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

時(shí)間：2020-07-29    來(lái)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(jì)的測(cè)井原理、儀器特點(diǎn)、施工工藝及解釋方法，分析了該技術(shù)在識(shí)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(shí)際測(cè)井資料表明，超聲波流量計(jì)解決了注水剖面測(cè)井的許多疑難問(wèn)題。
關(guān)鍵字： 注水剖面 流量計(jì) 超聲波 生產(chǎn)測(cè)井 測(cè)井技術(shù)

0 引言

通過(guò)分析近幾年國(guó)內(nèi)注水開(kāi)發(fā)油田的三參數(shù)注水剖面測(cè)井資料，表現(xiàn)出來(lái)的主要問(wèn)題是：伽馬本底高、沾污嚴(yán)重、測(cè)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(shí)不清，無(wú)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(duì)復(fù)雜的注水井，必須開(kāi)展多參數(shù)、多樣化的吸水部面測(cè)井技術(shù)，滿足油田的開(kāi)發(fā)需要。

1 超聲波流量計(jì)測(cè)井技術(shù)

1.1 測(cè)量原理

采用超聲波相位差原理，設(shè)計(jì)了A、B兩個(gè)特征相似的超聲波傳感器，距離為L(zhǎng)，如圖1所示，設(shè)超聲波頻率為f，波長(zhǎng)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(cè)量模型示意圖

當(dāng)流體沿A→B方向以速度U流動(dòng)時(shí)，順流聲速Va=V+U，逆流聲速Vb=V-U，則順流時(shí)波數(shù)Na=V×n/（V+U），逆流時(shí)波數(shù)Nb=V×n/（V-U），則順、逆流發(fā)射超聲波時(shí)，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?yàn)閂>>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(cè)出超聲波相位差△b，即可計(jì)算出流體流速U，進(jìn)而可以計(jì)算出已知管子內(nèi)徑的流量。

1.2 儀器特點(diǎn)

測(cè)井項(xiàng)目：磁定位、伽馬、井溫、壓力和超聲波流量計(jì)五參數(shù)組合測(cè)井。

儀器指標(biāo)：外徑38mm，總長(zhǎng)度4.5m，耐溫150°C，耐壓70MPa，在2.5in（1in=25.4mm）的油管內(nèi)測(cè)量范圍0~370m3/d左右，在5.5in的套管內(nèi)測(cè)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(jì)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(cè)量注水井相對(duì)靜止時(shí)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(cè)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(cè)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(diǎn)上5m左右等測(cè)量超聲波定點(diǎn)流量，定點(diǎn)測(cè)量時(shí)間不少于120s。如果超聲波定點(diǎn)流量曲線有明顯波動(dòng)，或者根據(jù)超聲波定點(diǎn)流量值查圖版計(jì)算的水流量出現(xiàn)異常情況，要重復(fù)定點(diǎn)驗(yàn)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(jì)算公式，如圖2所示。如果儀器使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)零漂和誤差較大時(shí)，要重新進(jìn)行刻度和標(biāo)定。


圖2 超聲波流量計(jì)在2.5in油管內(nèi)標(biāo)定圖版

2.2 計(jì)算評(píng)價(jià)井段內(nèi)的流量

根據(jù)測(cè)量超聲波定點(diǎn)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(jì)算該處流量，根據(jù)定點(diǎn)相位差計(jì)算的流量不含測(cè)井速度的影響，計(jì)算出來(lái)的流量直接反應(yīng)定點(diǎn)深度處管子內(nèi)流體的實(shí)際流量；而根據(jù)連續(xù)相位差計(jì)算的流量包含測(cè)井速度的影響，需要減去測(cè)速相同時(shí)在死水區(qū)連續(xù)相位差計(jì)算的流量，才能反應(yīng)該深度處管子內(nèi)流體的實(shí)際流量。

2.3 計(jì)算分層吸水量[3]

首先選出射孔層上下、配水器上下等評(píng)價(jià)井段，再根據(jù)超聲波定點(diǎn)或連續(xù)相位差，按3.2的方法計(jì)算各評(píng)價(jià)井段管子內(nèi)的流量，其上下評(píng)價(jià)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(duì)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(gè)解釋單元，先根據(jù)超聲波流量曲線計(jì)算各配水器實(shí)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(píng)價(jià)各小層的吸水量。其特點(diǎn)：可以檢查并精確計(jì)算各配水器的實(shí)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(duì)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(jì)曲線進(jìn)行定量解釋。若射孔層之間的間隔較小，流量計(jì)曲線在層間變化不明顯，則可將這些射孔層劃分為一個(gè)解釋單元，根據(jù)流量曲線計(jì)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(píng)價(jià)各小層的吸水量。對(duì)于有竄槽現(xiàn)象的，將竄槽井段內(nèi)各層劃分為一個(gè)解釋單元，用流量曲線計(jì)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(píng)價(jià)各小層的竄吸量。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

1）識(shí)別大孔道地層

當(dāng)?shù)貙哟嬖诖罂椎罆r(shí)，常規(guī)的同位素載體粒徑比孔道直徑小，會(huì)隨注入水進(jìn)入地層深部，導(dǎo)致測(cè)量同位素曲線與伽馬本底對(duì)比時(shí)差異較小甚至沒(méi)有差異，僅依據(jù)同位素曲線解釋小層吸水量，會(huì)得出與實(shí)際情況相差較大的結(jié)論。如果結(jié)合超聲波流量計(jì)，則能很好地反映地層的真實(shí)吸水情況。如GX110-7井2009年10月21日測(cè)的吸水剖面如圖3所示，該井的注水層段為13號(hào)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(hào)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(shuō)明此處存在大孔道，大深部。


圖3 GX110-7井超聲波流量計(jì)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(cè)量超聲波流量計(jì)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(jí)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(jì)注水剖面測(cè)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(jì)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(guò)封隔器進(jìn)入下部射孔層，下段水嘴未進(jìn)水，充分驗(yàn)證了封隔器失效。


圖4 L15-**井超聲波流量計(jì)注水剖面成果圖

3）提高遇阻井注水剖面解釋精度

在長(zhǎng)期的注水剖面測(cè)井施工中，常常會(huì)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(cè)井解釋時(shí)，有些井不能定性分析遇阻層是否吸水，更無(wú)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(shí)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(jì)測(cè)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(duì)該井進(jìn)行了同位素注水剖面測(cè)井，施工過(guò)程中測(cè)井儀器在2662.0m遇阻，最后一個(gè)層未測(cè)出，從監(jiān)測(cè)曲線分析遇阻層吸水。于是，現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)與地質(zhì)人員聯(lián)系，改用超聲波流量計(jì)測(cè)井，如圖5，根據(jù)超聲波流量曲線計(jì)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(jì)的優(yōu)勢(shì)，為采油廠提供了可靠的測(cè)井資料。


圖5 L90-**井超聲波流量計(jì)注水剖面成果圖

4）檢查配水器的實(shí)際配注情況

在分層配注井中，對(duì)不同的層系設(shè)計(jì)了不同大小的配水器水嘴希望按計(jì)劃注水，如果想檢查各配水器的實(shí)際注水情況，可進(jìn)行超聲波流量計(jì)測(cè)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(jí)三段分注，有三個(gè)配水器和兩個(gè)封隔器，井口注水量為106m3/d左右，設(shè)計(jì)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(jì)測(cè)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(cè)試結(jié)果與實(shí)際配注情況基本吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

超聲波流量計(jì)在注水剖面測(cè)井中，能識(shí)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(cè)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(cè)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(jì)測(cè)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(cè)井資料識(shí)別大孔道的方法研究[J].測(cè)井技術(shù)，2002，26（2）
[3]夏竹君.利用脈沖中子氧活化測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)管外竄槽[J].天然氣技術(shù)，2008，23（2） 通常情況下，渦輪流量計(jì)的流量方程可分為兩種：實(shí)用流量方程和理論流量方程。

實(shí)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(jì)輸出信號(hào)的頻率，Hz；
K為流量計(jì)的儀表系數(shù)，P/m3。

渦輪流量計(jì)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(shí)，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(guò)流量上限時(shí)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(jì)特性曲線由流量校驗(yàn)裝置校驗(yàn)得出，它完全不問(wèn)傳感器內(nèi)部流體機(jī)理，把傳感器作為一個(gè)黑匣子，根據(jù)輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號(hào)）確定其轉(zhuǎn)換系數(shù)，它便于實(shí)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(yàn)條件是參考條件，如果使用時(shí)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(jì)的理論流量方程可以根據(jù)動(dòng)量矩得出葉輪的運(yùn)動(dòng)方程。



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

    1、金屬管浮子流量計(jì)工作原理：

    根據(jù)金屬管浮子在錐形管內(nèi)的高度來(lái)測(cè)量流量，利用流體通過(guò)浮子和管壁之間的間隙時(shí)產(chǎn)生的壓差來(lái)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(cè)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(jì)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(jì)：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(jī)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(jì)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(dòng)，或在錐管棱筋導(dǎo)向下移動(dòng)，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(jì)：金屬管錐形管浮子流量計(jì)口徑15~40mm，通過(guò)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(jì)相比?？捎糜谳^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(jì)還有其他幾種結(jié)構(gòu)，如透明直管浮子流量計(jì)是透明錐形管浮子流量計(jì)的變形結(jié)構(gòu)，流量檢測(cè)元件由孔板和錐形浮塞組成。金屬管錐形管浮子流量計(jì)還有其他類型或變形結(jié)構(gòu)。其中直接批示型通過(guò)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(jì)功能分類：可分為現(xiàn)場(chǎng)指示、氣動(dòng)遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出、電動(dòng)遠(yuǎn)傳信號(hào)輸出、報(bào)警等。透明管浮子流量計(jì)都是現(xiàn)場(chǎng)指示型。有時(shí)裝有接近開(kāi)關(guān)，輸出上下限報(bào)警信號(hào)。遠(yuǎn)傳信號(hào)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(hào)輸出，分別成為氣遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)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(jì)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(chǎng)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(jì)通常為法蘭連接，個(gè)別型號(hào)用螺紋連接。

    (4)按被測(cè)流體分類：可分為液體用、氣體用、蒸汽用。大部分浮子流量計(jì)同一儀表既可測(cè)液體也可測(cè)氣體。測(cè)量蒸汽只能用專門設(shè)計(jì)的金屬管浮子流量計(jì)，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。基型應(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(chǎng)合。用于有爆炸性氣體或粉塵時(shí)電遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)采用防爆型。目前，國(guó)內(nèi)有隔爆型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和本質(zhì)安全防爆設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類型。耐腐型浮子流量計(jì)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(jì)與小型自力式差壓調(diào)節(jié)器組成一體，使動(dòng)力源壓力波動(dòng)或下游參數(shù)變化擾動(dòng)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(cè)流體通過(guò)方式分類：可分為全流型、分流型。全流型指被測(cè)流體全部流過(guò)浮子流量計(jì)的儀表。分流型指只有部分被測(cè)流體流過(guò)浮子等流量檢測(cè)部分，分流型浮子流量計(jì)由裝在主管道上標(biāo)準(zhǔn)孔板和較小口徑浮子流量計(jì)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(chǎng)所。







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