我國(guó)油田大都采用分層注水方式保持油層壓力，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,需要及時(shí)了解掌握注水井各層的動(dòng)態(tài)注入量,注入剖面測(cè)試技術(shù)即動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。隨著生產(chǎn)上的要求 ,在注水井注入剖面測(cè)試中新的監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷應(yīng)用。
電磁流量測(cè)試技術(shù)以其測(cè)量精度高無(wú)污染,已在國(guó)內(nèi)多個(gè)油田注入剖面測(cè)試中應(yīng)用,在籠統(tǒng)注入井注入剖面測(cè)試中可取代傳統(tǒng)的同位素測(cè)試,取得了較好的應(yīng)用效果。
電磁流量計(jì)的基本測(cè)量原理是電磁感應(yīng)原理,當(dāng)導(dǎo)電的注入流體流經(jīng)測(cè)量探頭時(shí),切割儀器產(chǎn)生的電磁場(chǎng) ,在流體中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),通過(guò)測(cè)量這個(gè)由流體切割磁力線的快慢(即流體流動(dòng)速度)產(chǎn)生的變化電壓信號(hào),來(lái)測(cè)量流體流速的大小,進(jìn)而根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)確定出流量。
從測(cè)量原理來(lái)看,影響注入流體流速的因素將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響,而當(dāng)全井注入量一定時(shí),影響注入流體流速的因素主要是測(cè)其通道過(guò)流面積的變化。油田注入剖面測(cè)試中使用的電磁流量計(jì),在室內(nèi)標(biāo)定中使用的是標(biāo)準(zhǔn)的套管尺寸或油管尺寸,而實(shí)際測(cè)量時(shí)由于長(zhǎng)期注水和井下原因引起套管變形、結(jié)垢、腐蝕等情況 ,使實(shí)際的測(cè)量通道與標(biāo)定環(huán)境有一定差異,因此引起測(cè)量結(jié)果誤差。
1、井徑對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響分析
設(shè)實(shí)際流量為 O ,測(cè)量流量為 O1,標(biāo)定時(shí)測(cè)量通道直徑為D,截面積為 S ,實(shí)際測(cè)量通道直徑為 D1,截面積為 S1 ,流速為 "。當(dāng)流量計(jì)測(cè)出流量頻率值后,根據(jù)標(biāo)定圖版可換算為流量,此時(shí)計(jì)算采用的是標(biāo)準(zhǔn)過(guò)流通道內(nèi)徑,瞬時(shí)測(cè)量流量應(yīng)為:
當(dāng)過(guò)流通道變化時(shí),此時(shí)流速為:
則
可見(jiàn) ,測(cè)量流量與實(shí)際流量有一個(gè)系數(shù)差,這個(gè)系數(shù)與測(cè)量通道管徑變化的平方成正比,是一個(gè)指數(shù)關(guān)系,當(dāng)D 與D1 相差不大時(shí), Q1 與 Q 相比誤差不大,而當(dāng)D1與D相差較大時(shí), Q1就超出了允許的誤差范圍,由上式可見(jiàn),當(dāng)實(shí)際管道直徑變化量達(dá) 5% 時(shí) ,流量就有超出 10% 的誤差。而在實(shí)際的電磁流量計(jì)測(cè)量和解釋時(shí)均未考慮到管徑尺寸差異引起的計(jì)量誤差。這在內(nèi)流式和外流式電磁流量測(cè)量方式上均有影響。為了提高測(cè)試精度 ,消除此項(xiàng)誤差,就必須對(duì)管徑變化的影響進(jìn)行校正。
在工程測(cè)井技術(shù)中, 井徑儀用來(lái)測(cè)量井下套管的變形情況,確定套管內(nèi)徑,其工作原理就是把套管直徑方向的尺寸變化轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化,其轉(zhuǎn)化過(guò)程是通過(guò)一套機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,可將和井徑儀引入電磁流量計(jì)章面測(cè)試中,與電磁流量計(jì)組合，利用測(cè)得的井徑數(shù)據(jù)修正測(cè)量與標(biāo)定通道差異引起的解釋誤差。然而,一般井徑儀由于測(cè)量原理的限制外徑較大,不能通過(guò)油管測(cè)量。為此,設(shè)計(jì)了一種小型井徑儀,同時(shí)可作電磁流量計(jì)的一個(gè)扶正器使用。
2.1 井徑儀的選擇
并徑儀選擇基于以下假設(shè):影響電磁流量測(cè)量誤差的套管或油管的變形是連續(xù)的,因此,其變形形狀可用橢圓模擬。這樣,在井徑測(cè)量上采用 4 臂井徑即可。
實(shí)際上,只要知道測(cè)量時(shí)通道的面積,不必知道通道的詳細(xì)形狀就能得到較好的校正效果,因此,4 臂井徑足夠使用。
為了實(shí)現(xiàn)過(guò)油管測(cè)量,縮短儀器長(zhǎng)度,在設(shè)計(jì)上可將電磁流量計(jì)的一個(gè)扶正器設(shè)計(jì)為井徑測(cè)量?jī)x,其 4條扶正片作為4個(gè)測(cè)量臂。
2.2 并徑儀原理
4個(gè)測(cè)量臂分為2組,每組測(cè)量一個(gè)方向,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 四臂井徑結(jié)構(gòu)圖
其中上、下接頭與儀器外殼相連,上、下滑套可分別在上下接頭上滑動(dòng),測(cè)量臂的兩端就分別裝在滑套和接頭上,使之受壓變形后只有一端能動(dòng)。與滑套相連的是上,下測(cè)量桿,二者通過(guò)上、下銷(xiāo)村定在一起。當(dāng)井徑變化引起測(cè)量臂壓縮時(shí), 相應(yīng)的上或下滑套隨之動(dòng)作,帶動(dòng)其上的測(cè)量桿作軸向運(yùn)動(dòng) ,井徑的變化就轉(zhuǎn)化為測(cè)量桿的位移。由檢測(cè)電路檢測(cè)這位移 ,就可得到井徑的變化。
2.3 井徑探頭測(cè)量原理
井徑探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。
其測(cè)量原理是電容法,即將井徑的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?其中上、`下測(cè)量桿與儀器外殼聯(lián)通作為一個(gè)電極,黃銅作的探頭外數(shù)一層聚氟乙烯絕緣層后作為另一個(gè)電極,二者組成一個(gè)容量可以變化的電容器傳感器。
井徑測(cè)量探頭等效電路如圖 3 所示,測(cè)量探頭實(shí)際上由三部分組成,一是分布電容 Cf 二是電極絕緣層電容 Cp, 電極棒和測(cè)量桿外亮之間的電容 Cz, 稱(chēng)被測(cè)電容。當(dāng)傳感器幾何尺才已定,則 Cf和 Cp 為固定值,測(cè)量探頭傳感器的容量變化決定于測(cè)量介質(zhì)和兩個(gè)電極的相對(duì)位置 ,一般對(duì)于注水井來(lái)說(shuō),注入流體是一定的,因此,測(cè)量探頭傳感器的容量變化就只決定于2個(gè)電極的相對(duì)位置變化。當(dāng)測(cè)量桿隨測(cè)量臂發(fā)生位移后,引起電容的容量變化,這個(gè)變化就表征了井徑的改變。
測(cè)量電路記錄到這個(gè)電容變化后就可以換算為井徑的大小,利用解釋軟件計(jì)算并模擬出測(cè)量段套管或油管內(nèi)徑變化,并用橢圓面積計(jì)算公式 A=兀xaxb計(jì)算出當(dāng)前面積(a、b分別為井徑的2個(gè)測(cè)量臂測(cè)出的尺寸) ,為流量解釋提供校正因子。為了能夠在正常注水情況下測(cè)試,井徑儀外徑設(shè)計(jì)為 Φ38 mm, 可以通過(guò)油管下入 ,測(cè)量范圍覆蓋油管和套管內(nèi)徑。
2.4 相關(guān)計(jì)算
電容中心電極半徑為r,內(nèi)電極絕緣層厚度為 ∂，絕緣材料介電常數(shù)為 ep,傳感器外電極內(nèi)表面半徑為R,電極長(zhǎng)度為 六,se; 為注入水介電常數(shù),根據(jù)同軸柱狀電容器容量計(jì)算公式,可得絕緣層和被測(cè)介質(zhì)的電容 Cp、Cz, 為:
傳感器電容 Cx 為:
設(shè)計(jì)取R=3 mm,r = 2 mm,絕緣材料選用聚四氟乙稀(Ep= 2.0)、厚度 ∂ = 0.2 mm,取水的介電常數(shù) Ez，= 80。則測(cè)量桿每移動(dòng) 1 mm 并徑探頭產(chǎn)生的電容變化約為1.1 PF ,電路設(shè)計(jì)具有 0.1 PF 的分辯率,因此，是可以滿(mǎn)足使用要求的。
傳感器電容變化量及流量變化量與井徑關(guān)系如圖4所示。
3、 注意事項(xiàng)
(1)為了不對(duì)現(xiàn)有電磁流量計(jì)改動(dòng),井徑儀設(shè)計(jì)為過(guò)線形式,安裝于電磁流量計(jì)上方。
(3)井徑測(cè)量臂應(yīng)采用高硬度彈策鋼制成。
(4)在實(shí)際測(cè)試中起下儀器的速度應(yīng)控制。
4、 結(jié)束語(yǔ)
電磁流量計(jì)測(cè)量精度高,有較好的應(yīng)用效果。但實(shí)際測(cè)量通道與標(biāo)定環(huán)境有一定差異,引起測(cè)量結(jié)果誤差。
將井徑測(cè)量引入電磁流量計(jì)剖面測(cè)試中,可有效校正因測(cè)量通道發(fā)生變化引起的測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)的井徑儀采用了新穎的電容法測(cè)量原理,有效地減小了尺寸 。
受外徑限制,井徑儀設(shè)計(jì)為四臂獨(dú)立 ,測(cè)量臂采用扶正片形式,由連桿帶動(dòng)測(cè)量臂移動(dòng),由測(cè)量探頭電容的大小變化得出測(cè)量臂的位移大小,進(jìn)而確定該扶正片對(duì)應(yīng)套管尺寸的變化。井徑與電磁流量計(jì)的一體化設(shè)計(jì),使井徑儀即可測(cè)量通道井徑的變化,又能作為電磁流量計(jì)的一個(gè)扶正器使用,在基本保持儀器長(zhǎng)度的前提下為流量解釋多提供了一個(gè)測(cè)量參數(shù)。
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電磁流量計(jì)工作原理及現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖
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新型分體式電磁流量計(jì)接線盒構(gòu)造優(yōu)勢(shì)
