摘要：水平井產(chǎn)液剖面測試使用的渦輪流量計受啟動流量影響，不適應(yīng)于低液量水平井測試。研制了適用于小流量測試的井下存儲式金屬管浮子流量計，并與溫度、壓力、含水測試傳感器組成井下存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀，該儀器隨油管下入水平井段，無需電纜和爬行器，可在油井正常生產(chǎn)的情況下連續(xù)工作一個月，提高了低液量水平井產(chǎn)液剖面測試的準(zhǔn)確率和成功率。室內(nèi)實驗和現(xiàn)場先導(dǎo)性試驗表明，井下金屬管浮子流量計應(yīng)用于水平井產(chǎn)液剖面測試可行，為低滲透油田水平井產(chǎn)液剖面的流量測試提供了新途徑。

0　引　言
        水平井產(chǎn)液剖面測試技術(shù)是從油套環(huán)空通過電纜或連續(xù)油管將產(chǎn)液剖面測試儀器輸送至射孔段，在抽油機(jī)不停抽情況下采用渦輪流量計、持水率儀實時監(jiān)測流量、含水，該技術(shù)的優(yōu)點是能在抽油機(jī)不停抽的情況下獲得井下分段的流量、含水率等數(shù)據(jù)［１?常蕁５?牽?９娌?浩拭娌饈栽謁?驕?忻媼偎?蕉味嘞嗔魈宸植恪⒌繢攣薹ㄏ氯氳任侍猓?饕?捎肕APS陣列式測井儀和爬行器等解決方案［４?叮蕁Ｈ歡???浩拭媸褂玫奈新至髁考圃冢蛋園遡n倡套管井中流量小于５０m３／d時，渦輪啟動困難［７］，不適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測試；爬行器受井筒環(huán)境影響，測試成功率不高且測試作業(yè)費用昂貴。長慶油田水平井日產(chǎn)液小于２０m３的井占總井?dāng)?shù)的８７％，平均單段日產(chǎn)液小于２m３，低液量水平井的產(chǎn)液剖面測試已成為一個重要難題。為此，本文開展了將金屬管浮子流量計應(yīng)用于水平井產(chǎn)液剖面測試的探索研究，實現(xiàn)了無需電纜輸送儀器、提高測試準(zhǔn)確率、降低作業(yè)成本的目的。

1　金屬管浮子流量計
1.1　結(jié)構(gòu)和原理
        金屬管浮子流量計由一個錐形管和一個置于錐形管中可以上下自由移動的浮子組成（見圖１）。流量計本體兩端用法蘭連接或螺紋連接的方式垂直安裝在測量管路上，使流體自下而上流過流量計，推動浮子。由于節(jié)流作用，使上下游產(chǎn)生壓差Δp，由于該壓差的存在，使得浮子受到迎面的壓差阻力，在該阻力的作用下，浮子在錐管中上升，流通面積A增大，環(huán)隙中流體的平均速度減小，直到該阻力與浮子的自重和浮力相平衡時，浮子停留在某一高度。流量Qv越大，浮子停留的高度h越高。在穩(wěn)定情況下，浮子懸浮的高度h與通過流量計的體積Qv之間有一定的比例關(guān)系為
       
        式中，α是金屬管浮子流量計的流量系數(shù)；Df是浮子的非常大直徑；Af是浮子迎面流體面積；Vf是浮子的體積；ρf是浮子材料密度；φ是錐管的錐角；ρ是流體介質(zhì)密度；h是浮子高度。

        對于一定的流量計和流體，式（１）中的Df、Af、Vf、ρf、φ、ρ等均為常數(shù)，因此，只要保持α為常數(shù)，則流量Qv與浮子高度h之間就存在近似線性關(guān)系。

        因此，可以將這種對應(yīng)關(guān)系直接刻度在流量計的錐管上，根據(jù)浮子的高度直接讀出流量值，或通過電存儲方式將流量信號（即浮子的位置信號）記錄。

1.2　金屬管浮子流量計的特點
        由于金屬管浮子流量計在測量過程中始終保持節(jié)流件前后的壓差不變，通過改變流通面積實現(xiàn)流量的測量。①幾乎不會遇到砂卡的現(xiàn)象，與渦輪流量計相比受井筒環(huán)境的影響小；②可接收微小流量信號，實現(xiàn)低液量井流量測試；③浮子的高度取決于液體的流量，氣體對測量結(jié)果影響很小［８］。

2　井下存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀
        借鑒常規(guī)金屬管浮子流量計，同時考慮到水平井中儀器無法通過電纜在水平段下放，使用爬行器價格昂貴且受井筒環(huán)境影響故障率高等因素，設(shè)計了適用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測試的井下金屬管浮子流量計，同時與溫度、壓力、含水測試傳感器以及電路系統(tǒng)組成井下存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀，該儀器和油管連接后一起下入到射孔段，可以連續(xù)監(jiān)測多段壓裂水平井產(chǎn)液信息。

2.1　水平井井下金屬管浮子流量計設(shè)計
        水平井井下金屬管浮子流量計由浮子、推桿、滑套、線圈、彈簧、流量護(hù)管、單流閥等組成（見圖２）。

        工作原理：給浮子感應(yīng)線圈上提供恒定的電流激勵，當(dāng)井下流體通過過流通道，推動浮子移動，銜鐵發(fā)生位移，引起感應(yīng)線圈中磁阻變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢經(jīng)濾波放大，輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理后測得流量。流量測量線圈采用差分結(jié)構(gòu)，溫漂小，在流量線圈外加屏蔽層，減少外部對流量測量的干擾；自感傳感器可以測量０暢０１μm～５０mm的機(jī)械位移，具有測量精度高、靈敏度高、線性好、結(jié)構(gòu)簡圖3　存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀單、性能可靠等優(yōu)點。

2.2　含水率、溫度和壓力測量設(shè)計
        含水率測試儀采用電容式含水率傳感器和阻抗式含水率傳感器組合設(shè)計，分別測試流體的電容值和電導(dǎo)率，可以適應(yīng)低含水和高含水傳感器組合，可以更加精準(zhǔn)測量含水率。

        溫度測量原理：給PT１０００提供恒流激勵，當(dāng)井溫變化時，PT１０００的阻值也會發(fā)生變化，測量電路輸出與溫度成正比的差動電壓信號，經(jīng)過單片機(jī)AD采集，得到溫度信號。

        壓力測量原理：壓力傳感器采用恒壓供電電路，輸出與壓力成正比的壓力差動電壓信號，經(jīng)過單片機(jī)AD采集，得到壓力信號。

2.3　儀器功耗設(shè)計
        儀器選用容量為９Ah的高溫電池，采樣間隔有多種類型可供選擇，非常小可設(shè)置為３s。儀器工作３０d非常大功耗設(shè)計如下。
        （１）當(dāng)儀器采樣間隔設(shè)置為３s時。每間隔３s需要采集１次數(shù)據(jù)，采集０暢８s，此時總電流不超過２５mA。１個月的耗電量４暢８Ah。
        （２）當(dāng)儀器不工作時，進(jìn)入休眠狀態(tài)。總電流不超過１００μA。１個月耗電量０暢０７２Ah。
        （３）儀器每采集８７組數(shù)據(jù)（８７×３s＝２６１s）進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存儲。存儲時間為０暢６s，總電流不超過５０mA。１個月耗電量０暢０８２Ah。
        （４）儀器１個月非常大耗電量４暢９５４Ah。儀器可在井下連續(xù)工作１個半月以上。

2.4　水平井產(chǎn)液剖面測試儀結(jié)構(gòu)及原理
        井下存儲式水平井產(chǎn)液剖面測試儀由金屬管浮子流量計、含水探頭、溫度探頭、壓力傳感器、測量電路、供電電池組成（見圖３）。當(dāng)正常產(chǎn)液時，坐封單向閥截止，流體通過進(jìn)液口，推動浮子移動，從而測得流量。流體由過流通道流經(jīng)溫度探頭、壓力探頭與含水探頭時，可測得流體含水率、壓力與溫度，非常后通過出液口流出。坐封時，浮子保護(hù)單向閥截止，流體從隔離管與外護(hù)管環(huán)空過流通道流過，打開坐封單向閥，實現(xiàn)坐封。

3　室內(nèi)實驗
3.1　含水率對流量測試的影響
        （１）介質(zhì)：柴油和水兩相。
        （２）方式：在垂直狀態(tài)下進(jìn)行流量標(biāo)定，流量從０、１、２、⋯、１０m３／d，分別選擇含水率為１００％、８０％、４０％進(jìn)行流量測試實驗。
        （３）對流量刻度進(jìn)行曲線擬合。

        實驗結(jié)果表明，金屬管浮子流量計啟動流量為０暢５m３／d，可對低液量井進(jìn)行測試；不同含水率的流量測試曲線基本重合，說明浮子位置的變化只與通過浮子流體的流量相關(guān)，流體含水率對金屬管浮子流量計測試結(jié)果的影響可忽略。

3.2　儀器傾角對流量測試的影響
        （１）介質(zhì)：柴油和水兩相。
        （２）方式：將儀器分別處于水平狀態(tài)０°和負(fù)角度－３０°（即進(jìn)液口高于出液口）狀態(tài)下，流量從０、１、２、⋯、１０m３／d，分別選擇含水率為１００％、８０％、４０％進(jìn)行流量測試實驗。
        （３）對流量刻度進(jìn)行曲線擬合。

        實驗結(jié)果表明，當(dāng)井筒處于水平狀態(tài)甚至負(fù)角度狀態(tài)下，盡管流體的型態(tài)為層流或逆向流，但對金屬管浮子流量計和含水率的測試結(jié)果影響較小，非常大誤差僅４％。分析認(rèn)為這是由于浮子位置變化只與進(jìn)入錐形管空間流體流量有關(guān)，基本克服了油、水的分層流動使渦輪流量計響應(yīng)變得復(fù)雜的問題。當(dāng)流體經(jīng)過電容＋阻抗式持水率儀時，由于在圓周上配置多個持水率傳感器，能夠很好地解決常規(guī)儀器只能中心采樣不能探測到的全截面流體的問題，可以清楚地分辨出油和水。

4　現(xiàn)場應(yīng)用
        ２０１６年２月在長慶油田CP?井首次開展水平井存儲式金屬管浮子流量計井下先導(dǎo)性試驗，該井射孔９段，測試前日產(chǎn)液１６暢０７m３，含水１００％。為了驗證流量、含水測試準(zhǔn)確性，對該井射孔段１進(jìn)行雙封單卡工藝測試，同時地面單獨測量該段產(chǎn)液量并化驗含水，測試管柱見圖４。該井儀器設(shè)置采樣間隔為１０min，３５d后起出，測試結(jié)果顯示射孔段１單層流量為３暢７７m３／d，含水９８暢６％（見圖５）；同時，地面單獨測量射孔段１的日產(chǎn)液為３暢５８m３，含水１００％。測試流量和含水與實際單量和化驗結(jié)果接近，說明存儲式產(chǎn)液剖面測試儀首次在水平井井下試驗取得成功，證明了井下金屬管浮子流量計應(yīng)用于低液量水平井產(chǎn)液剖面測試可行。

5　結(jié)　論
        （１）井下存儲式金屬管浮子流量計啟動流量小于０.５m３／d，且不受井筒出砂影響，彌補(bǔ)了渦輪流量計不適應(yīng)低液量水平井的不足，提高了低液量水平井測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
        （２）室內(nèi)動態(tài)實驗表明，無論是垂直、水平及傾斜情況下，金屬管浮子流量計響應(yīng)特性均不敏感于含水率，擁有非常好的不依賴于流型的特性。
        （３）測試儀器隨油管下入目的層，無需電纜和爬行器，一趟管柱即可完成水平井產(chǎn)液剖面測試，大幅度降低了產(chǎn)液剖面測試成本。
        （４）測試結(jié)果包含流量、含水、壓力和溫度等儲層流體物性參數(shù)，可進(jìn)行各射孔段產(chǎn)能評價、判斷井筒出水位置，為低液量水平井控水穩(wěn)油措施提供依據(jù)。

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