摘要:介紹了適用于井下浮子流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理，地面模擬實驗及在青海油田現(xiàn)場應(yīng)用效果表明,該流量計具有啟動流量低、測量范圍寬,能夠應(yīng)用于井下油水兩相流及產(chǎn)液含砂井的流量測量。
0引言
目前國內(nèi)油井過環(huán)空產(chǎn)出剖面測井的流量測量以渦輪流量計為主四，由于受儀器外徑和集流效果限制，渦輪流量計通常存在如下缺點:流量測量范圍小，或者啟動排量過高或者測量流量上限太低;砂卡普遍較為嚴(yán)重,不能測量含砂流體;隨著三次采油技術(shù)的推廣，渦輪流量計因粘度影響,已無法滿足稠油及注聚產(chǎn)液測量。因此,準(zhǔn)確的流量測量對新型流量計的需求顯得愈加迫切。
1浮子流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理
1.1浮子流量計結(jié)構(gòu)
為了達到降低流量測量下限,提高流量測量上限,進而拓寬流量測量范圍,同時也為了有效防止砂卡,客服流體粘度影響,從而達到測量含砂流體或注聚產(chǎn)液目的,井下浮子流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。
位移傳感器外殼1主要用于封裝位移傳感器2~8等部件;位移傳感器是差動變壓器式傳感器,其內(nèi).部鐵芯3用于傳遞浮子位移、速度;浮子6置于流道中央進液口處進行流量測量;下壓彈簧4固定于差動變壓器式傳感器2下端,用于提高流量上限;浮子活動范圍由出液口短接5長度所限;上托彈簧7用于降低流量下限。
1.2浮子流量計工作原理
流體由進液口進入儀器流道,推動浮子,浮子上移過程中,流體在出液口處的流通截面積逐漸增大,不同的流量對應(yīng)不同的流通截面積,截面積的變化轉(zhuǎn)化為浮子的位移，進而不同的流量又轉(zhuǎn)化為浮子的不同位移,即:流量一->面積一->位移。此位移再由內(nèi)部鐵芯傳遞給差動變壓器式傳感器,位移傳感器通過測量浮子位移位移傳感器通過測量浮子位移量來測量流體流量。
1.3浮子流量計特點
浮子式流量計在地面計量中是一種成型產(chǎn)品，投人實際應(yīng)用的已好多種,但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計限制，各式型號的浮子式流量計一直未能在井下過環(huán)空產(chǎn)出剖面流量測量中得到較好應(yīng)用。所述井下浮子流量計,綜合以往各式浮子流量計特點的基礎(chǔ)上,針對渦輪流量計所存缺陷,面向目前新時期流量測量特點,從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā),經(jīng)多方優(yōu)化設(shè)計而成,主要應(yīng)用于井下過環(huán)空產(chǎn)出剖面穩(wěn)定流態(tài)點測,其特點如下:
(1)為流體提供的流通通道短,浮子上、下兩處裝置兩根輔助彈簧。在浮子上移過程中,流體在出液口處的流通截面積逐漸增大,流體對浮子的沖擊減弱,因此可通過加長浮子位移量提高流量上限;在高流量范圍內(nèi),在流通面積的增加量不足以滿足測量范圍要求時,浮子向上壓縮下壓彈簧,下壓彈簧彈力克服相當(dāng)部分流動壓力及浮子自身浮力，使流量計不至于很快飽和產(chǎn)出，因此可以通過增加下壓彈簧倔強系數(shù)提高流量測量上限;
(2)從啟動到下托彈簧共工作工程中，下托彈簧使浮子處于受力平衡狀態(tài)，因而流量測量幾乎無須克服浮子自重而實現(xiàn)低啟動排量,極大程度上降低了流量測量下限;
(3)浮子與流通內(nèi)壁距離遠(yuǎn)大于流體內(nèi)含砂的.粒徑,能夠用于含砂流體的測量，很好的解決了渦輪流量計所無法克服的砂卡問題。
1.4浮子流量計流量測量過程力學(xué)分析
井下浮子流量計的測量原理既符合傳統(tǒng)浮子流量計的測量原理,又有一定區(qū)別。該流量計工作時,浮子的受力、位移不斷變化,此過程大體分為四個階段:.
1.4.1零流量
浮子6由上托彈簧8托扶,上托彈簧8被壓縮，浮子6處于平衡位置,其力學(xué)關(guān)系式為:
M+M2+M3=0(1)
其中，M是上托彈簧的彈力;M2是浮子所受的浮力;Ms是浮子所受的重力。上托彈簧力M和浮力M.克服浮子自身重力M3，受力平衡,零流量時浮.子靜止，此時稍加流量,處于平衡狀態(tài)的浮子即可產(chǎn)生位移,降低了啟動排量,帶人各自的表達式得:
ki△x+ρgV-mg=0(2)
k1上托彈簧倔強系數(shù);△x.上托彈簧的壓縮長.度;流體密度ρ;g重力加速度;V浮子體積;m浮子質(zhì)量。
1.4.2低流量
在流動壓力作用下,浮子6.上浮,其位移量由位移傳感器2測量,流體在出液口位置的流通截面積增大,浮子6在新的位置達到平衡,其力學(xué)關(guān)系式為:
F(Q)+kiOx+ρgV-mg≈0(3)
其中F(Q)為流動壓力,該力是浮子上下的流體壓力差，流體流出出液口后,以扇狀發(fā)散向上流,設(shè)S1、S2分別是流束在浮子上下的流通截面積;PIP2分別為浮子上下的壓力;V1、V2為流體在S.S2截面積上的流速。流體滿足伯努利方程:
其中ρ、v~g、h分別是流體密度、流速、重力加速度、液壓高度,流動壓力為:
F(Q)=P2-P:(5)
(4)代人(5)整理后得:
F(Q)=ρg(h2-h)+zρ(v2v2)(6)
又Q、S、v關(guān)系:
Q=vS(7)
其中Q、S為流體流量、流通截面積。
Qi=vS:(8)
Q2=v2Sz(9)
流量一定時，流量計內(nèi)與井筒內(nèi)流量相等,即:
Qi=Q2z(10)
v.Si=v2S2(11)
忽略浮子的垂直高度差,(8)(9)(10)帶人(6)得:
此式同時說明流動壓力F(Q)與流體的流量Q的平方成正比。
1.4.3中流量
隨著流量增加,當(dāng)流量足夠大時,浮子脫離.上托彈簧8,但未觸及下壓彈簧4,浮子懸浮于流體當(dāng)中,上托、下壓彈簧的形變均為零。在該流量范圍內(nèi),重力、浮力、流體推動力達到新的平衡,浮子6的力學(xué)關(guān)系式為:
F(Q)=+ρgV-mg=0(13)
1.4.4高流量
進人高流量后,浮子向上壓縮下壓彈簧4,此時浮子受重力、浮力、流體推力、下壓彈簧反向推力,
其力學(xué)關(guān)系式為:F(Q)-kxΔx+pgV-mg=O(14)
2方法實驗
方法實驗介質(zhì)為柴油、水兩相流:含水率調(diào)節(jié)為0、30%、50%、70%、80%、90%、100%;在每一含水率.下,流量調(diào)節(jié)為1m3/d、5m3/d、10m3/d、2m3/d、3m3/d、5m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、100m3/d,記錄各含水率下不同流量時浮子流量計輸出頻率的變化量,得到井下浮子流量計在油水兩相流條件下的方法實驗結(jié)果(圖2)。圖中橫坐標(biāo)是配比流量(m3/d),縱坐標(biāo)是儀器輸出頻率(Hz)。
由圖2可以看出,浮子的啟動流量很低為1m2/d,流量.上限達70m3/d;在0、30%、50%、70%、80%、90%、100%每一含水率不同流量下,浮子流量計頻率響應(yīng)有較好的線性關(guān)系;在1m3/d、5m3/d、10m3/d、2m3/d、3m3/d、5m3/d、7m3/d8m3/d、9m3/d、100m3/d每一流量下，不同含水率下儀器輸出頻率離散性很小。
3現(xiàn)場應(yīng)用及分析
多待測油井井況比較特殊,以往的測井儀器根本無法下井,而且大都為含砂井,砂卡普遍較為嚴(yán)重,渦輪流量計根本無法應(yīng)用，無法進行產(chǎn)量測量”。井下浮子流量計憑借自身結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的優(yōu)勢,配接于產(chǎn)出剖面測井儀，上，采用傘式集流器在這些油田成功的實現(xiàn)了流量測量。圖3為青海油田X井測井曲線圖,該井產(chǎn)量為53.3m2/d,含砂大約6%。由圖中井溫及微差井溫曲線可以看出,該井主產(chǎn)層在1460m-1510m,結(jié)合磁定位曲線所示射孔層位及井溫變化曲線可定性的判斷出四個主要產(chǎn)層,大致分布在深度為1470m~1475m，1480m附近，1485~1490m,1495m附近，1500m附近開始進人死水口。
根據(jù)射孔深度、井溫曲線波動,該浮子流量計的測點深度分別選取在1475.4m、1478.9m、1484.6m、1489.1m、1493.6m,相應(yīng)射孔深度的點測響應(yīng)值分別為960Hz.947Hz、837Hz、762Hz、646Hz,不同的頻率值對應(yīng)不同的產(chǎn)量,表明浮子流量計在主產(chǎn)層工作正常,能夠?qū)崿F(xiàn)對各產(chǎn)層產(chǎn)量進行準(zhǔn)確測量,并且測量不受限于含砂流體,可以用于含砂井的流量測量。表1是將圖4浮子流量計測井頻率響應(yīng)曲線圖中深度與頻率對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化成深度及流量對應(yīng)關(guān)系。選取1500m死水區(qū)頻率為260Hz(浮子流量計基值)作為基值,其他測點頻率響應(yīng)與之分別作差頻,根據(jù)方法實驗結(jié)果,找出各差頻值對應(yīng)的流量,死水區(qū)選0m2/d.
選取表1中的測點深度值為橫坐標(biāo)，流量作為縱坐標(biāo)，繪制浮子流量計深度-流量測井曲線(見圖4)。
4結(jié)論
井下浮子流量計流量測量原理的正確性已經(jīng).由室內(nèi)及現(xiàn)場實驗證實,而且青海油田現(xiàn)場測量結(jié)果表明,該浮子式流量計的流量測量下限低,流量測量范圍寬,能測量含砂流體,特別適合于井下流體測量。
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