皮球集流式阻抗找水仪的改进

姜海岩

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163712)

0 引 言

过环空找水测试自推广以来，为抽油机井管理、检泵及对注采井网调整，对窜槽及高含水层封堵和低渗透层压裂改造，都提供了可靠的依据。同时对目前研究表外储层产能和含水情况，以及油层动态情况都是不可缺少的资料。随着地质开发地不断深入、精细，对产液剖面测试有了新的更高的要求。目前，环空产出剖面测井仪主要是阻抗式找水仪，阻抗式找水仪有伞集流和皮球集流两种方式。采用伞集流式阻抗式找水仪进行流量和含水率的测量时，测量过程中存在液体漏失现象，对低产液井测量误差偏大，在低流量下无法准确测量流量和含水值，导致测井资料的解释精度不高[1]。皮球集流式阻抗式找水仪在实际测试中，表现为低流量测试灵敏度高、测量准确，在低产液井中具有伞集流式阻抗式找水仪无法比拟的优势。

皮球集流式阻抗找水仪下井过程中皮球是直接与油管外壁、套管内壁接触，粗糙的井壁和井下接箍、工具等容易把皮球磨破或是磨薄，在皮球集流过程中也会因为皮球变薄或集流时间过长导致皮球被打爆。仪器下到井下时由于一些井出沙严重涡轮转动困难造成沙卡，导致测井成功率低。为此，对皮球集流式阻抗找水仪进行了改进，解决了实际问题，提高测井成功率和测试精度。

1 皮球集流式阻抗找水仪的组成及原理

皮球集流式阻抗找水仪主要由电磁泵、泄压阀、皮球、阻抗探头、线路筒、涡轮总成等几部分组成。

仪器结构示意图如图1所示。

图1 仪器结构示意图

电磁泵，由圆柱形电磁铁和活塞泵构成，当供半波整流50Hz电流时，电磁铁大幅度振动并带动活塞泵往返工作。测井时电磁振动泵将井内的流体注到皮球集流器内，使皮球胀起并集流，膨胀的皮球能与套管很好地密封，使井内流体全部通过找水仪的中心管道，流体流经涡轮时，涡轮带动磁钢转动，流过涡轮的流量大小与涡轮转速成线性关系。传感器检测出涡轮的转速，经整形电路整形放大后形成与涡轮转速相对应的脉冲信号，经电缆输送到地面，可通过脉冲信号的频率求得流体的体积流量[2]。当流体从传感器内流过时，给传感器的发射电极供电，通过测量电极检测到与混相时含水率对应的电压信号，电路将此电压信号变为对应的脉冲信号，输出到地面并与取样时测量的全水值相对比求出井液的含水率[3]。资料录取完成后经泄压阀泄压后，皮球收拢时缩到仪器的外径大小，保证井下仪器顺利起下。

2 皮球集流式阻抗找水仪的改进

2.1 改进设想

在皮球材质的选择上选用高弹性硫化橡胶添加抗老化剂、耐磨剂、耐油成分等加工而成的皮球。修改宝石座，降低涡轮质量，相当于减小了摩擦阻力。改变涡轮的尺寸，使涡轮与涡轮架空隙变小，解决涡轮容易沙卡的问题。减小含水传感器电极筒内径，增加低流量在电极筒内的流速，使启动排量降低，以提高皮球集流式阻抗找水仪测试的精度。

2.2 含水传感器改进

传感器壁上按一定距离排列3个圆环不锈钢电极，3个电极环同轴纵向排列，最上面的电极环作为激励电极，下面一对电极环作为测量电极。

传感器的改进：

1)电极筒内径由原来的Φ19改为Φ14，增加了低流量时流体在电极筒内的流速，使涡轮总成启动排量从原来的2 m3/d降到了0.5 m3/d左右。提高含水测试精度。

2)电极环由原来的圆圈型改为圆圈加十字网，由于圆圈型电极环紧贴电极筒壁，此处流量几乎为零，而油水混合液体的流速在电极筒的中心位置最高，并且中心位置混合的最好，因此加有十字网的电极环测试效果会好于圆圈型电极环。

改造前后含水标定曲线如图2、图3所示。

图2 改造前含水标定曲线

图3 改造后的含水标定曲线

从图1和图2含水标定曲线可以看出，电极筒及电极环的改变，带来了含水标定曲线的巨大变化。改造前低流量时含水测试结果偏高，低含水测试数据波动大，高低含水曲线形态不一致，50%和60%含水曲线基本重合。改造后低流量时含水测试结果偏低，各含水曲线形态基本一致，2 m3/d含水曲线标定很顺利，各含水曲线波动不大，非常平稳，并且各含水曲线没有交叉现象。

2.2 皮球材质改进

由于需要在油井中施工，皮球材质必须耐油、弹性好、耐摩擦、抗老化。对聚氨酯橡胶皮球、异戊橡胶皮球、氯丁橡胶皮球、硫化橡胶皮球等加工而成的皮球，在室内对其进行耐磨、弹性、耐热性、拉伸性等方面进行试验，硫化橡胶具有不变黏，不易折断等特质，具有较高的弹性、耐热性、拉伸强度和在有机溶剂中的不溶解性等特点。所以皮球材质最终定型为由高弹性硫化橡胶添加抗老化剂、耐磨剂、耐油成分等加工而成，皮球的壁厚由过去的2.0 mm增加到3.0 mm，与以前的皮球相比弹性、韧性、抗裂性都有很大的提高。

皮球的外胎加设了涂乳胶的尼龙丝织品，防止皮球在下井过程中被磨破，并起到耐压保护皮球的作用。改进后的皮球解决了下井过程中与井壁摩擦和集流过程中打爆的问题。

新旧皮球壁厚和弹性系数对比见表1。

表1 皮球壁厚和弹性系数对比表

2.3 涡轮改进

皮球集流式阻抗找水仪流量测量采用涡轮流量计(霍尔元件)检测方式。运动流体流经涡轮时，涡轮带动磁钢转动，由于流过涡轮的流量大小与涡轮转速成线性关系，霍尔元件构成的传感器检测出涡轮的转速，经整形电路整形放大之后形成与涡轮转速相对应的脉冲信号，经电缆输送到地面，可通过脉冲信号的频率求出流体的体积流量。

涡轮受到的外力矩由两部分组成，一部分是流体作用于涡轮的力矩，另一部分是阻力矩。阻力矩是由流体的粘性摩擦力矩、宝石轴承的摩擦力矩及电磁阻力之和，阻力力矩和流体作用于涡轮的伤的力矩是相反的，当后者大于前者时，涡轮开始旋转[3]。想要降低涡轮启动排量就要想办法减小阻力距，由于流体的粘性摩擦力无法改变，所以通过修改宝石座降低了涡轮质量，相当于减小摩擦阻力；修改涡轮架内径、涡轮叶片外径，使涡轮与涡轮架之间的空隙由原来的1 mm降低到0.6 mm，使涡轮沙卡的概率大大降低。

另外在泵的进液孔和流量测试进液孔都安装了筛网，可大大减少井内出砂和杂质对测试的影响。

改造前后涡轮内外径和宝石支架的对比见表2。

表2 改造前后涡轮内外径和宝石支架对比

改进前后流量标定对比曲线如图4所示。

图4中蓝色和粉色曲线分别为原皮球集流式阻抗找水仪的流量标定曲线和改后的皮球集流式阻抗找水仪流量标定曲线。

图4 改进前后流量标定曲线对比

根据标定曲线可以得出它们的线性关系式：Q=K×F+B,Q为流量，K为斜率，F为频率，B为截距。测量出的频率数值可以根据公式计算出流量数值。

改后的皮球集流式阻抗找水仪，由于涡轮的质量和电极筒内径的改变，流量达到0.5 m3/d时涡轮就开始转动。而改进前的皮球集流式阻抗找水仪的涡轮在流量达到2 m3/d后才开始转动。可以看出改后的皮球集流式阻抗找水仪在低产液井中测试的精度要高于改进前的皮球集流式阻抗找水仪。

3 改进前后皮球集流式阻抗找水仪对比试验

将改进前与改进后的皮球集流式阻抗找水仪，放入柴油桶内，进行集流实验，如图5所示。

图5 皮球集流对比实验

实验结果：原皮球集流器集流直径达125 mm时，用时2 min 45 s。 改后的皮球集流式阻抗找水仪，防雨绸布外胎的直径有效限制了皮球的膨胀，起到了防爆作用，实现了全集流，其良好的弹性和伸缩性，缩短了皮球集流时间，皮球集流直径达125 mm时，用时1 min 43 s，集流速度提高了38.2%。

4 结束语

1)改制后的皮球增强了弹性、伸缩性，保证了集流速度，防雨绸布的外胎起到了防止皮球打爆的效果，且具有更强的耐磨性、抗拉性。

2)通过对影响流量下限因素的分析，电极筒内径由原来的Φ19改为Φ14，增加了低流量在电极筒内的流速，流量下限降至0.5 m3/d，保证了低产液井的测量精度。

3)通过修改涡轮架内径、涡轮叶片外径，使涡轮与涡轮架之间的空隙降到0.6 mm，使涡轮沙卡的概率大大降低。