（测试计量技术及仪器专业论文）油井环空测试技术及仪器的研究.pdf

摘要 y 3 9 7 0 3 环空测试技术及仪器的研究一直是油田生产研究的重要课题：j 本文首先通过对井下液体流动状况的分析研究，基本弄清现有的全集流测 试仪器成功率不高的原因，建立了井下流体力学模型，然后提出了微阻尼集流 方法，并依此设计了新的井下测试仪器。最后，整个仪器在实验室进行了定标。 一一一 采用微阻尼集流方法不会产生渗漏，打滑以及损坏等情况，提高了仪器的 测试精度。对仪器采集的数据信号，通过单片机对其进行处理，将测出的流速 值以l e d 方式显示。经过实验室水流实验证明了该方案的可行性与实用性。 关键词：环空测试，流压，井下分层流量，微阻尼集流，全集流， il 匆片 a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tt ot h eo i ld o m a i nt h a tt h em e a s u r eo fo i lw e l la n dt h e i n s t r u m e n th a v eb e e n s t u d i e d i nt h i sp a p e lt h ef i r s tt h i n gi s a n a l y z i n g t h e p r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i co f f l o w i n g o i li n o i l w e l l u n d e r s t a n d i n gf u l l y t h er e a s o n t h a tt h e i n s t m m e n tw h i c hc a nb l o c ku po i l w e l li sn o t g o o d a t m e a s u r e ， e s t a b l i s h i n gh y d r o d r 。n a m i c s m o d e l t h e n p r o p o s e t h el o wd a m p g a t h e r i n g m e m o da n d d e s i g n n e wm e a s u r ei n s t r u m e n t a t l a s t ，t h en e wi n s l x u r n e n t i s t ob es c a l e d i d l a b a d o p t t h i sm e a n st oa v o i di n s t n n n e n t l e a k a g e a n d s k i d d i n g p r e c i s i o nb ee l e v a t e d w i t l lm i c r o c o n t r o l l e r , i tc a n p r o c e s st h es i g n a l t h a tc o m ef r o mt h ei n s t r u m e n ta n d d i s p l a y t h er e s u l tw i t hl e d t h e w h o l em e a s u r em e a n sa n dd e v i c e d e s i g n e da r es u c c e s s f a l a n d o p e r a t e d p r o p e r l y i n l a b k e y w o r d ：o i lm e a s u r e m e n t ，h y d r o p r e s s ，l a y e rc u r r e n ti no i l ，l o wd a m p g a t h e r i n gm e t h o d ，c o m p l e t eg a t h e r i n gm e t h o d 1 绪论 1 1课题背景概述 在石油生产过程中，如何稳定或提高每一口井的产量是非常重要的。一v 1 井的出油量是由井下几个油层共同作用的结果。如果每一油层均出油，则产量 肯定高。但在生产一段时间后，井下有的油层出油量减少，有的不出油甚至出 水，这就影响了石油产量，因此这时应对油井进行测试。环空测井的目的就是 要在不停产的前提下，将仪器从套管和采油管的环形空间下到井下各油层位置 测出井下各油层温度，压力，密度，流量，含水等参数，以便确定各油层对油 井产量的贡献。对出油多的油层可以再多射一些出油孔，而对出油量少出水量 大的油层进行套管补贴，封堵该油层。 我国不是一个产油大国，已经查明的石油储藏量不是很多，在没有找到新 的油田之前，如何稳定或提高现有的油田产量是非常重要的。这不仅具有经济 价值，也具有重要的战略价值。环空测井技术研究在稳定中产井，提高低产井 方面都有着广阔的市场。同时，环空测井研究也为地质工作者提供了井下油层 地质模型的数据，为寻找新油田提供了科学依据。 1 2 国内外环空测井的现状 环空测井是一项比较困难的技术。由于井壁空间狭小，井下环境恶劣，温 度高，压力大，使得传统的测井仪器不能满足实际需要。对此，国内外许多科 研机构都作出了各种探索。目前，国外有采用半集流伞式流量计的报道，半伞 集流仪器直径3 8 m m 。适用于环空的2 5 4 m m 的仪器是示踪流量计，它是利用 往井下注入放射性同位素的方法测量液体的流速进而计算出液体的流量和产 量。此方法精确度不高，误差较大，分层能力不好。国内目前应用的环空仪器 有两种全集流流量一含水率测井仪，一种仪器采用油布张开成伞形集流；另 一种是金属伞式全井眼集流流量一含水率测井仪，其测流量方法是电机推动 金属伞打开，阻隔井眼集流，然后测流量。 这两种仪器均是先集流，后用涡轮流量计测流量。集流后，油液进入仪器 ；兰音垒兰；三 内部，流经一管道，然后驱动涡轮流量计测流量，最后流出仪器。由于液体的 粘性作用，仪器内部管道直径小，流经仪器内部的管道有较大的局部阻力和沿 程阻力。因此当集流时，集流位以下的油层出油量大时，将使集流器上下压力 差增大，油便会从集流器与套管接触面渗漏，这使得涡轮流量计测的数据不准 确；当集流器以下的油层出油量少时，集流器以上的油层就会增大出油量，这 使涡轮流量计测不出流量。 此外大庆还有一种皮球式流量计，在仪器下到井下最底层时，皮球注入井 内液体开始膨胀开来，从而达到分层测量的目的。但此种皮球式流量计成功率 较低，原因是膨胀开的橡胶球体很容易被井下套管上的毛刺划破。 综上所述，井下环空分层测试仪器一直没有较理想的产品。油井分层参数 一直没有可靠的获取方法。 1 3 本文研究的目的及主要工作 本文是在建立井下分层流量模型的基础上，对现有的测井仪器进行改进， 运用传感器网络设计了一种薪的井下测试仪器。 现有的测井仪器都是用涡轮流量计测流量，由于液体的粘性作用，仪器内 部管道的沿程阻力及局部阻力，以及涡轮流量计本身需要一最小启动流量( 分 辩力) ，使得仪器的测试误差过大。为了能准确的测出中低产井的分层流量，就 有必要研究井下流量模型，设计新的传感器。本文提出了微阻尼集流方案，根 据油井产量的大小，选择不同尺寸的集流器，然后用传感器网络进行测量。 本文主要研究工作由以下几点组成： 1 ) 流量模型的研究与建立。 井下液体流动状况是很复杂的，由于无法直接观察到，只能通过井下仪器 进行测量。现有的井下仪器采用全集流方式，泄漏较大，测试时难以实际进行。 为了能准确的测出流量，本文先对井下液体流动状况进行分析研究，然后建立 井下有关分层流量的流体力学模型，以便提出合理的环空测井工艺方案。 2 ) 多传感器复用技术和多种信息融合在流量测量中的运用。 环空测井的目的就是要测出井下各油层对油井产量的贡献。由于各油层之 间的相距较远，各油层位的温度及对应的粘度，压力，密度，含水也各不一样， 因此流量传感器测出的数据只是被测部位的总流量，不能直接代表各油层的出 垒些坠型兰丝些二；些垄望些型型娑些垒；一三 油量。各油层的产量要综合各传感器测量的数据才能准确。所以在每个层位都 要测量多种参数。本文的流量测量采取了一个截面三点测量，对其它参数单点 测量的方法。 3 ) 井下测试仪器的研究。 根据微阻尼方案，运用等环面法测流速设计井下流量测试仪。井下仪器的 外径只有2 6l l l m ，这样可以方便仪器从偏心井口下井。仪器在井下由仪器内部的 电动机推开三根测试臂，在每一个测试臂上设计有一个流量传感器用以感应流 速。由于井下测试点距离地面有两，三千米，因此井下仪器的测试数据传输采 用脉冲信号传输。又因为地面只有一根电缆连结井下仪器，所以，仪器中各传 感器采用不同等级的电压选通工作，其测试数据也由同一电缆传到地面。 4 ) 数据采集系统的设计 在地面运用8 0 9 8 单片机系统对测量数据进行信号采集处理。由于井下与地 面距离大，环境恶劣，井下传感器数据传输到地面时容易受到干扰，因此首先 要对采集的脉冲信号进行整形，除去干扰，然后直接接至8 0 9 8 单片机的h s i 1 端口，运用定时器1 计时，定时器2 计脉冲数。数据处理软件用汇编语言。最 后结果用l e d 显示。 5 ) 实验 在仪器设计调试中，本文对每个传感器件进行定标，为地面竖井实验做前 期准备，以缩短下井实测的差距。 二兰型鳖些兰丝型垒丝坠一： 2 环空测井工艺、系统及流体力学模型 2 1 生产井的流体力学模型 环空分层测试的对象就是生产井，在建立井下流体力学模型的之前，有必 要对井下流体的性质，流动状况作一分析研究。 2 1 1 井下液体流动方式 在井下套管内液体流动的环境是很复杂的。由于液柱有2 0 0 0 - 4 0 0 0 米深， 井下的温度高，压力大，并随着深度的变化而不断改变。流动时由于井液的粘 性大，主要是层流状态，流速低。同时由于井下油层不止一个，每一油层都向 套管内进油，因此又是一个多源流动。为了分析清楚井下套管内液体的流动状 态，下面运用雷诺数来进行判断。 雷诺数是和液体的密度p ，粘度u ，管道的特征尺寸( 管径d ) 以及流体 的临界速度四个物理量有关的参数 r e 。：竺型( 2 1 ) 雷诺数作为判断管中流动型态的标准如下 r e ：堕( 2 3 2 0 v r e ：v a 2 3 2 0 y ( 2 2 ) v 一管道内的平均流速 我们知道，井下套管的直径d = 1 4 0t m = 0 1 4 m ，井下液体的温度是随深度的 增加而增加的，井口液面温度在2 0 。c 左右，井下2 0 0 0 3 0 0 0 处温度为6 0 c 左 右，查手册可得油在2 0 c 时其运动粘度为2 c m 2 s ，在6 0 。c 时其运动粘度为 、，j 流 流 层 紊 为 为 1 5c 珊z 5 ，井下套管内液体流动的平均流速的计算按下面方法计算。 油管的直径为6 0 3 舢，采油泵活塞杆上下行程为2 米，因此，采油泵活塞 杆来回一次最多可抽取油量为 o = 2 h = 0 0 0 5 7 m 3 次 井下油位在一段时间内是稳定的，因此，当采油活塞杆再次下压抽油时， 套管内的油位已经恢复到抽油前的位置。每一个采油周期时间为6 6 6 7 秒，所 以，套管内的油位应在6 6 6 7 秒内恢复到原位。套管的直径为1 4 0 姗，按每次 抽取0 0 0 5 7 m3 的油量计算，在6 6 6 7 秒内，套管内油的平均流速为 v ：堡：0 0 5 6 m s s 艘2 由式( 2 2 ) 可得： r e 一v d 3 9 2 3 2 0 ( 2 0 c ) r e 2 ：堕：5 3 2 3 2 0 ( 6 0 。c ) v 井下液体的雷诺数是介于3 9 和5 3 之间的即3 9 r e r 。时，该振荡器可以稳定地工作。 实际电路设计时，取r = i o o k ，r 2 = i m ，c i = 4 5 0 0 p f ，反相器选用c c 4 0 6 9 ，电 路如下 1 4 b 4 0 6 9 l23 4 7 懈 图4 9 振荡电路接线图 塑室堡三查兰望兰兰竺兰兰；兰垄垒耋型兰兰奎垒些兰型薹三；兰 其振荡频率为 兀= 筹础h z 输出时钟信号占空比为5 0 的方波。 4 2 4电桥电路 由传感器结构设计可知，电阻应变片感应井下液体流动产生的电阻变化量 是非常小的，因此，设计用电桥电路将其检出。由于流量的测量是对各个感应 片电桥输出的扫描测试，所以，运用模拟开关接入三运放电路放大。其中模拟 开关的通断是由节拍发生器c d 4 0 1 7 控制，而4 0 1 7 又是由上一节设计的r c 振 荡电路的输出方波控制。对于油井流量测试，其测试点只有三个，因此只要用 一片4 0 6 6 。电阻应变片的电阻值为1 2 0 d ，另两臂上的电阻值也为1 2 0 f 2 ，其 电路如下： 图4 1