電磁流量計與井徑一體化儀表的設計
我國油田大都採用分層注水方式保持油層壓力，在開發過程中,需要及時瞭(le)解掌握注水井各層的動态注入量,注入剖面測試技術即動态監測技術。随著(zhe)生産上的要求 ,在注水井注入剖面測試中新的監測技術不斷應用。
電磁流量測(cè)試技術以其測(cè)量精度高\無污染,已在國内多個油田注入剖面測(cè)試中應用,在籠統注入井注入剖面測(cè)試中可取代傳統的同位素測(cè)試,取得瞭(le)較好的應用效果。
電磁流量計的基本測量原理是電磁感應原理,當導電的注入流體流經測量探頭時,切割儀器産生的電磁場 ,在流體中就會産生一個感應電動勢,通過測量這個由流體切割磁力線的快慢(即流體流動速度)産生的變(biàn)化電壓信号,來測量流體流速的大小,進而根據标定數據確(què)定出流量。
從測量原理來看,影響注入流體流速的因素将對測量結果産生較大影響,而當全井注入量一定時,影響注入流體流速的因素主要是測其通道過流面積的變(biàn)化。油田注入剖面測試中使用的電磁流量計,在室内标定中使用的是标準的套管尺寸或油管尺寸,而實際測量時由於(yú)長期注水和井下原因引起套管變(biàn)形、結垢、腐蝕等情況 ,使實際的測量通道與标定環境有一定差異,因此引起測量結果誤差。
1、井徑對(duì)測(cè)量結果的影響分析
設實際流量爲 O ,測(cè)量流量爲 O1,标定時測(cè)量通道直徑爲D,截面積爲 S ,實際測(cè)量通道直徑爲 D1,截面積爲 S1 ,流速爲 "。當流量計測(cè)出流量頻率值後,根據标定圖版可換算爲流量,此時計算採(cǎi)用的是标準過流通道内徑,瞬時測(cè)量流量應爲:
當(dāng)過流通道變(biàn)化時,此時流速爲:
可見 ,測量流量與實際流量有一個系數差,這個系數與測量通道管徑變化的平方成正比,是一個指數關系,當D 與D1 相差不大時, Q1 與 Q 相比誤差不大,而當D1與D相差較大時, Q1就超出瞭允許的誤差範圍,由上式可見,當實際管道直徑變化量達 5% 時 ,流量就有超出 10% 的誤差。而在實際的電磁流量計測量和解釋時均未考慮到管徑尺寸差異引起的計量誤差。這在内流式和外流式電磁流量測量方式上均有影響。爲瞭提高測試精度 ,消除此項誤差,就必須對管徑變化的影響進行校正。
2、電(diàn)磁流量計(jì)與井徑一體化儀
在工程測井技術中, 井徑儀用來測量井下套管的變形情況,確定套管内徑,其工作原理就是把套管直徑方向的尺寸變化轉化爲電阻阻值的變化,其轉化過程是通過一套機械傳動結構來實現的。因此,可将和井徑儀引入電磁流量計章面測試中,與電磁流量計組合，利用測得的井徑數據修正測量與标定通道差異引起的解釋誤差。然而,一般井徑儀由於(yú)測量原理的限制外徑較大,不能通過油管測量。爲此,設計瞭(le)一種小型井徑儀,同時可作電磁流量計的一個扶正器使用。
2.1 井徑儀的選擇
並(bìng)徑儀選擇基於(yú)以下假設:影響電磁流量測量誤差的套管或油管的變形是連續的,因此,其變形形狀可用橢圓模拟。這樣,在井徑測量上採用 4 臂井徑即可。
實際上,隻要知道測(cè)量時通道的面積,不必知道通道的詳細形狀就能得到較好的校正效果,因此,4 臂井徑足夠(gòu)使用。
爲瞭(le)實現過油管測(cè)量,縮短儀器長度,在設計上可将電磁流量計的一個扶正器設計爲井徑測(cè)量儀,其 4條扶正片作爲4個測(cè)量臂。
2.2 並徑儀原理
4個(gè)測(cè)量臂分爲2組,每組測(cè)量一個(gè)方向,基本結構如圖1所示。
其中上、下接頭與儀器外殼相連,上、下滑套可分别在上下接頭上滑動,測量臂的兩端就分别裝在滑套和接頭上,使之受壓變形後隻有一端能動。與滑套相連的是上,下測量杆,二者通過上、下銷村定在一起。當井徑變化引起測量臂壓縮時, 相應的上或下滑套随之動作,帶動其上的測量杆作軸向運動 ,井徑的變化就轉化爲測量杆的位移。由檢測電路檢測這位移 ,就可得到井徑的變化。
2.3 井徑探頭測量原理
其測(cè)量原理是電容法,即将井徑的變(biàn)化轉變(biàn)爲電容的變(biàn)化,其中上、`下測(cè)量杆與儀器外殼聯通作爲一個電極,黃銅作的探頭外數一層聚氟乙烯絕緣層後作爲另一個電極,二者組成一個容量可以變(biàn)化的電容器傳感器。
井徑測量探頭等效電路如圖 3 所示,測量探頭實際上由三部分組成,一是分布電容 Cf 二是電極絕緣層電容 Cp, 電極棒和測量杆外亮之間的電容 Cz, 稱被測電容。當傳感器幾何尺才已定,則 Cf和 Cp 爲固定值,測量探頭傳感器的容量變化決定於(yú)測量介質和兩個電極的相對位置 ,一般對於(yú)注水井來說,注入流體是一定的,因此,測量探頭傳感器的容量變化就隻決定於(yú)2個電極的相對位置變化。當測量杆随測量臂發生位移後,引起電容的容量變化,這個變化就表征瞭(le)井徑的改變。
測量電路記錄到這個電容變化後就可以換算爲井徑的大小,利用解釋軟件計算並(bìng)模拟出測量段套管或油管内徑變化,並(bìng)用橢圓面積計算公式 A=兀xaxb計算出當前面積(a、b分别爲井徑的2個測量臂測出的尺寸) ,爲流量解釋提供校正因子。爲瞭(le)能夠在正常注水情況下測試,井徑儀外徑設計爲 Φ38 mm, 可以通過油管下入 ,測量範圍覆蓋油管和套管内徑。
2.4 相關計算
電容中心電極半徑爲r,内電極絕緣層(céng)厚度爲 ∂，絕緣材料介電常數爲 ep,傳感器外電極内表面半徑爲R,電極長度爲 六,se; 爲注入水介電常數,根據同軸柱狀電容器容量計算公式,可得絕緣層(céng)和被測(cè)介質的電容 Cp、Cz, 爲:
傳感器電容 Cx 爲:
設計取R=3 mm,r = 2 mm,絕緣材料選用聚四氟乙稀(Ep= 2.0)、厚度 ∂ = 0.2 mm,取水的介電常數 Ez，= 80。則測量杆每移動 1 mm 並(bìng)徑探頭産生的電容變(biàn)化約爲1.1 PF ,電路設計具有 0.1 PF 的分辯率,因此，是可以滿足使用要求的。
傳(chuán)感器電容變(biàn)化量及流量變(biàn)化量與井徑關系如圖4所示。
3、 注意事項
(1)爲瞭(le)不對現有電磁流量計改動,井徑儀設計爲過線形式,安裝於(yú)電磁流量計上方。
(2) 電(diàn)磁流量計(jì)下部接扶正器,使儀器居中。
(3)井徑測(cè)量臂應採(cǎi)用高硬度彈策鋼制成。
(4)在實際(jì)測(cè)試中起下儀器的速度應控制。
4、 結束語
電(diàn)磁流量計測(cè)量精度高,有較好的應用效果。但實際測(cè)量通道與标定環境有一定差異,引起測(cè)量結果誤差。
将井徑測量引入電磁流量計剖面測試中,可有效校正因測量通道發生變化引起的測量誤差。設計的井徑儀採(cǎi)用瞭(le)新穎的電容法測量原理,有效地減小瞭(le)尺寸 。
受外徑限制,井徑儀設計爲四臂獨立 ,測量臂採用扶正片形式,由連杆帶動測量臂移動,由測量探頭電容的大小變化得出測量臂的位移大小,進而確(què)定該扶正片對應套管尺寸的變化。井徑與電磁流量計的一體化設計,使井徑儀即可測量通道井徑的變化,又能作爲電磁流量計的一個扶正器使用,在基本保持儀器長度的前提下爲流量解釋多提供瞭(le)一個測量參數。