目前, 過(guò)環(huán)空阻抗找水儀主要實(shí)現(xiàn)含水和流量測(cè)試, 含水采用電導(dǎo)法測(cè)量[1], 流量測(cè)試主要采用渦輪流量計(jì)[2]。渦輪流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)決定其有一致命缺點(diǎn), 即其葉輪屬于轉(zhuǎn)動(dòng)部件, 與渦輪流量計(jì)接觸流體中的雜質(zhì)往往導(dǎo)致葉輪砂卡[3]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(cè)井公司在注入井中的渦輪流量計(jì)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(jì)》提出切向渦輪流量計(jì)的辦法解決產(chǎn)出井砂卡[5], 但未找到相應(yīng)的應(yīng)用文獻(xiàn)。大慶油田處于開發(fā)中后期, 大量的井存在出砂、垢?，F(xiàn)象。通過(guò)統(tǒng)計(jì), 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(jì)出現(xiàn)砂卡, 則得到的產(chǎn)液量不準(zhǔn), 無(wú)法為地質(zhì)部門提供真實(shí)準(zhǔn)確的環(huán)空測(cè)試資料, 達(dá)不到指導(dǎo)油田開發(fā)生產(chǎn)的目的。為了降低砂卡率, 通過(guò)機(jī)械解卡的辦法實(shí)現(xiàn)解卡。

防砂卡渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 主要由渦輪流量計(jì)、篩狀出液孔、渦輪流量計(jì)安裝短接、解卡管、解卡管開槽、中心管、長(zhǎng)條孔 (銷釘運(yùn)動(dòng)槽7) 、薄壁筒、進(jìn)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(jìn)液孔一分為二, 改為寬2 mm的矩形進(jìn)液孔, 解決從進(jìn)液孔進(jìn)入的長(zhǎng)垢片或大垢片造成的砂卡, 如圖2所示。將原先3個(gè)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(guò)程中從出液孔進(jìn)入儀器的長(zhǎng)垢片、大垢片造成的砂卡, 如圖3所示。

將渦輪支架內(nèi)徑擴(kuò)大, 解卡管的內(nèi)壁充當(dāng)渦輪的內(nèi)壁, 解卡管通過(guò)固定銷釘固定在薄壁筒上, 通過(guò)開收傘, 薄壁筒帶動(dòng)解卡管在長(zhǎng)條孔上下運(yùn)動(dòng), 解卡管在解卡管開槽上下通過(guò)渦輪總成的支架, 在收傘的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)渦輪總成的支架內(nèi)壁與葉輪之間的空間增大, 從而實(shí)現(xiàn)井內(nèi)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。

20 m3渦輪流量計(jì)流量***大允許誤差為3%, 啟動(dòng)排量1 m3/d, 支架內(nèi)腔直徑由13.80 mm擴(kuò)大為17.76 mm, 解卡管長(zhǎng)18.90 mm, 外徑Ф17.00 mm, 內(nèi)徑Ф13.80 mm。

40 m3渦輪流量計(jì)流量***大允許誤差為3%, 啟動(dòng)排量2 m3/d, 支架內(nèi)腔直徑由17.76 mm擴(kuò)大為20.00 mm, 解卡管長(zhǎng)18.90 mm, 外徑Ф19.30 mm, 內(nèi)徑Ф17.76 mm。

解卡管頂端每120°均勻分布長(zhǎng)16.1 mm, 寬2 mm槽縫, 線槽長(zhǎng)24.6 mm, 寬2 mm, 解卡管底端的銷釘走固定槽寬4 mm, 長(zhǎng)10 mm。

為了驗(yàn)證可行性, 采用室內(nèi)校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。機(jī)加組裝2支型號(hào)HK-ZS-40儀器, 編號(hào)為P033、P032, 2支HK-ZS-20儀器, 編號(hào)為K001、K018, 進(jìn)行室內(nèi)流量校準(zhǔn)。校準(zhǔn)介質(zhì):自來(lái)水。從2014年5月13日到2014年9月20日, 先后校準(zhǔn)阻抗儀40多次。

K值為儀器常數(shù), 理想狀態(tài)下, 渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)只受流體作用于渦輪的力, 但實(shí)際測(cè)量時(shí), 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(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力、流體在進(jìn)入渦輪橫截面的局部阻力, 儀器常數(shù)用于評(píng)價(jià)渦輪葉片的受力情況, 其定義式為:

式 (1) 中, K為儀器常數(shù), r/ (m3·s) ;ξ為流量系數(shù), °/m3。

儀器常數(shù)的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)單位體積的流體流過(guò)渦輪時(shí), 渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。從儀器常數(shù)的定義式可知, K值表征了流量范圍內(nèi)渦輪的平均轉(zhuǎn)速, 要求其大于等于1。K值越大, 則渦輪轉(zhuǎn)速越快, 所受阻力越小, 因此解卡管、進(jìn)液孔、出液孔造成的局部擴(kuò)阻力損失可以由K值衡量。通過(guò)校準(zhǔn), 按 (2) 式以***小二乘法就可求得儀器常數(shù)K值。

式 (2) 中, N為渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù), r/s;Q為流量, m3/d;q為啟動(dòng)排量, m3/d。

表1為2014年8月24日P033第6次校準(zhǔn)結(jié)果。本次校準(zhǔn)平均K值1.301 r/ (m3·s) , 大于1.0 r/ (m3·s) , 同時(shí)***大引用誤差為1.08%, 小于***大允許誤差3%, 啟動(dòng)排量2 m3/d時(shí)的平均轉(zhuǎn)速1.850 r/s, 因此P033校準(zhǔn)合格。同樣, P032、K001、K018先后校準(zhǔn)合格。因此, 在啟動(dòng)排量、***大允許誤差合格的前提下, K值大于等于1, K值可以評(píng)價(jià)解卡管、進(jìn)液孔、出液孔造成的局部阻力損失。

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

由表2可知, 解卡裝置末端粘貼寬15 mm、長(zhǎng)15.2mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 安裝距離渦輪流量計(jì)磁鋼8.9 cm時(shí), P032第3次渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間28 s, 40m3/d平均轉(zhuǎn)速49.650 r/s;同樣的磁鋼大小和安裝距離, K001第2次調(diào)試渦輪, 葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間26 s, ***大引用誤差1.908%合格, 啟動(dòng)排量1 m3/d時(shí), 平均轉(zhuǎn)速0.513 r/s, 不合格。K001第3次, 解卡裝置末端粘貼寬15 mm、長(zhǎng)3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 安裝距離渦輪流量計(jì)磁鋼9.6 cm, 渦輪沒(méi)有調(diào)試持續(xù)時(shí)間30 s, 但校準(zhǔn)結(jié)果***大引用誤差3.752%不合格, 啟動(dòng)排量1 m3/d沒(méi)有啟動(dòng), 平均轉(zhuǎn)速0.666 r/s不合格。K001第4次, 重新調(diào)試渦輪, 持續(xù)時(shí)間30 s, 同時(shí)將寬15 mm、長(zhǎng)3.8mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離調(diào)整為12.16 cm, ***大引用誤差1.095%, 啟動(dòng)排量1 m3/d啟動(dòng), 平均轉(zhuǎn)速2.587。故***終確定弧形磁鋼寬15mm、長(zhǎng)3.8 mm、厚1.8 mm, 距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離為12.16 cm。此時(shí)在流量計(jì)啟動(dòng)排量時(shí), 渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

2014年8月23日將解卡裝置下端弧形磁鋼去掉, 并重新調(diào)試渦輪, 結(jié)果見(jiàn)表3。渦輪調(diào)試結(jié)果持續(xù)時(shí)間35 s, 雖然誤差-2.12%合格, 但啟動(dòng)排量2 m3/d仍沒(méi)有啟動(dòng)。磁鋼去掉后, 還有什么原因呢?2014年8月24日檢修發(fā)現(xiàn), 中心管、解卡裝置被磁化, 變相有磁場(chǎng)影響渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量。更換中心管薄壁筒重新校準(zhǔn), 重復(fù)校準(zhǔn)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(jié)果可知, 儀器P033線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性良好。所以中心管、解卡裝置必須為不導(dǎo)磁材料。

防砂卡渦輪流量計(jì)在五大隊(duì)成功解卡370井次, 現(xiàn)場(chǎng)解卡測(cè)試曲線見(jiàn)圖5。剛測(cè)試時(shí), 渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)正常, 大約在20 s左右, 由于流體帶進(jìn)的雜質(zhì)導(dǎo)致流量曲線歸零。通過(guò)儀器二芯供電收傘, 大約15 s后再開傘, 一芯流量供電測(cè)試, 渦輪葉片通過(guò)瞬間開收傘, 擴(kuò)大了葉輪與渦輪殼體之間的空間, 雜質(zhì)通過(guò), 渦輪葉片旋轉(zhuǎn)正常。從曲線可以看出, 在解卡前和解卡后, 渦輪旋轉(zhuǎn)一致, 都為15 m3/d左右, 而且解卡前后沖次一致, 渦輪流量計(jì)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)液剖面流量準(zhǔn)確測(cè)試。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn), 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(chǎng)的大小怎么確定, 解決渦輪磁鋼吸附鐵屑造成的砂卡。

1) K值可以衡量解卡裝置、進(jìn)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(zhǎng)3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離為12.16 cm時(shí), 在渦輪流量計(jì)啟動(dòng)排量不會(huì)造成不啟動(dòng);

3) 中心管、解卡裝置必須是不導(dǎo)磁材料, 否則啟動(dòng)排量不能啟動(dòng);

4) 磁鋼固定采用AB膠效果不理想, 下一步研究磁場(chǎng)的大小和磁鋼固定方式。