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超聲波流量計在注水剖面中的應(yīng)用 流量計技術(shù)指標(biāo)

時間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
摘 要: 文章介紹了超聲波流量計的測井原理、儀器特點、施工工藝及解釋方法,分析了該技術(shù)在識別大孔道地層、檢查井下管柱情況、判斷套管漏失、提高注水剖面解釋精度等方面的應(yīng)用情況,大量的實際測井資料表明,超聲波流量計解決了注水剖面測井的許多疑難問題。
關(guān)鍵字: 注水剖面 流量計 超聲波 生產(chǎn)測井 測井技術(shù)

0 引言

通過分析近幾年國內(nèi)注水開發(fā)油田的三參數(shù)注水剖面測井資料,表現(xiàn)出來的主要問題是:伽馬本底高、沾污嚴(yán)重、測試遇阻情況多、地層大孔道、井筒及管柱漏失等等,另外,由于注水管柱復(fù)雜,井下水流方面認(rèn)識不清,無法分析配水器、封隔器等工具的工作狀況,影響了資料的應(yīng)用情況[1、2]。針對復(fù)雜的注水井,必須開展多參數(shù)、多樣化的吸水部面測井技術(shù),滿足油田的開發(fā)需要。

1 超聲波流量計測井技術(shù)

1.1 測量原理

采用超聲波相位差原理,設(shè)計了A、B兩個特征相似的超聲波傳感器,距離為L,如圖1所示,設(shè)超聲波頻率為f,波長為λ,則聲速V=f×λ,波數(shù)N=L/λ=L×f/V,由于L、f為常量,則N與V成反比。


圖1 流量傳感器的測量模型示意圖

當(dāng)流體沿A→B方向以速度U流動時,順流聲速Va=V+U,逆流聲速Vb=V-U,則順流時波數(shù)Na=V×n/(V+U),逆流時波數(shù)Nb=V×n/(V-U),則順、逆流發(fā)射超聲波時,L距離內(nèi)正逆流波數(shù)差為:△n=Nb-Na=n×2U×V/(V2-U2),其中n=L×f/V,則△n=2L×f×U/(V2-U2)。

相位差△b=△n×360o=720oL×f×U/(V2-U2),因為V>>U,則△b»720oL×f×U/V2,由于L、f、V為常量,則相位差△b和流體流速U之間為近似線性關(guān)系。

因此測出超聲波相位差△b,即可計算出流體流速U,進(jìn)而可以計算出已知管子內(nèi)徑的流量。

1.2 儀器特點

測井項目:磁定位、伽馬、井溫、壓力和超聲波流量計五參數(shù)組合測井。

儀器指標(biāo):外徑38mm,總長度4.5m,耐溫150°C,耐壓70MPa,在2.5in(1in=25.4mm)的油管內(nèi)測量范圍0~370m3/d左右,在5.5in的套管內(nèi)測量范圍0~1800m3/d左右。

適用范圍:適用管柱內(nèi)徑大于40mm的分層注水井、空井筒及喇叭口在射孔層段上部的籠統(tǒng)注水井。

1.3 施工方法

將超聲波流量計與磁定位、伽馬、井溫、壓力組合后下入井內(nèi),關(guān)井2h~4h左右,測量注水井相對靜止時的井溫、伽馬、磁定位、壓力,然后恢復(fù)正常注水,穩(wěn)定后在射孔層上部200m左右釋放同位素,待同位素分配好后,測量至少兩條重復(fù)性較好的同位素、井溫、壓力、磁定位以及超聲波連續(xù)曲線;再根據(jù)測量的超聲波連續(xù)曲線以及注水管柱,分別在距離井口200m左右、在各配水器的上、下10m左右、超聲波連續(xù)曲線有異常的井段上、下10m左右、射孔層段上、下2m左右、遇阻點上5m左右等測量超聲波定點流量,定點測量時間不少于120s。如果超聲波定點流量曲線有明顯波動,或者根據(jù)超聲波定點流量值查圖版計算的水流量出現(xiàn)異常情況,要重復(fù)定點驗證。

2 解釋方法

2.1 解釋圖版

在儀器出廠投入使用前,在規(guī)范的油管和套管中進(jìn)行流量刻度和標(biāo)定,根據(jù)標(biāo)定值制作解釋圖版,并用最小二乘法回歸流量與相位差之間的計算公式,如圖2所示。如果儀器使用時間過長,出現(xiàn)零漂和誤差較大時,要重新進(jìn)行刻度和標(biāo)定。


圖2 超聲波流量計在2.5in油管內(nèi)標(biāo)定圖版

2.2 計算評價井段內(nèi)的流量

根據(jù)測量超聲波定點流量相或連續(xù)流量的相位差值,代入如圖2中的回歸公式均可計算該處流量,根據(jù)定點相位差計算的流量不含測井速度的影響,計算出來的流量直接反應(yīng)定點深度處管子內(nèi)流體的實際流量;而根據(jù)連續(xù)相位差計算的流量包含測井速度的影響,需要減去測速相同時在死水區(qū)連續(xù)相位差計算的流量,才能反應(yīng)該深度處管子內(nèi)流體的實際流量。

2.3 計算分層吸水量[3]

首先選出射孔層上下、配水器上下等評價井段,再根據(jù)超聲波定點或連續(xù)相位差,按3.2的方法計算各評價井段管子內(nèi)的流量,其上下評價井段內(nèi)流量的差值就是射孔層的吸水量或配水器的進(jìn)水量。

對于分層注水井,若封隔器密封完好,按配注井段將各射孔層分為若干個解釋單元,先根據(jù)超聲波流量曲線計算各配水器實際注水量的大小,然后將其按同位素吸水面積的大小,精確評價各小層的吸水量。其特點:可以檢查并精確計算各配水器的實際配注情況;結(jié)合多參數(shù)分析,可以準(zhǔn)確判斷封隔器的密封情況。

對于籠統(tǒng)注水井,若射孔層之間的間隔較大(一般大于2m),超聲波流量曲線在層間有明顯的變化,可直接根據(jù)流量計曲線進(jìn)行定量解釋。若射孔層之間的間隔較小,流量計曲線在層間變化不明顯,則可將這些射孔層劃分為一個解釋單元,根據(jù)流量曲線計算該單部分同位素沿大孔道進(jìn)行地層元的總吸水量,然后將其按同位素吸水面積的大小,精確評價各小層的吸水量。對于有竄槽現(xiàn)象的,將竄槽井段內(nèi)各層劃分為一個解釋單元,用流量曲線計算該單元總的吸水量,再將其按同位素吸水面積的大小,精確評價各小層的竄吸量。

3 應(yīng)用實例分析

1)識別大孔道地層

當(dāng)?shù)貙哟嬖诖罂椎罆r,常規(guī)的同位素載體粒徑比孔道直徑小,會隨注入水進(jìn)入地層深部,導(dǎo)致測量同位素曲線與伽馬本底對比時差異較小甚至沒有差異,僅依據(jù)同位素曲線解釋小層吸水量,會得出與實際情況相差較大的結(jié)論。如果結(jié)合超聲波流量計,則能很好地反映地層的真實吸水情況。如GX110-7井2009年10月21日測的吸水剖面如圖3所示,該井的注水層段為13號層,射孔井段1886.0m~1902.0m,厚度16.0m,注水管柱下至1859.4m,注水油壓9.0MPa,注水量約100m3/d,所用同位素載體粒徑300μm~600μm,粒密度1.02g/cm3。從圖中可以看出,同位素示蹤曲線在13號層頂部(1885.3m~1887.3m)有較弱吸水顯示,解釋的吸水量占23.52%,但是超聲波流量曲線在此處有大幅度異常,解釋的吸水量占68.98%,說明此處存在大孔道,大深部。


圖3 GX110-7井超聲波流量計注水剖面成果圖

2)檢查封隔器的封隔效果

在分層配注井中,測量超聲波流量計曲線,可以準(zhǔn)確判斷封隔器的封隔效果。如L15-**井是一口注水井,注水層位Es33,注水井段3079.6m~3082.3m,40.0m/8層。該井為一級兩段分注,上段投80m3/d的定量水嘴,下段未投水嘴。2010年4月9日進(jìn)行超聲波流量計注水剖面測井,如圖4所示,從同位素曲線分析,封隔器上下兩段均有吸水顯示,與設(shè)計的配注情況基本吻合。但超聲波流量曲線顯示,注入水全部從上段水嘴進(jìn)入,一部分水進(jìn)入封隔器上部的射孔層,另一部分水通過封隔器進(jìn)入下部射孔層,下段水嘴未進(jìn)水,充分驗證了封隔器失效。


圖4 L15-**井超聲波流量計注水剖面成果圖

3)提高遇阻井注水剖面解釋精度

在長期的注水剖面測井施工中,常常會遇到套管變形、油管未下到位、井下工具堵塞、井底有落物或沉砂等現(xiàn)象,同位素注水剖面測井解釋時,有些井不能定性分析遇阻層是否吸水,更無法定量解釋遇阻層的吸水量,常規(guī)處理方法是:定量解釋時不考慮遇阻層的吸水量,從而影響本井吸水層的定量解釋精度。如果進(jìn)行超聲波流量計測井,不僅能準(zhǔn)確分析遇阻層的吸水情況,而且能提高該井的定量解釋精度。

L90-**井是一口注水井,注水層位Es2+3,注水井段2629.0m~2666.8m,13.2m/4層。該井為籠統(tǒng)注水,全井日配注量100m3/d。2010年4月11日對該井進(jìn)行了同位素注水剖面測井,施工過程中測井儀器在2662.0m遇阻,最后一個層未測出,從監(jiān)測曲線分析遇阻層吸水。于是,現(xiàn)場施工人員及時與地質(zhì)人員聯(lián)系,改用超聲波流量計測井,如圖5,根據(jù)超聲波流量曲線計算的遇阻層吸水量占全井注水量的95.49%,充分發(fā)揮了超聲波流量計的優(yōu)勢,為采油廠提供了可靠的測井資料。


圖5 L90-**井超聲波流量計注水剖面成果圖

4)檢查配水器的實際配注情況

在分層配注井中,對不同的層系設(shè)計了不同大小的配水器水嘴希望按計劃注水,如果想檢查各配水器的實際注水情況,可進(jìn)行超聲波流量計測井。L1-*井是一口注水井,注水層位Es32+3,注水井段2516.0m~2646.8m,目前注水方式為兩級三段分注,有三個配水器和兩個封隔器,井口注水量為106m3/d左右,設(shè)計配水器1為死嘴,配水器2未投水嘴,配水器3投60m3/d的水嘴。2010年4月11日進(jìn)行超聲波流量計測井,配水器1不吸水,配水器2進(jìn)水量為58.27m3/d,配水器3進(jìn)水量為48.00m3/d,測試結(jié)果與實際配注情況基本吻合。

4 結(jié)束語

超聲波流量計在注水剖面測井中,能識別大孔道及微裂縫地層、揭示層間矛盾、檢查井下注水管柱工作情況、判斷淺部套管漏失、提高自然伽馬本底高的井測井成功率及遇阻井注水剖面解釋精度等,解決了普通的同位素注水剖面測井技術(shù)存在的諸多難題。

參考文獻(xiàn)
[1]李俊舫,夏竹君.復(fù)雜注水井吸水剖面流量計測井技術(shù)[J].石油儀器,2005,19(6)
[2] 王祥,夏竹君.利用注水剖面測井資料識別大孔道的方法研究[J].測井技術(shù),2002,26(2)
[3]夏竹君.利用脈沖中子氧活化測井技術(shù)評價管外竄槽[J].天然氣技術(shù),2008,23(2) 通常情況下,渦輪流量計的流量方程可分為兩種:實用流量方程和理論流量方程。

實用流量方程:

qv=f/K 公式1;
qm=qvρ

式中qv,qm分別為體積流量,m3/s,質(zhì)量流量,kg/s;
f為流量計輸出信號的頻率,Hz;
K為流量計的儀表系數(shù),P/m3。

渦輪流量計的系數(shù)可分為二段,即線性段和非線性段。線性段約為其工作段的三分之二,其特性與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及流體粘性有關(guān)。在非線性段,特性受軸承摩擦力,流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于傳感器流量下限時,儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關(guān)系。當(dāng)流量超過流量上限時要注意防止空穴現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)相似的TUF特性曲線的形狀是相似的,它僅在系統(tǒng)誤差水平方面有所不同。

渦輪流量計特性曲線由流量校驗裝置校驗得出,它完全不問傳感器內(nèi)部流體機理,把傳感器作為一個黑匣子,根據(jù)輸入(流量)和輸出(頻率脈沖信號)確定其轉(zhuǎn)換系數(shù),它便于實際應(yīng)用。但要注意,此轉(zhuǎn)換系數(shù)(儀表系數(shù))是有條件的,其校驗條件是參考條件,如果使用時偏離此條件系數(shù)將發(fā)生變化,變化的情況視傳感器類型,管道安裝條件和流體物性參數(shù)的情況而定。

而渦輪流量計的理論流量方程可以根據(jù)動量矩得出葉輪的運動方程。



    金屬管浮子流量計主要用于中小口徑流量測量,可以測液體、氣體、蒸汽等,應(yīng)用較為廣泛。

    1、金屬管浮子流量計工作原理:

    根據(jù)金屬管浮子在錐形管內(nèi)的高度來測量流量,利用流體通過浮子和管壁之間的間隙時產(chǎn)生的壓差來平衡浮子的重量,流量越大,浮子被托得越高,使其具有更大的環(huán)隙面積,也即環(huán)隙面積隨流量變化,所以一般稱為面積法。它較多地利用于中、小流量的測量,有配以電遠(yuǎn)傳或氣遠(yuǎn)傳發(fā)信器的類型。

    2、金屬管浮子流量計分類:

    (1)按錐管材料分類:可分為透明材料錐管、金屬錐管。

    ①透明錐形管金屬管浮子流量計:透明錐形管材料有玻璃管、透明工程塑料如聚苯乙稀,聚碳酸酯、有機玻璃等。其中用得較多的是玻璃管,但容易破碎;而工程塑料管不易破碎,有些還耐酸堿液等腐蝕性介質(zhì)的腐蝕。

    透明錐形管浮子流量計的口徑15~40mm,流量分度直接刻在錐管外壁上,或者在錐管旁另外裝分度標(biāo)尺,錐管內(nèi)有圓錐體平滑面和帶導(dǎo)向棱筋(或平面)兩種。浮子在錐管內(nèi)自由移動,或在錐管棱筋導(dǎo)向下移動,較大口平滑面內(nèi)壁儀表還有采用導(dǎo)桿導(dǎo)向。

    ②金屬錐形管浮子流量計:金屬管錐形管浮子流量計口徑15~40mm,通過磁鋼耦合等方式,將浮子的位移傳給套管外的轉(zhuǎn)換部分。與透明錐形管浮子流量計相比。可用于較高的介質(zhì)溫度和壓力,并且不易破碎。

    此外,透明浮子流量計還有其他幾種結(jié)構(gòu),如透明直管浮子流量計是透明錐形管浮子流量計的變形結(jié)構(gòu),流量檢測元件由孔板和錐形浮塞組成。金屬管錐形管浮子流量計還有其他類型或變形結(jié)構(gòu)。其中直接批示型通過透明直管和浮塞直接觀察讀取浮子位置;水平安裝型可安裝于水平管道;直通型與典型結(jié)構(gòu)的直角流通方向不同,不必改變流通方向,可直接連接垂直管道,安裝方便;浮塞孔板型以浮塞孔板代替轉(zhuǎn)子錐形管,改變流量規(guī)格只要調(diào)換不同錐度的浮塞,比較方便。

    (2)按流量計功能分類:可分為現(xiàn)場指示、氣動遠(yuǎn)傳信號輸出、電動遠(yuǎn)傳信號輸出、報警等。透明管浮子流量計都是現(xiàn)場指示型。有時裝有接近開關(guān),輸出上下限報警信號。遠(yuǎn)傳信號輸出型儀表的轉(zhuǎn)換部分將浮子位移量轉(zhuǎn)換成電流或氣壓模擬量信號輸出,分別成為氣遠(yuǎn)傳浮子流量計和。

    (3)按與管道連接方式分類:可分為軟管連接、法蘭連接、螺紋連接。透明管浮子流量計三種連接方法皆有,其中軟管連接常用于口徑10mm以下儀表和工作壓力較低的場所;螺紋連接常用于口徑40mm以下的儀表,使用范圍不廣;法蘭連接用于口徑15~100mm的儀表,應(yīng)用較為普通。金屬管浮子流量計通常為法蘭連接,個別型號用螺紋連接。

    (4)按被測流體分類:可分為液體用、氣體用、蒸汽用。大部分浮子流量計同一儀表既可測液體也可測氣體。測量蒸汽只能用專門設(shè)計的金屬管浮子流量計,或在標(biāo)準(zhǔn)型儀表上加裝附加構(gòu)件,如增加帶散熱片的液體阻尼件,與指示轉(zhuǎn)換部分連接處加裝散熱片等。

    (5)按用途分類:可分為基型、夾套保溫型、防爆型、耐腐型、吹流型?;蛻?yīng)用較為廣泛。夾套保溫型用于管路中溫度明顯高于(或低于)環(huán)境溫度的場合。用于有爆炸性氣體或粉塵時電遠(yuǎn)傳浮子流量計采用防爆型。目前,國內(nèi)有隔爆型設(shè)計結(jié)構(gòu)和本質(zhì)安全防爆設(shè)計結(jié)構(gòu)類型。耐腐型浮子流量計與介質(zhì)接觸的結(jié)構(gòu)件和浮子用聚四氟乙稀等工程塑料制成。吹流型流量較小,空氣為20~3000L/h,水為0.3~100L/h,精確度要求不高。吹流型浮子流量計與小型自力式差壓調(diào)節(jié)器組成一體,使動力源壓力波動或下游參數(shù)變化擾動引起的流量變化,自行調(diào)節(jié)使之保持恒定的流量。

    (6)按被測流體通過方式分類:可分為全流型、分流型。全流型指被測流體全部流過浮子流量計的儀表。分流型指只有部分被測流體流過浮子等流量檢測部分,分流型浮子流量計由裝在主管道上標(biāo)準(zhǔn)孔板和較小口徑浮子流量計組合而成,應(yīng)用于管徑大于50mm的較大流量和只要就地指示的場所。







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