目前, 過環空阻抗找水儀主要實現含水和流量測試, 含水采用電導法測量[1], 流量測試主要采用渦輪流量計[2]。渦輪流量計的原理和結構決定其有一致命缺點, 即其葉輪屬于轉動部件, 與渦輪流量計接觸流體中的雜質往往導致葉輪砂卡[3]。通過統計分析, 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。中原測井公司在注入井中的渦輪流量計磁鋼安裝防磁罩, 解決砂卡取得較好效果[4];專利《防堵卡渦輪流量計》提出切向渦輪流量計的辦法解決產出井砂卡[5], 但未找到相應的應用文獻。大慶油田處于開發中后期, 大量的井存在出砂、垢粒現象。通過統計, 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%。渦輪流量計出現砂卡, 則得到的產液量不準, 無法為地質部門提供真實準確的環空測試資料, 達不到指導油田開發生產的目的。為了降低砂卡率, 通過機械解卡的辦法實現解卡。

防砂卡渦輪流量計結構如圖1所示, 主要由渦輪流量計、篩狀出液孔、渦輪流量計安裝短接、解卡管、解卡管開槽、中心管、長條孔 (銷釘運動槽7) 、薄壁筒、進液孔、解卡管固定銷釘、含水傳感器安裝筒組成。

采用等效面法, 將進液孔一分為二, 改為寬2 mm的矩形進液孔, 解決從進液孔進入的長垢片或大垢片造成的砂卡, 如圖2所示。將原先3個方型的出液孔改為直徑4 mm的陣列狀的篩孔, 解決儀器在下井過程中從出液孔進入儀器的長垢片、大垢片造成的砂卡, 如圖3所示。

將渦輪支架內徑擴大, 解卡管的內壁充當渦輪的內壁, 解卡管通過固定銷釘固定在薄壁筒上, 通過開收傘, 薄壁筒帶動解卡管在長條孔上下運動, 解卡管在解卡管開槽上下通過渦輪總成的支架, 在收傘的過程中實現渦輪總成的支架內壁與葉輪之間的空間增大, 從而實現井內出砂、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。

20 m3渦輪流量計流量***大允許誤差為3%, 啟動排量1 m3/d, 支架內腔直徑由13.80 mm擴大為17.76 mm, 解卡管長18.90 mm, 外徑Ф17.00 mm, 內徑Ф13.80 mm。

40 m3渦輪流量計流量***大允許誤差為3%, 啟動排量2 m3/d, 支架內腔直徑由17.76 mm擴大為20.00 mm, 解卡管長18.90 mm, 外徑Ф19.30 mm, 內徑Ф17.76 mm。

解卡管頂端每120°均勻分布長16.1 mm, 寬2 mm槽縫, 線槽長24.6 mm, 寬2 mm, 解卡管底端的銷釘走固定槽寬4 mm, 長10 mm。

為了驗證可行性, 采用室內校準實現。機加組裝2支型號HK-ZS-40儀器, 編號為P033、P032, 2支HK-ZS-20儀器, 編號為K001、K018, 進行室內流量校準。校準介質:自來水。從2014年5月13日到2014年9月20日, 先后校準阻抗儀40多次。

K值為儀器常數, 理想狀態下, 渦輪轉動只受流體作用于渦輪的力, 但實際測量時, 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動的摩擦力、流體在進入渦輪橫截面的局部阻力, 儀器常數用于評價渦輪葉片的受力情況, 其定義式為:

式 (1) 中, K為儀器常數, r/ (m3·s) ;ξ為流量系數, °/m3。

儀器常數的物理意義是單位時間內單位體積的流體流過渦輪時, 渦輪轉動圈數。從儀器常數的定義式可知, K值表征了流量范圍內渦輪的平均轉速, 要求其大于等于1。K值越大, 則渦輪轉速越快, 所受阻力越小, 因此解卡管、進液孔、出液孔造成的局部擴阻力損失可以由K值衡量。通過校準, 按 (2) 式以***小二乘法就可求得儀器常數K值。

式 (2) 中, N為渦輪轉動轉數, r/s;Q為流量, m3/d;q為啟動排量, m3/d。

表1為2014年8月24日P033第6次校準結果。本次校準平均K值1.301 r/ (m3·s) , 大于1.0 r/ (m3·s) , 同時***大引用誤差為1.08%, 小于***大允許誤差3%, 啟動排量2 m3/d時的平均轉速1.850 r/s, 因此P033校準合格。同樣, P032、K001、K018先后校準合格。因此, 在啟動排量、***大允許誤差合格的前提下, K值大于等于1, K值可以評價解卡管、進液孔、出液孔造成的局部阻力損失。

渦輪葉片能轉動的持續時間是指渦輪調試好后, 在一定作用力下, 渦輪葉片從轉動開始到停止的時間。由表2可知, P032第1次校準時, 解卡裝置末端沒有安裝磁鋼, 渦輪調試結果持續時間19s, ***大引用誤差3.012%不合格, 啟動排量2 m3/d時, 平均轉速為0.943 r/s, 渦輪雖然沒有轉動, 但已接近轉動。P032第2次校準時, 解卡裝置末端沒有安裝磁鋼, 渦輪調試結果持續時間20 s, ***大引用誤差2.856%合格, 啟動排量2 m3/d時, 渦輪轉動, 平均轉速為1.867r/s。K001第1次校準時, 解卡裝置末端沒有安裝磁鋼, 渦輪調試結果持續時間30s, ***大引用誤差2.458%合格, 啟動排量1 m3/d時, 渦輪轉動, 平均轉速為2.245 r/s。P032和K001的校準結果表明, 在啟動排量時, 渦輪葉片轉動的持續時間超過20 s, 就可以保證啟動排量、***大引用誤差合格。為了提高渦輪流量計校準精度, 硬性規定為了保證啟動排量, 渦輪葉片轉動的持續時間為30 s。

由表2可知, 解卡裝置末端粘貼寬15 mm、長15.2mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 安裝距離渦輪流量計磁鋼8.9 cm時, P032第3次渦輪葉片轉動持續時間28 s, 40m3/d平均轉速49.650 r/s;同樣的磁鋼大小和安裝距離, K001第2次調試渦輪, 葉輪轉動持續時間26 s, ***大引用誤差1.908%合格, 啟動排量1 m3/d時, 平均轉速0.513 r/s, 不合格。K001第3次, 解卡裝置末端粘貼寬15 mm、長3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 安裝距離渦輪流量計磁鋼9.6 cm, 渦輪沒有調試持續時間30 s, 但校準結果***大引用誤差3.752%不合格, 啟動排量1 m3/d沒有啟動, 平均轉速0.666 r/s不合格。K001第4次, 重新調試渦輪, 持續時間30 s, 同時將寬15 mm、長3.8mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 距離渦輪流量計磁鋼的距離調整為12.16 cm, ***大引用誤差1.095%, 啟動排量1 m3/d啟動, 平均轉速2.587。故***終確定弧形磁鋼寬15mm、長3.8 mm、厚1.8 mm, 距離渦輪流量計磁鋼的距離為12.16 cm。此時在流量計啟動排量時, 渦輪葉片轉動。

2014年8月23日將解卡裝置下端弧形磁鋼去掉, 并重新調試渦輪, 結果見表3。渦輪調試結果持續時間35 s, 雖然誤差-2.12%合格, 但啟動排量2 m3/d仍沒有啟動。磁鋼去掉后, 還有什么原因呢?2014年8月24日檢修發現, 中心管、解卡裝置被磁化, 變相有磁場影響渦輪流量計啟動排量。更換中心管薄壁筒重新校準, 重復校準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。從結果可知, 儀器P033線性、穩定性、重復性良好。所以中心管、解卡裝置必須為不導磁材料。

防砂卡渦輪流量計在五大隊成功解卡370井次, 現場解卡測試曲線見圖5。剛測試時, 渦輪葉片轉動正常, 大約在20 s左右, 由于流體帶進的雜質導致流量曲線歸零。通過儀器二芯供電收傘, 大約15 s后再開傘, 一芯流量供電測試, 渦輪葉片通過瞬間開收傘, 擴大了葉輪與渦輪殼體之間的空間, 雜質通過, 渦輪葉片旋轉正常。從曲線可以看出, 在解卡前和解卡后, 渦輪旋轉一致, 都為15 m3/d左右, 而且解卡前后沖次一致, 渦輪流量計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%, 實現了產液剖面流量準確測試。

在現場應用中發現, 磁鋼固定采用AB膠效果不理想, 下一步研究怎么固定磁鋼, 磁場的大小怎么確定, 解決渦輪磁鋼吸附鐵屑造成的砂卡。

1) K值可以衡量解卡裝置、進液孔、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15 mm、長3.8 mm、厚1.8 mm的弧形磁鋼, 距離渦輪流量計磁鋼的距離為12.16 cm時, 在渦輪流量計啟動排量不會造成不啟動;

3) 中心管、解卡裝置必須是不導磁材料, 否則啟動排量不能啟動;

4) 磁鋼固定采用AB膠效果不理想, 下一步研究磁場的大小和磁鋼固定方式。