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超声波流量计在注水剖面中的应用 流量计技术指标

时间:2020-07-29    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
摘 要: 文章介绍了超声波流量计的测井原理、仪器特点、施工工艺及解释方法,分析了该技术在识别大孔道地层、检查井下管柱情况、判断套管漏失、提高注水剖面解释精度等方面的应用情况,大量的实际测井资料表明,超声波流量计解决了注水剖面测井的许多疑难问题。
关键字: 注水剖面 流量计 超声波 生产测井 测井技术

0 引言

通过分析近几年国内注水开发油田的三参数注水剖面测井资料,表现出来的主要问题是:伽马本底高、沾污严重、测试遇阻情况多、地层大孔道、井筒及管柱漏失等等,另外,由于注水管柱复杂,井下水流方面认识不清,无法分析配水器、封隔器等工具的工作状况,影响了资料的应用情况[1、2]。针对复杂的注水井,必须开展多参数、多样化的吸水部面测井技术,满足油田的开发需要。

1 超声波流量计测井技术

1.1 测量原理

采用超声波相位差原理,设计了A、B两个特征相似的超声波传感器,距离为L,如图1所示,设超声波频率为f,波长为λ,则声速V=f×λ,波数N=L/λ=L×f/V,由于L、f为常量,则N与V成反比。


图1 流量传感器的测量模型示意图

当流体沿A→B方向以速度U流动时,顺流声速Va=V+U,逆流声速Vb=V-U,则顺流时波数Na=V×n/(V+U),逆流时波数Nb=V×n/(V-U),则顺、逆流发射超声波时,L距离内正逆流波数差为:△n=Nb-Na=n×2U×V/(V2-U2),其中n=L×f/V,则△n=2L×f×U/(V2-U2)。

相位差△b=△n×360o=720oL×f×U/(V2-U2),因为V>>U,则△b»720oL×f×U/V2,由于L、f、V为常量,则相位差△b和流体流速U之间为近似线性关系。

因此测出超声波相位差△b,即可计算出流体流速U,进而可以计算出已知管子内径的流量。

1.2 仪器特点

测井项目:磁定位、伽马、井温、压力和超声波流量计五参数组合测井。

仪器指标:外径38mm,总长度4.5m,耐温150°C,耐压70MPa,在2.5in(1in=25.4mm)的油管内测量范围0~370m3/d左右,在5.5in的套管内测量范围0~1800m3/d左右。

适用范围:适用管柱内径大于40mm的分层注水井、空井筒及喇叭口在射孔层段上部的笼统注水井。

1.3 施工方法

将超声波流量计与磁定位、伽马、井温、压力组合后下入井内,关井2h~4h左右,测量注水井相对静止时的井温、伽马、磁定位、压力,然后恢复正常注水,稳定后在射孔层上部200m左右释放同位素,待同位素分配好后,测量至少两条重复性较好的同位素、井温、压力、磁定位以及超声波连续曲线;再根据测量的超声波连续曲线以及注水管柱,分别在距离井口200m左右、在各配水器的上、下10m左右、超声波连续曲线有异常的井段上、下10m左右、射孔层段上、下2m左右、遇阻点上5m左右等测量超声波定点流量,定点测量时间不少于120s。如果超声波定点流量曲线有明显波动,或者根据超声波定点流量值查图版计算的水流量出现异常情况,要重复定点验证。

2 解释方法

2.1 解释图版

在仪器出厂投入使用前,在规范的油管和套管中进行流量刻度和标定,根据标定值制作解释图版,并用最小二乘法回归流量与相位差之间的计算公式,如图2所示。如果仪器使用时间过长,出现零漂和误差较大时,要重新进行刻度和标定。


图2 超声波流量计在2.5in油管内标定图版

2.2 计算评价井段内的流量

根据测量超声波定点流量相或连续流量的相位差值,代入如图2中的回归公式均可计算该处流量,根据定点相位差计算的流量不含测井速度的影响,计算出来的流量直接反应定点深度处管子内流体的实际流量;而根据连续相位差计算的流量包含测井速度的影响,需要减去测速相同时在死水区连续相位差计算的流量,才能反应该深度处管子内流体的实际流量。

2.3 计算分层吸水量[3]

首先选出射孔层上下、配水器上下等评价井段,再根据超声波定点或连续相位差,按3.2的方法计算各评价井段管子内的流量,其上下评价井段内流量的差值就是射孔层的吸水量或配水器的进水量。

对于分层注水井,若封隔器密封完好,按配注井段将各射孔层分为若干个解释单元,先根据超声波流量曲线计算各配水器实际注水量的大小,然后将其按同位素吸水面积的大小,精确评价各小层的吸水量。其特点:可以检查并精确计算各配水器的实际配注情况;结合多参数分析,可以准确判断封隔器的密封情况。

对于笼统注水井,若射孔层之间的间隔较大(一般大于2m),超声波流量曲线在层间有明显的变化,可直接根据流量计曲线进行定量解释。若射孔层之间的间隔较小,流量计曲线在层间变化不明显,则可将这些射孔层划分为一个解释单元,根据流量曲线计算该单部分同位素沿大孔道进行地层元的总吸水量,然后将其按同位素吸水面积的大小,精确评价各小层的吸水量。对于有窜槽现象的,将窜槽井段内各层划分为一个解释单元,用流量曲线计算该单元总的吸水量,再将其按同位素吸水面积的大小,精确评价各小层的窜吸量。

3 应用实例分析

1)识别大孔道地层

当地层存在大孔道时,常规的同位素载体粒径比孔道直径小,会随注入水进入地层深部,导致测量同位素曲线与伽马本底对比时差异较小甚至没有差异,仅依据同位素曲线解释小层吸水量,会得出与实际情况相差较大的结论。如果结合超声波流量计,则能很好地反映地层的真实吸水情况。如GX110-7井2009年10月21日测的吸水剖面如图3所示,该井的注水层段为13号层,射孔井段1886.0m~1902.0m,厚度16.0m,注水管柱下至1859.4m,注水油压9.0MPa,注水量约100m3/d,所用同位素载体粒径300μm~600μm,粒密度1.02g/cm3。从图中可以看出,同位素示踪曲线在13号层顶部(1885.3m~1887.3m)有较弱吸水显示,解释的吸水量占23.52%,但是超声波流量曲线在此处有大幅度异常,解释的吸水量占68.98%,说明此处存在大孔道,大深部。


图3 GX110-7井超声波流量计注水剖面成果图

2)检查封隔器的封隔效果

在分层配注井中,测量超声波流量计曲线,可以准确判断封隔器的封隔效果。如L15-**井是一口注水井,注水层位Es33,注水井段3079.6m~3082.3m,40.0m/8层。该井为一级两段分注,上段投80m3/d的定量水嘴,下段未投水嘴。2010年4月9日进行超声波流量计注水剖面测井,如图4所示,从同位素曲线分析,封隔器上下两段均有吸水显示,与设计的配注情况基本吻合。但超声波流量曲线显示,注入水全部从上段水嘴进入,一部分水进入封隔器上部的射孔层,另一部分水通过封隔器进入下部射孔层,下段水嘴未进水,充分验证了封隔器失效。


图4 L15-**井超声波流量计注水剖面成果图

3)提高遇阻井注水剖面解释精度

在长期的注水剖面测井施工中,常常会遇到套管变形、油管未下到位、井下工具堵塞、井底有落物或沉砂等现象,同位素注水剖面测井解释时,有些井不能定性分析遇阻层是否吸水,更无法定量解释遇阻层的吸水量,常规处理方法是:定量解释时不考虑遇阻层的吸水量,从而影响本井吸水层的定量解释精度。如果进行超声波流量计测井,不仅能准确分析遇阻层的吸水情况,而且能提高该井的定量解释精度。

L90-**井是一口注水井,注水层位Es2+3,注水井段2629.0m~2666.8m,13.2m/4层。该井为笼统注水,全井日配注量100m3/d。2010年4月11日对该井进行了同位素注水剖面测井,施工过程中测井仪器在2662.0m遇阻,最后一个层未测出,从监测曲线分析遇阻层吸水。于是,现场施工人员及时与地质人员联系,改用超声波流量计测井,如图5,根据超声波流量曲线计算的遇阻层吸水量占全井注水量的95.49%,充分发挥了超声波流量计的优势,为采油厂提供了可靠的测井资料。


图5 L90-**井超声波流量计注水剖面成果图

4)检查配水器的实际配注情况

在分层配注井中,对不同的层系设计了不同大小的配水器水嘴希望按计划注水,如果想检查各配水器的实际注水情况,可进行超声波流量计测井。L1-*井是一口注水井,注水层位Es32+3,注水井段2516.0m~2646.8m,目前注水方式为两级三段分注,有三个配水器和两个封隔器,井口注水量为106m3/d左右,设计配水器1为死嘴,配水器2未投水嘴,配水器3投60m3/d的水嘴。2010年4月11日进行超声波流量计测井,配水器1不吸水,配水器2进水量为58.27m3/d,配水器3进水量为48.00m3/d,测试结果与实际配注情况基本吻合。

4 结束语

超声波流量计在注水剖面测井中,能识别大孔道及微裂缝地层、揭示层间矛盾、检查井下注水管柱工作情况、判断浅部套管漏失、提高自然伽马本底高的井测井成功率及遇阻井注水剖面解释精度等,解决了普通的同位素注水剖面测井技术存在的诸多难题。

参考文献
[1]李俊舫,夏竹君.复杂注水井吸水剖面流量计测井技术[J].石油仪器,2005,19(6)
[2] 王祥,夏竹君.利用注水剖面测井资料识别大孔道的方法研究[J].测井技术,2002,26(2)
[3]夏竹君.利用脉冲中子氧活化测井技术评价管外窜槽[J].天然气技术,2008,23(2) 通常情况下,涡轮流量计的流量方程可分为两种:实用流量方程和理论流量方程。

实用流量方程:

qv=f/K 公式1;
qm=qvρ

式中qv,qm分别为体积流量,m3/s,质量流量,kg/s;
f为流量计输出信号的频率,Hz;
K为流量计的仪表系数,P/m3。

涡轮流量计的系数可分为二段,即线性段和非线性段。线性段约为其工作段的三分之二,其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段,特性受轴承摩擦力,流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器流量下限时,仪表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。结构相似的TUF特性曲线的形状是相似的,它仅在系统误差水平方面有所不同。

涡轮流量计特性曲线由流量校验装置校验得出,它完全不问传感器内部流体机理,把传感器作为一个黑匣子,根据输入(流量)和输出(频率脉冲信号)确定其转换系数,它便于实际应用。但要注意,此转换系数(仪表系数)是有条件的,其校验条件是参考条件,如果使用时偏离此条件系数将发生变化,变化的情况视传感器类型,管道安装条件和流体物性参数的情况而定。

而涡轮流量计的理论流量方程可以根据动量矩得出叶轮的运动方程。



    金属管浮子流量计主要用于中小口径流量测量,可以测液体、气体、蒸汽等,应用较为广泛。

    1、金属管浮子流量计工作原理:

    根据金属管浮子在锥形管内的高度来测量流量,利用流体通过浮子和管壁之间的间隙时产生的压差来平衡浮子的重量,流量越大,浮子被托得越高,使其具有更大的环隙面积,也即环隙面积随流量变化,所以一般称为面积法。它较多地利用于中、小流量的测量,有配以电远传或气远传发信器的类型。

    2、金属管浮子流量计分类:

    (1)按锥管材料分类:可分为透明材料锥管、金属锥管。

    ①透明锥形管金属管浮子流量计:透明锥形管材料有玻璃管、透明工程塑料如聚苯乙稀,聚碳酸酯、有机玻璃等。其中用得较多的是玻璃管,但容易破碎;而工程塑料管不易破碎,有些还耐酸碱液等腐蚀性介质的腐蚀。

    透明锥形管浮子流量计的口径15~40mm,流量分度直接刻在锥管外壁上,或者在锥管旁另外装分度标尺,锥管内有圆锥体平滑面和带导向棱筋(或平面)两种。浮子在锥管内自由移动,或在锥管棱筋导向下移动,较大口平滑面内壁仪表还有采用导杆导向。

    ②金属锥形管浮子流量计:金属管锥形管浮子流量计口径15~40mm,通过磁钢耦合等方式,将浮子的位移传给套管外的转换部分。与透明锥形管浮子流量计相比。可用于较高的介质温度和压力,并且不易破碎。

    此外,透明浮子流量计还有其他几种结构,如透明直管浮子流量计是透明锥形管浮子流量计的变形结构,流量检测元件由孔板和锥形浮塞组成。金属管锥形管浮子流量计还有其他类型或变形结构。其中直接批示型通过透明直管和浮塞直接观察读取浮子位置;水平安装型可安装于水平管道;直通型与典型结构的直角流通方向不同,不必改变流通方向,可直接连接垂直管道,安装方便;浮塞孔板型以浮塞孔板代替转子锥形管,改变流量规格只要调换不同锥度的浮塞,比较方便。

    (2)按流量计功能分类:可分为现场指示、气动远传信号输出、电动远传信号输出、报警等。透明管浮子流量计都是现场指示型。有时装有接近开关,输出上下限报警信号。远传信号输出型仪表的转换部分将浮子位移量转换成电流或气压模拟量信号输出,分别成为气远传浮子流量计和。

    (3)按与管道连接方式分类:可分为软管连接、法兰连接、螺纹连接。透明管浮子流量计三种连接方法皆有,其中软管连接常用于口径10mm以下仪表和工作压力较低的场所;螺纹连接常用于口径40mm以下的仪表,使用范围不广;法兰连接用于口径15~100mm的仪表,应用较为普通。金属管浮子流量计通常为法兰连接,个别型号用螺纹连接。

    (4)按被测流体分类:可分为液体用、气体用、蒸汽用。大部分浮子流量计同一仪表既可测液体也可测气体。测量蒸汽只能用专门设计的金属管浮子流量计,或在标准型仪表上加装附加构件,如增加带散热片的液体阻尼件,与指示转换部分连接处加装散热片等。

    (5)按用途分类:可分为基型、夹套保温型、防爆型、耐腐型、吹流型。基型应用较为广泛。夹套保温型用于管路中温度明显高于(或低于)环境温度的场合。用于有爆炸性气体或粉尘时电远传浮子流量计采用防爆型。目前,国内有隔爆型设计结构和本质安全防爆设计结构类型。耐腐型浮子流量计与介质接触的结构件和浮子用聚四氟乙稀等工程塑料制成。吹流型流量较小,空气为20~3000L/h,水为0.3~100L/h,精确度要求不高。吹流型浮子流量计与小型自力式差压调节器组成一体,使动力源压力波动或下游参数变化扰动引起的流量变化,自行调节使之保持恒定的流量。

    (6)按被测流体通过方式分类:可分为全流型、分流型。全流型指被测流体全部流过浮子流量计的仪表。分流型指只有部分被测流体流过浮子等流量检测部分,分流型浮子流量计由装在主管道上标准孔板和较小口径浮子流量计组合而成,应用于管径大于50mm的较大流量和只要就地指示的场所。







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