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井下存儲式金屬管浮子流量計在水平井產液剖麵測試中的應用

發布日期:2017-11-11  來源:  作者:  瀏覽次數:
【導讀】:長慶油田低液量水平井的產液剖麵測試已成為一個重要難題。為此,本文開展了將金屬管浮子流量計應用於水平井產液剖麵測試的探索研究,實現了無需電纜輸送儀器、提高測試準確率、降低作業成本的目的。
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        摘要:水平井產液剖麵測試使用的渦輪流量計受啟動流量影響,不適應於低液量水平井測試。研製了適用於小流量測試的井下存儲式金屬管浮子流量計,並與溫度、壓力、含水測試傳感器組成井下存儲式水平井產液剖麵測試儀,該儀器隨油管下入水平井段,無需電纜和爬行器,可在油井正常生產的情況下連續工作一個月,提高了低液量水平井產液剖麵測試的準確率和成功率。室內實驗和現場先導性試驗表明,井下金屬管浮子流量計應用於水平井產液剖麵測試可行,為低滲透油田水平井產液剖麵的流量測試提供了新途徑。

0 引 言
        水平井產液剖麵測試技術是從油套環空通過電纜或連續油管將產液剖麵測試儀器輸送至射孔段,在抽油機不停抽情況下采用渦輪流量計、持水率儀實時監測流量、含水,該技術的優點是能在抽油機不停抽的情況下獲得井下分段的流量、含水率等數據[13]。但是,常規產液剖麵測試在水平井中麵臨水平段多相流體分層、電纜無法下入等問題,主要采用MAPS陣列式測井儀和爬行器等解決方案[46]。然而,產液剖麵使用的渦輪流量計在5霸斑in倡套管井中流量小於50m3/d時,渦輪啟動困難[7],不適用於低液量水平井產液剖麵測試;爬行器受井筒環境影響,測試成功率不高且測試作業費用昂貴。長慶油田水平井日產液小於20m3的井占總井數的87%,平均單段日產液小於2m3,低液量水平井的產液剖麵測試已成為一個重要難題。為此,本文開展了將金屬管浮子流量計應用於水平井產液剖麵測試的探索研究,實現了無需電纜輸送儀器、提高測試準確率、降低作業成本的目的。

1 金屬管浮子流量計
1.1 結構和原理
        金屬管浮子流量計由一個錐形管和一個置於錐形管中可以上下自由移動的浮子組成(見圖1)。流量計本體兩端用法蘭連接或螺紋連接的方式垂直安裝在測量管路上,使流體自下而上流過流量計,推動浮子。由於節流作用,使上下遊產生壓差Δp,由於該壓差的存在,使得浮子受到迎麵的壓差阻力,在該阻力的作用下,浮子在錐管中上升,流通麵積A增大,環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,浮子停留在某一高度。流量Qv越大,浮子停留的高度h越高。在穩定情況下,浮子懸浮的高度h與通過流量計的體積Qv之間有一定的比例關係為
        QQ截圖20171111152842.jpg
        式中,α是金屬管浮子流量計的流量係數;Df是浮子的最大直徑;Af是浮子迎麵流體麵積;Vf是浮子的體積;ρf是浮子材料密度;φ是錐管的錐角;ρ是流體介質密度;h是浮子高度。

        對於一定的流量計和流體,式(1)中的Df、Af、Vf、ρf、φ、ρ等均為常數,因此,隻要保持α為常數,則流量Qv與浮子高度h之間就存在近似線性關係。

        因此,可以將這種對應關係直接刻度在流量計的錐管上,根據浮子的高度直接讀出流量值,或通過電存儲方式將流量信號(即浮子的位置信號)記錄。

浮子流量計及其受力示意圖

1.2 金屬管浮子流量計的特點
        由於金屬管浮子流量計在測量過程中始終保持節流件前後的壓差不變,通過改變流通麵積實現流量的測量。①幾乎不會遇到砂卡的現象,與渦輪流量計相比受井筒環境的影響小;②可接收微小流量信號,實現低液量井流量測試;③浮子的高度取決於液體的流量,氣體對測量結果影響很小[8]。

2 井下存儲式水平井產液剖麵測試儀
        借鑒常規金屬管浮子流量計,同時考慮到水平井中儀器無法通過電纜在水平段下放,使用爬行器價格昂貴且受井筒環境影響故障率高等因素,設計了適用於低液量水平井產液剖麵測試的井下金屬管浮子流量計,同時與溫度、壓力、含水測試傳感器以及電路係統組成井下存儲式水平井產液剖麵測試儀,該儀器和油管連接後一起下入到射孔段,可以連續監測多段壓裂水平井產液信息。

2.1 水平井井下金屬管浮子流量計設計
        水平井井下金屬管浮子流量計由浮子、推杆、滑套、線圈、彈簧、流量護管、單流閥等組成(見圖2)。

水平井井下浮子流量計結構示意圖

        工作原理:給浮子感應線圈上提供恒定的電流激勵,當井下流體通過過流通道,推動浮子移動,銜鐵發生位移,引起感應線圈中磁阻變化,產生感應電動勢,感應電動勢經濾波放大,輸入單片機內進行處理後測得流量。流量測量線圈采用差分結構,溫漂小,在流量線圈外加屏蔽層,減少外部對流量測量的幹擾;自感傳感器可以測量0暢01μm~50mm的機械位移,具有測量精度高、靈敏度高、線性好、結構簡圖3 存儲式水平井產液剖麵測試儀單、性能可靠等優點。

2.2 含水率、溫度和壓力測量設計
        含水率測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計,分別測試流體的電容值和電導率,可以適應低含水和高含水傳感器組合,可以更加精準測量含水率。

        溫度測量原理:給PT1000提供恒流激勵,當井溫變化時,PT1000的阻值也會發生變化,測量電路輸出與溫度成正比的差動電壓信號,經過單片機AD采集,得到溫度信號。

        壓力測量原理: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電壓信號,經過單片機AD采集,得到壓力信號。

2.3 儀器功耗設計
        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,最小可設置為3s。儀器工作30d最大功耗設計如下。
        (1)當儀器采樣間隔設置為3s時。每間隔3s需要采集1次數據,采集0暢8s,此時總電流不超過25mA。1個月的耗電量4暢8Ah。
        (2)當儀器不工作時,進入休眠狀態。總電流不超過100μA。1個月耗電量0暢072Ah。
        (3)儀器每采集87組數據(87×3s=261s)進行一次數據存儲。存儲時間為0暢6s,總電流不超過50mA。1個月耗電量0暢082Ah。
        (4)儀器1個月最大耗電量4暢954Ah。儀器可在井下連續工作1個半月以上。

2.4 水平井產液剖麵測試儀結構及原理
        井下存儲式水平井產液剖麵測試儀由金屬管浮子流量計、含水探頭、溫度探頭、壓力傳感器、測量電路、供電電池組成(見圖3)。當正常產液時,坐封單向閥截止,流體通過進液口,推動浮子移動,從而測得流量。流體由過流通道流經溫度探頭、壓力探頭與含水探頭時,可測得流體含水率、壓力與溫度,最後通過出液口流出。坐封時,浮子保護單向閥截止,流體從隔離管與外護管環空過流通道流過,打開坐封單向閥,實現坐封。

3 室內實驗
3.1 含水率對流量測試的影響
        (1)介質:柴油和水兩相。
        (2)方式:在垂直狀態下進行流量標定,流量從0、1、2、⋯、10m3/d,分別選擇含水率為100%、80%、40%進行流量測試實驗。
        (3)對流量刻度進行曲線擬合。

        實驗結果表明,金屬管浮子流量計啟動流量為0暢5m3/d,可對低液量井進行測試;不同含水率的流量測試曲線基本重合,說明浮子位置的變化隻與通過浮子流體的流量相關,流體含水率對金屬管浮子流量計測試結果的影響可忽略。

3.2 儀器傾角對流量測試的影響
        (1)介質:柴油和水兩相。
        (2)方式:將儀器分別處於水平狀態0°和負角度-30°(即進液口高於出液口)狀態下,流量從0、1、2、⋯、10m3/d,分別選擇含水率為100%、80%、40%進行流量測試實驗。
        (3)對流量刻度進行曲線擬合。

        實驗結果表明,當井筒處於水平狀態甚至負角度狀態下,盡管流體的型態為層流或逆向流,但對金屬管浮子流量計和含水率的測試結果影響較小,最大誤差僅4%。分析認為這是由於浮子位置變化隻與進入錐形管空間流體流量有關,基本克服了油、水的分層流動使渦輪流量計響應變得複雜的問題。當流體經過電容+阻抗式持水率儀時,由於在圓周上配置多個持水率傳感器,能夠很好地解決常規儀器隻能中心采樣不能探測到的全截麵流體的問題,可以清楚地分辨出油和水。

存儲式水平井產液剖麵測試儀

4 現場應用
        2016年2月在長慶油田CPX井首次開展水平井存儲式金屬管浮子流量計井下先導性試驗,該井射孔9段,測試前日產液16暢07m3,含水100%。為了驗證流量、含水測試準確性,對該井射孔段1進行雙封單卡工藝測試,同時地麵單獨測量該段產液量並化驗含水,測試管柱見圖4。該井儀器設置采樣間隔為10min,35d後起出,測試結果顯示射孔段1單層流量為3暢77m3/d,含水98暢6%(見圖5);同時,地麵單獨測量射孔段1的日產液為3暢58m3,含水100%。測試流量和含水與實際單量和化驗結果接近,說明存儲式產液剖麵測試儀首次在水平井井下試驗取得成功,證明了井下金屬管浮子流量計應用於低液量水平井產液剖麵測試可行。

水平井存儲式浮子流量計井下試驗管柱圖

井下浮子流量計測試結果回放圖

5 結 論
        (1)井下存儲式金屬管浮子流量計啟動流量小於0.5m3/d,且不受井筒出砂影響,彌補了渦輪流量計不適應低液量水平井的不足,提高了低液量水平井測試結果的準確性。
        (2)室內動態實驗表明,無論是垂直、水平及傾斜情況下,金屬管浮子流量計響應特性均不敏感於含水率,擁有非常好的不依賴於流型的特性。
        (3)測試儀器隨油管下入目的層,無需電纜和爬行器,一趟管柱即可完成水平井產液剖麵測試,大幅度降低了產液剖麵測試成本。
        (4)測試結果包含流量、含水、壓力和溫度等儲層流體物性參數,可進行各射孔段產能評價、判斷井筒出水位置,為低液量水平井控水穩油措施提供依據。

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