摘要:為了解決產(chǎn)出剖面測(cè)井用渦輪流量計(jì)的砂卡難題，采用等效面積法改變進(jìn)液孔、出液孔形狀，對(duì)原有渦輪流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了防砂卡裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，防砂卡渦輪流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及室內(nèi)校準(zhǔn)結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，較原有傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)，防砂卡渦輪流量計(jì)可以顯著減少砂卡率，有效提高產(chǎn)出剖面測(cè)井成功率。
0引言
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，流量測(cè)試主要采用渦輪流量計(jì)旦。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)致葉輪砂卡叔。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畢;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)出井砂卡國(guó),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。
1防砂卡渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)及防砂卡工作原理
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2mm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4mm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。
2主要技術(shù)指標(biāo)
20m3渦輪流量計(jì)流量最大允許誤差為3%，啟動(dòng)排量1m3/d，支架內(nèi)腔直徑由13．80mm擴(kuò)大為17．76mm，解卡管長(zhǎng)18．90mm，外徑Ф17．00mm，內(nèi)徑Ф13．80mm。
40m3渦輪流量計(jì)流量最大允許誤差為3%，啟動(dòng)排量2m3/d，支架內(nèi)腔直徑由17．76mm擴(kuò)大為20．00mm，解卡管長(zhǎng)18．90mm，外徑Ф19．30mm，內(nèi)徑Ф17．76mm。
解卡管頂端每120°均勻分布長(zhǎng)16．1mm，寬2mm槽縫，線槽長(zhǎng)24．6mm，寬2mm，解卡管底端的銷釘走固定槽寬4mm，長(zhǎng)10mm
3室內(nèi)校準(zhǔn)
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。
3.1關(guān)于解卡管、進(jìn)液孔、出液孔造成的摩擦和局部擴(kuò)大(縮小)阻力損失用K值確定
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:
K=ξ/2π(1)
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)式以最小二乘法就可求得儀器常數(shù)K值。
N=K(Q-q)(2)
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1.301r/(m3?s),大于1.0r/(m3?s),同時(shí)最大引用誤差為1.08%，小于最大允許誤差3%，啟動(dòng)排量2m2/d時(shí)的平均轉(zhuǎn)速1.850r/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、最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。
注:標(biāo)準(zhǔn)流量單位，m3/d;被測(cè)轉(zhuǎn)速單位,r/s;K值單位，r/(m2?s)。
3.2確定渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間
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,最大引用誤差3.012%不合格，啟動(dòng)排量2m3/d時(shí)，平均轉(zhuǎn)速為0.943r/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20s,最大引用誤差2.856%合格，啟動(dòng)排量2m3/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,最大引用誤差2.458%合格，啟動(dòng)排量1m3/d時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，平均轉(zhuǎn).速為2.245r/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)20s,就可以保證啟動(dòng)排量、最大引用誤差合格。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30s。
3.3磁鋼位置和大小的確定
由表2可知,解卡裝置末端粘貼寬15mm、長(zhǎng)15.2mm、厚1.8mm的弧形磁鋼,安裝距離渦輪流量計(jì)磁鋼8.9cm時(shí),P032第3次渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間28s,40m3/d平均轉(zhuǎn)速49.650r/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26s,最大引用誤差1.908%合格，啟動(dòng)排量1m3/d時(shí),平均轉(zhuǎn)速0.513r/s,不合格。K001第3次，解卡裝置末端粘貼寬15mm、長(zhǎng)3.8mm、厚1.8mm的弧形磁鋼，安裝距離渦輪流量計(jì)磁鋼9.6cm,渦輪沒(méi)有調(diào)試持續(xù)時(shí)間30s,但校準(zhǔn)結(jié)果最大引用誤差3.752%不合格，啟動(dòng)排量1m3/d沒(méi)有啟動(dòng)，平均轉(zhuǎn)速0.666r/s不合格。K001第4次，重新調(diào)試渦輪，持續(xù)時(shí)間30s,同時(shí)將寬15mm、長(zhǎng)3.8mm、厚1.8mm的弧形磁鋼,距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離調(diào)整為12.16cm,最大引用誤差1.095%，啟動(dòng)排量1m3/d啟動(dòng),平均轉(zhuǎn)速2.587。故最終確定弧形磁鋼寬15mm、長(zhǎng)3.8mm、厚1.8mm,距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離為12.16cm。此時(shí)在流量計(jì)啟動(dòng)排量時(shí)，渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.4中心管、解卡裝置材質(zhì)確定
將解卡裝置下端弧形磁鋼去掉，并重新調(diào)試渦輪，結(jié)果見表3。渦輪調(diào)試結(jié)果持續(xù)時(shí)間35s,雖然誤差-2.12%合格，但啟動(dòng)排量2m3/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。
4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
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)試曲線見圖5。剛測(cè)試時(shí)，渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)正常，大約在20s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15s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)--致，都為15m3/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。
5結(jié)論
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15mm、長(zhǎng)3.8mm、厚1.8mm的弧形磁鋼，距離渦輪流量計(jì)磁鋼的距離為12.16cm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。
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