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,該儀器隨油管下人水平井段,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)試的正確率率和成功率。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(guò)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)[13]。但是,常規(guī)產(chǎn)液剖面測(cè)試在水平井中面臨水平段多相流體分層、電纜無(wú)法下人等問(wèn)題,主要采用MAPS陣列式測(cè)井儀和爬行器等解決方案[46]。然而,產(chǎn)液剖面使用的渦輪流量計(jì)在5%in"套管井中流量小于50m³/d時(shí).渦輪啟動(dòng)困難門,不適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試;爬行器受井簡(jiǎn)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。
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(kāi)展了將浮子流量計(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)試正確率率、降低作業(yè)成本的目的。
1浮子流量計(jì)
1.1結(jié)構(gòu)和原理
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(jiàn)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(guò)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△p,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-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(guò)流量計(jì)的體積Qv之間有一定的比例關(guān)系為
式中,α是浮子流量計(jì)的流量系數(shù);Df是浮子的最大直徑;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;p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(guò)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浮子流量計(jì)的特點(diǎn)
由于浮子流量計(jì)在測(cè)量過(guò)程中始終保持節(jié)流件前后的壓差不變，通過(guò)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)相比受井簡(jiǎn)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)果影響很小間。
2井下存儲(chǔ)式水平井產(chǎn)液剖面測(cè)試儀
借鑒常規(guī)浮子流量計(jì)，同時(shí)考慮到水平井中儀器無(wú)法通過(guò)電纜在水平段下放,使用爬行器價(jià)格昂貴且受井簡(jiǎn)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水平井井下浮子流量計(jì)設(shè)計(jì)
水平井井下浮子流量計(jì)由浮子、推桿、滑套、線圈、彈簧、流量護(hù)管、單流閥等組成(見(jiàn)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(guò)過(guò)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,輸人單片機(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0.01μm~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)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(guò)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(guò)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,最小可設(shè)置為3s。儀器工作30d最大功耗設(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0.8s,此時(shí)總電流不超過(guò)25mA。1個(gè)月的耗電量4.8Ah。
(2)當(dāng)儀器不工作時(shí),進(jìn)人休眠狀態(tài)�？傠娏鞑怀^(guò)100μA。1個(gè)月耗電量0.072Ah.
(3)儀器每采集87組數(shù)據(jù)(87X3s==261s)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)時(shí)間為0.6s,總電流不超過(guò)50mA。1個(gè)月耗電量0.082Ah。
(4)儀器1個(gè)月最大耗電量4.954Ah。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(jiàn)圖3)。當(dāng)正常產(chǎn)液時(shí)，坐封單向閥截止，流體通過(guò)進(jìn)液口,推動(dòng)浮子移動(dòng)，從而測(cè)得流量。流體由過(guò)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,最后通過(guò)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(guò)流通道流過(guò),打開(kāi)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,浮子流量計(jì)啟動(dòng)流量為0.5m/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(shuō)明浮子位置的變化只與通過(guò)浮子流體的流量相關(guān),流體含水率對(duì)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)角度一30°(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)井簡(jiǎn)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)浮子流量計(jì)和含水率的測(cè)試結(jié)果影響較小，最大誤差僅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(wèn)題。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)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(wèn)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-X井首次開(kāi)展水平井存儲(chǔ)式浮子流量計(jì)井下先導(dǎo)性試驗(yàn),該井射孔9段,測(cè)試前日產(chǎn)液16.07m³,含水100%。為了驗(yàn)證流量、含水測(cè)試正確率,對(duì)該井射孔段1進(jìn)行雙封單卡江藝測(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(jiàn)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3.77m³/d,含水98.6%(見(jiàn)圖5);同時(shí),地面單獨(dú)測(cè)量射孔段1的日產(chǎn)液為3.58m³,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(shuō)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)果的正確率。
(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,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).判斷井簡(jiǎn)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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