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高可靠防砂卡涡轮流量计在产出剖面测井使用效


文章日期:2018-07-29|阅读数:


摘要:为了解决产出剖面测井用涡轮流量计的砂卡难题, 采用等效面积法改变进液孔、出液孔形状, 对原有涡轮流量计机械结构进行优化设计。详细介绍了防砂卡装置的结构及工作原理, 防砂卡涡轮流量计的技术指标及室内校准结果。现场试验表明, 较原有传统涡轮流量计, 防砂卡涡轮流量计可以显著减少砂卡率, 有效提高产出剖面测井成功率。

0、引言:

目前, 过环空阻抗找水仪主要实现含水和流量测试, 含水采用电导法测量[1], 流量测试主要采用涡轮流量计[2]。涡轮流量计的原理和结构决定其有一致命缺点, 即其叶轮属于转动部件, 与涡轮流量计接触流体中的杂质往往导致叶轮砂卡[3]。通过统计分析, 油井出砂、垢粒、垢片、涡轮支架与叶轮间隙小、铁屑是造成砂卡的主要原因。中原测井公司在注入井中的涡轮流量计磁钢安装防磁罩, 解决砂卡取得较好效果[4];专利《防堵卡涡轮流量计》提出切向涡轮流量计的办法解决产出井砂卡[5], 但未找到相应的应用文献。大庆油田处于开发中后期, 大量的井存在出砂、垢粒现象。通过统计, 在采油五厂砂卡占到70%, 其中仪器自身原因和井况造成的砂卡占到94%。涡轮流量计出现砂卡, 则得到的产液量不准, 无法为地质部门提供真实准确的环空测试资料, 达不到指导油田开发生产的目的。为了降低砂卡率, 通过机械解卡的办法实现解卡。

1、防砂卡涡轮流量计结构及防砂卡工作原理:

防砂卡涡轮流量计结构如图1所示, 主要由涡轮流量计、筛状出液孔、涡轮流量计安装短接、解卡管、解卡管开槽、中心管、长条孔 (销钉运动槽7) 、薄壁筒、进液孔、解卡管固定销钉、含水传感器安装筒组成。

采用等效面法, 将进液孔一分为二, 改为宽2 mm的矩形进液孔, 解决从进液孔进入的长垢片或大垢片造成的砂卡, 如图2所示。将原先3个方型的出液孔改为直径4 mm的阵列状的筛孔, 解决仪器在下井过程中从出液孔进入仪器的长垢片、大垢片造成的砂卡, 如图3所示。

图1 防砂卡涡轮流量计结构示意图

图1 防砂卡涡轮流量计结构示意图

1-解卡管;2-进液孔;3-薄壁筒;4-长条孔 (销钉运动槽) ;5-解卡管固定销钉;6-中心管;7-涡轮流量计安装短接;8-解卡管开槽;9-涡轮流量计;10-含水传感器安装筒;11-筛状出液孔

图2 改进前后进液孔比较

图2 改进前后进液孔比较

 

图3 改进前后出液孔比较

图3 改进前后出液孔比较

 

将涡轮支架内径扩大, 解卡管的内壁充当涡轮的内壁, 解卡管通过固定销钉固定在薄壁筒上, 通过开收伞, 薄壁筒带动解卡管在长条孔上下运动, 解卡管在解卡管开槽上下通过涡轮总成的支架, 在收伞的过程中实现涡轮总成的支架内壁与叶轮之间的空间增大, 从而实现井内出砂、垢粒、小垢片、涡轮支架与叶轮间隙小造成的砂卡的解卡。

在解卡管底端安装磁钢, 如图4所示, 吸附流体中铁屑、锈粉, 解决涡轮叶片磁钢吸附铁屑造成的砂卡。

图4 单层磁铁环设计截面图

图4 单层磁铁环设计截面图

 

2、主要技术指标:

20 m3涡轮流量计流量***大允许误差为3%, 启动排量1 m3/d, 支架内腔直径由13.80 mm扩大为17.76 mm, 解卡管长18.90 mm, 外径Ф17.00 mm, 内径Ф13.80 mm。

40 m3涡轮流量计流量***大允许误差为3%, 启动排量2 m3/d, 支架内腔直径由17.76 mm扩大为20.00 mm, 解卡管长18.90 mm, 外径Ф19.30 mm, 内径Ф17.76 mm。

解卡管顶端每120°均匀分布长16.1 mm, 宽2 mm槽缝, 线槽长24.6 mm, 宽2 mm, 解卡管底端的销钉走固定槽宽4 mm, 长10 mm。

3、室内校准:

为了验证可行性, 采用室内校准实现。机加组装2支型号HK-ZS-40仪器, 编号为P033、P032, 2支HK-ZS-20仪器, 编号为K001、K018, 进行室内流量校准。校准介质:自来水。从2014年5月13日到2014年9月20日, 先后校准阻抗仪40多次。

3.1、关于解卡管、进液孔、出液孔造成的摩擦和局部扩大 (缩小) 阻力损失用K值确定

K值为仪器常数, 理想状态下, 涡轮转动只受流体作用于涡轮的力, 但实际测量时, 除了流体作用于涡轮的力外, 涡轮还受到流体的粘性摩擦力、涡轮自重及涡轮轴承转动的摩擦力、流体在进入涡轮横截面的局部阻力, 仪器常数用于评价涡轮叶片的受力情况, 其定义式为:

计算公式

 

式 (1) 中, K为仪器常数, r/ (m3·s) ;ξ为流量系数, °/m3。

仪器常数的物理意义是单位时间内单位体积的流体流过涡轮时, 涡轮转动圈数。从仪器常数的定义式可知, K值表征了流量范围内涡轮的平均转速, 要求其大于等于1。K值越大, 则涡轮转速越快, 所受阻力越小, 因此解卡管、进液孔、出液孔造成的局部扩阻力损失可以由K值衡量。通过校准, 按 (2) 式以***小二乘法就可求得仪器常数K值。

计算公式

 

式 (2) 中, N为涡轮转动转数, r/s;Q为流量, m3/d;q为启动排量, m3/d。

表1为2014年8月24日P033第6次校准结果。本次校准平均K值1.301 r/ (m3·s) , 大于1.0 r/ (m3·s) , 同时***大引用误差为1.08%, 小于***大允许误差3%, 启动排量2 m3/d时的平均转速1.850 r/s, 因此P033校准合格。同样, P032、K001、K018先后校准合格。因此, 在启动排量、***大允许误差合格的前提下, K值大于等于1, K值可以评价解卡管、进液孔、出液孔造成的局部阻力损失。

表1 2014年8月24日P033第6次校准结果

表1 2014年8月24日P033第6次校准结果

注:标准流量单位, m3/d;被测转速单位, r/s;K值单位, r/ (m3·s) 。

3.2、确定涡轮叶片转动的持续时间:

涡轮叶片能转动的持续时间是指涡轮调试好后, 在一定作用力下, 涡轮叶片从转动开始到停止的时间。由表2可知, P032第1次校准时, 解卡装置末端没有安装磁钢, 涡轮调试结果持续时间19s, ***大引用误差3.012%不合格, 启动排量2 m3/d时, 平均转速为0.943 r/s, 涡轮虽然没有转动, 但已接近转动。P032第2次校准时, 解卡装置末端没有安装磁钢, 涡轮调试结果持续时间20 s, ***大引用误差2.856%合格, 启动排量2 m3/d时, 涡轮转动, 平均转速为1.867r/s。K001第1次校准时, 解卡装置末端没有安装磁钢, 涡轮调试结果持续时间30s, ***大引用误差2.458%合格, 启动排量1 m3/d时, 涡轮转动, 平均转速为2.245 r/s。P032和K001的校准结果表明, 在启动排量时, 涡轮叶片转动的持续时间超过20 s, 就可以保证启动排量、***大引用误差合格。为了提高涡轮流量计校准精度, 硬性规定为了保证启动排量, 涡轮叶片转动的持续时间为30 s。

表2 P032、K001校准结果

表2 P032、K001校准结果

3.3、磁钢位置和大小的确定:

由表2可知, 解卡装置末端粘贴宽15 mm、长15.2mm、厚1.8 mm的弧形磁钢, 安装距离涡轮流量计磁钢8.9 cm时, P032第3次涡轮叶片转动持续时间28 s, 40m3/d平均转速49.650 r/s;同样的磁钢大小和安装距离, K001第2次调试涡轮, 叶轮转动持续时间26 s, ***大引用误差1.908%合格, 启动排量1 m3/d时, 平均转速0.513 r/s, 不合格。K001第3次, 解卡装置末端粘贴宽15 mm、长3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁钢, 安装距离涡轮流量计磁钢9.6 cm, 涡轮没有调试持续时间30 s, 但校准结果***大引用误差3.752%不合格, 启动排量1 m3/d没有启动, 平均转速0.666 r/s不合格。K001第4次, 重新调试涡轮, 持续时间30 s, 同时将宽15 mm、长3.8mm、厚1.8 mm的弧形磁钢, 距离涡轮流量计磁钢的距离调整为12.16 cm, ***大引用误差1.095%, 启动排量1 m3/d启动, 平均转速2.587。故***终确定弧形磁钢宽15mm、长3.8 mm、厚1.8 mm, 距离涡轮流量计磁钢的距离为12.16 cm。此时在流量计启动排量时, 涡轮叶片转动。

3.4、中心管、解卡装置材质确定:

2014年8月23日将解卡装置下端弧形磁钢去掉, 并重新调试涡轮, 结果见表3。涡轮调试结果持续时间35 s, 虽然误差-2.12%合格, 但启动排量2 m3/d仍没有启动。磁钢去掉后, 还有什么原因呢?2014年8月24日检修发现, 中心管、解卡装置被磁化, 变相有磁场影响涡轮流量计启动排量。更换中心管薄壁筒重新校准, 重复校准13次, 误差为分别为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值为1.29左右。从结果可知, 仪器P033线性、稳定性、重复性良好。所以中心管、解卡装置必须为不导磁材料。

表3 2014年8月23日P033校准结果

表3 2014年8月23日P033校准结果

注:标准流量单位, m3/d;被测转速单位, r/s;K值单位, r/ (m3·s) 。

4、现场应用:

防砂卡涡轮流量计在五大队成功解卡370井次, 现场解卡测试曲线见图5。刚测试时, 涡轮叶片转动正常, 大约在20 s左右, 由于流体带进的杂质导致流量曲线归零。通过仪器二芯供电收伞, 大约15 s后再开伞, 一芯流量供电测试, 涡轮叶片通过瞬间开收伞, 扩大了叶轮与涡轮壳体之间的空间, 杂质通过, 涡轮叶片旋转正常。从曲线可以看出, 在解卡前和解卡后, 涡轮旋转一致, 都为15 m3/d左右, 而且解卡前后冲次一致, 涡轮流量计解卡装置有效解决了因油井出砂、垢片、间隙小造成的砂卡, 砂卡率由原先的70%降低到30%, 实现了产液剖面流量准确测试。

图5 现场解卡测试成果曲线

图5 现场解卡测试成果曲线

 

在现场应用中发现, 磁钢固定采用AB胶效果不理想, 下一步研究怎么固定磁钢, 磁场的大小怎么确定, 解决涡轮磁钢吸附铁屑造成的砂卡。

5、结论:

1) K值可以衡量解卡装置、进液孔、出液孔、弧形磁钢造成的摩擦和局部阻力损失;

2) 在解卡装置末端粘贴宽15 mm、长3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁钢, 距离涡轮流量计磁钢的距离为12.16 cm时, 在涡轮流量计启动排量不会造成不启动;

3) 中心管、解卡装置必须是不导磁材料, 否则启动排量不能启动;

4) 磁钢固定采用AB胶效果不理想, 下一步研究磁场的大小和磁钢固定方式。



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