒井身結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由套管、封隔器、油管、偏心配水器、手動(dòng)閥門、進(jìn)水和出水管線等組成。

圖1 偏心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒結(jié)構(gòu)示意圖

偏心測(cè)調(diào)儀模擬井筒油管內(nèi)徑62.5 mm，水嘴距離井口1.75 m，井深3.8 m，進(jìn)液口1個(gè)，進(jìn)液口距井口100 mm，出液口3個(gè)，一個(gè)位于井底油管尾部、兩個(gè)位于水嘴處套管管線上。井底出液口和主回水管線連通(該連通管線上的閥門記作閥門2)，水通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表再回水池；水嘴處出液口和主回水管線連通(該連通管線的閥門記作4)，水通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表再回水池；水嘴處出液口不和主回水管線連通(該連通管線的閥門記作3)，不通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表直接回水池，進(jìn)水閥門記作1。當(dāng)1開→2開→3關(guān)→4關(guān)時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)試上下流量，實(shí)現(xiàn)偏心測(cè)調(diào)儀吊測(cè)和坐測(cè)直通流量校準(zhǔn)；當(dāng)1開→2關(guān)→3關(guān)→4關(guān)，實(shí)現(xiàn)偏心測(cè)調(diào)儀上流量計(jì)坐測(cè)支路流量校準(zhǔn)；當(dāng)1開→2開→3開→4關(guān)，實(shí)現(xiàn)偏心測(cè)調(diào)儀下流量計(jì)吊測(cè)和坐測(cè)流量校準(zhǔn)。

同心測(cè)調(diào)儀模擬井筒井身結(jié)構(gòu)與偏心測(cè)調(diào)儀模擬井筒井身結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于配水器為同心配水器；沒(méi)有手動(dòng)閥3和其管線，沒(méi)有下流量計(jì)校準(zhǔn)功能。

光油管模擬井筒如圖2所示，由進(jìn)水管線、進(jìn)水閥門1、光油管(內(nèi)徑62.5 mm)、出水閥門2、出水管線等組成，和分層流量實(shí)時(shí)偏心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒主要區(qū)別在于沒(méi)有套管、配水器，為單根光油管。

圖2 光油管模擬井筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度研究

2.1 理論分析

模擬井筒井身結(jié)構(gòu)和深度主要影響校準(zhǔn)介質(zhì)的流型的轉(zhuǎn)化和流型的穩(wěn)定性。雷諾數(shù)表征液流慣性力與粘滯力相對(duì)大小，可用以判別流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)化。流型的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為流態(tài)的穩(wěn)定距離，符合一定規(guī)律。

2.1.1 流型轉(zhuǎn)化計(jì)算

流型轉(zhuǎn)化主要依據(jù)雷諾數(shù)來(lái)計(jì)算，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，內(nèi)徑62.5 mm的油管中放置外徑38 mm的儀器其雷諾數(shù)計(jì)算公式如(1)。通過(guò)調(diào)研，層流、紊流的臨界雷諾數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一[7-9]，本文以2 300作為層流臨界雷諾數(shù)，4 000作為紊流臨界雷諾數(shù)計(jì)算，由公式可求得內(nèi)徑62.5 mm的油管居中放置外徑38 mm的儀器層流臨界流量為15.60 m3/d，紊流臨界流量27.13 m3/d。通過(guò)計(jì)算可知，測(cè)調(diào)儀在0～500 m3/d范圍內(nèi)校準(zhǔn)測(cè)調(diào)儀，絕大多數(shù)流量校準(zhǔn)點(diǎn)屬于紊流范圍。

(1)

式(1)中，Re為雷諾數(shù)，無(wú)量綱；ρ為流體密度，kg/m3；Q為流量，m3/d；μ為流體粘度，mPas；D為油管內(nèi)徑，m；d為儀器外徑，m。

2.1.2 流型穩(wěn)定距離計(jì)算

研究表明,流態(tài)的穩(wěn)定距離符合經(jīng)驗(yàn)公式(2)和(3)[10]。式(2)為層流穩(wěn)定距離經(jīng)驗(yàn)公式,式(3)為紊流穩(wěn)定距離經(jīng)驗(yàn)公式。以外徑38 mm的儀器在油管中為例，雷諾數(shù)取2 300，當(dāng)流量小于15.60 m3/d大于0 m3/d時(shí)屬于層流范圍，水從井口進(jìn)液口進(jìn)入模擬井筒需要4.0 m的距離才能穩(wěn)定；當(dāng)流量小于27.13 m3/d大于15.60 m3/d時(shí)，屬于過(guò)渡流；當(dāng)流量大于27.13 m3/d時(shí)，屬于紊流范圍。參考文獻(xiàn)[11]中表明，“流量計(jì)的測(cè)量段一般應(yīng)距離井口30D(D為注水井管道內(nèi)徑)以上，測(cè)量段距離出水口應(yīng)不小于15D。如果條件允許，模擬井的深度越深越好”。本文以30倍管道直徑計(jì)算，紊流穩(wěn)定距離為1.9 m。

(2)

(3)

式(2)和式(3)中，Re為雷諾數(shù)，無(wú)量綱；l為穩(wěn)定距離，m；D為油管直徑，m。

2.1.3 模擬井筒深度計(jì)算

從井口進(jìn)液口開始，按照“吊測(cè)層流(紊流)穩(wěn)定距離+吊測(cè)儀器長(zhǎng)度+吊測(cè)出水穩(wěn)定距離+坐測(cè)儀器長(zhǎng)度+坐測(cè)出水穩(wěn)定距離”計(jì)算穩(wěn)定距離(見圖3和圖4)，偏心測(cè)調(diào)儀(雙流量)長(zhǎng)度為1.9 m，考慮層流穩(wěn)定距離，偏心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度為9.8 m(4.0+1.9+1.0+1.9+1.0=9.8 m)，配水器以上凈油管長(zhǎng)度7.35 m；不考慮層流穩(wěn)定距離，偏心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度為7.7 m(1.9+1.9+1.0+1.9+1.0=7.7 m)，配水器以上凈油管長(zhǎng)度5.25 m。同心測(cè)調(diào)儀長(zhǎng)度為1.5 m，考慮層流穩(wěn)定距離，同心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度為9.0 m(4.0+1.5+1.0+1.5+1.0=9.0 m)，配水器以上凈油管長(zhǎng)度6.75 m；不考慮層流穩(wěn)定距離，同心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度為6.9 m(1.9+1.5+1.0+1.5+1.0=6.9 m)，配水器以上凈油管長(zhǎng)度4.65 m。

圖3 偏心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度示意圖

圖4 同心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)使用超聲波偏心測(cè)調(diào)儀(單流量)STC0240，儀器長(zhǎng)度1.5 m，其它技術(shù)參數(shù)參見表1。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)1

相同模擬井筒不同穩(wěn)定距離，在光油管模擬井筒完成。光油管模擬井筒深度5 m，光油管內(nèi)經(jīng)62.5 mm，改變進(jìn)液口到儀器頂端的距離分別為0.63、1、1.9、2.5 m。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，進(jìn)液口到儀器上端距離為0.63 m時(shí)校準(zhǔn)最大引用誤差為1.02%，1 m時(shí)為0.69%，1.9 m時(shí)為0.49%，2.5 m時(shí)為0.38%。結(jié)果表明，進(jìn)液口距離測(cè)量井段越深越好，同時(shí)結(jié)果表明30D(1.9 m)和40D(2.5 m)的校準(zhǔn)結(jié)果最大引用誤差非常接近。

表2 實(shí)驗(yàn)1不同穩(wěn)定距離校準(zhǔn)數(shù)據(jù) m3·d-1

2.2.2 實(shí)驗(yàn)2

不同模擬井筒和穩(wěn)定距離，在偏心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒和光油管模擬井筒中完成。先在偏心測(cè)調(diào)儀模擬井筒中坐測(cè)位置上提0.3 m處進(jìn)行吊測(cè)刻度，并使用該刻度系數(shù)在此位置進(jìn)行吊測(cè)檢定；其次在光油管模擬井筒1.9 m處進(jìn)行吊測(cè)刻度，并使用該刻度系數(shù)在此位置進(jìn)行吊測(cè)檢定，最后在該位置調(diào)取坐測(cè)位置上提0.3 m處的刻度系數(shù)進(jìn)行吊測(cè)檢定。校準(zhǔn)時(shí)帶扶正器，流量穩(wěn)定時(shí)間90 s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，偏心測(cè)調(diào)儀模擬井筒坐測(cè)位置上提0.3 m處(使用坐測(cè)位置上提0.3 m處吊測(cè)刻度系數(shù))進(jìn)行吊測(cè)檢定，最大引用誤差為0.47%；光油管模擬井1.9 m處(使用坐測(cè)位置上提0.3 m吊測(cè)刻度系數(shù))吊測(cè)檢定最大引用誤差9.42%，大于最大允許2%，因此不合格；光油管模擬井1.9 m處(使用光油管1.9 m處吊測(cè)刻度系數(shù))吊測(cè)檢定最大引用誤差0.17%，結(jié)果表明坐測(cè)位置上提0.3 m處進(jìn)行吊測(cè)校準(zhǔn)刻度是不準(zhǔn)確的，現(xiàn)場(chǎng)考核調(diào)配流量以配水器10 m以上吊測(cè)的流量為準(zhǔn)，所以目前的測(cè)調(diào)儀模擬井筒不能同時(shí)進(jìn)行吊測(cè)和坐測(cè)校準(zhǔn)，只能在光油管模擬井筒進(jìn)行吊測(cè)校準(zhǔn)，在測(cè)調(diào)儀模擬井筒進(jìn)行坐測(cè)校準(zhǔn)。

表3 實(shí)驗(yàn)2不同模擬井筒和穩(wěn)定距離校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

1)目前的測(cè)調(diào)儀模擬井筒不能同時(shí)進(jìn)行吊測(cè)和坐測(cè)校準(zhǔn)，在光油管模擬井筒進(jìn)行吊測(cè)校準(zhǔn)，在測(cè)調(diào)模擬井筒進(jìn)行坐測(cè)校準(zhǔn)。

2)同時(shí)進(jìn)行吊測(cè)和坐測(cè)校準(zhǔn)，如果考慮層流穩(wěn)定距離，偏心測(cè)調(diào)儀模擬井筒深度至少為9.8 m；同心測(cè)調(diào)儀模擬井筒深度至少為9 m。

3)同時(shí)進(jìn)行吊測(cè)和坐測(cè)校準(zhǔn)，如果不考慮層流穩(wěn)定距離，紊流穩(wěn)定距離以30倍管道直徑計(jì)算，偏心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度至少為7.7 m；同心測(cè)調(diào)儀校準(zhǔn)模擬井筒深度至少為6.9 m。