馮志朋

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163511)

0 引 言

國(guó)內(nèi)陸上油田進(jìn)入中后期開采后，含水率逐年升高。傳統(tǒng)測(cè)量含水率的過流電容法和高頻電容法適合于中低含水測(cè)量，在高流速或油為連續(xù)相時(shí)分辨率較好，而在高含水時(shí)測(cè)試精度低[1]，測(cè)量結(jié)果受流體電導(dǎo)率影響較大[2]。阻抗式含水測(cè)量方法在集流條件下測(cè)量油水混相值，在油水分離后測(cè)量全水值，通過兩者之間的比值計(jì)算持水率，可以有效避免液體電阻率隨溫度變化給儀器測(cè)量帶來的影響[3]。阻抗法針對(duì)高含水測(cè)量效果比較明顯，并且近幾年科研人員已經(jīng)對(duì)阻抗含水傳感器進(jìn)行了一系列的優(yōu)化及相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究[4-5]，含水測(cè)量范圍和測(cè)量精度有了很大提高。近年來，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)井測(cè)試考慮到便于井口密閉和地面設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，逐漸開始采用單芯電纜完成井下儀器與地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸[6]，原來基于三芯電纜的脈沖調(diào)制信號(hào)儀器已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)井測(cè)試單芯化的需求[7-8]，為此研制了阻抗式遙傳多參數(shù)組合測(cè)井儀。該組合測(cè)井儀的研制基于大慶油田HK系列阻抗式產(chǎn)液剖面測(cè)井儀，傳感器采用新的單電極形式，以減少沾污；電路大量使用貼片器件替代原分立電路，應(yīng)用單片機(jī)和遙傳技術(shù)，上傳信號(hào)采用曼徹斯特碼；在儀器結(jié)構(gòu)上增加了快速連接，以解決儀器拆卸和維修的困難。該組合儀一次下井可以同時(shí)錄取溫度、壓力、磁性定位、流量和含水五個(gè)測(cè)量參數(shù)，儀器適合含水高于50%的油井測(cè)量[9]。

1 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

組合測(cè)井儀由溫度、壓力、磁定位及遙測(cè)短接、流量含水測(cè)量短接兩個(gè)部分組成。其中井溫、壓力、磁性定位和WTC為一個(gè)測(cè)量短接，該短接負(fù)責(zé)連續(xù)測(cè)井參數(shù)的采集和下掛短接參數(shù)的接收，結(jié)構(gòu)如圖1所示。流量和含水參數(shù)為一個(gè)測(cè)量短接，主要包括測(cè)量電路、快速連接、渦輪傳感器、阻抗含水傳感器和集流傘，針對(duì)部分高流量測(cè)量對(duì)象，可以在集流傘上方開孔分流降低通過流量[10]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。遙測(cè)短接與流量含水測(cè)量短接之間的電氣通訊采用軸向六芯插件。

圖1 溫度、壓力、磁定位及遙測(cè)短接結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 流量、含水測(cè)量短接結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 快速連接

遙測(cè)多參數(shù)組合測(cè)井儀流量含水測(cè)量短接除電路和含水傳感器外還有渦輪、集流傘、電機(jī)等可動(dòng)部件，儀器尺寸較大，由于產(chǎn)出剖面測(cè)井儀每次下井后均需要拆卸清洗和更換集流傘，為了方便儀器的操作和專業(yè)化維修，在儀器電路和阻抗傳感器之間設(shè)計(jì)了快速連接，如圖3所示?？焖龠B接采用軸向六芯接插件，插件公頭安裝在電路板架一端，與電路腔體直接相連；母頭安裝在傳感器短接一端，通過密封塞和膠尾與阻抗傳感器、渦輪和電機(jī)供電線連接。

圖3 電路短接快速連接

2 單電極阻抗傳感器設(shè)計(jì)

該儀器含水率測(cè)量采用阻抗式測(cè)量方法。由于測(cè)井儀流道內(nèi)存在渦輪傳感器、阻抗含水傳感器和集流傘供電引線，流道空間被大量占用，特別是傳統(tǒng)的三電極阻抗傳感器，內(nèi)置的信號(hào)引線和焊點(diǎn)容易附著油泡和雜質(zhì)，含水測(cè)量過程中對(duì)油水分離影響較大。為了減少傳感器沾污，設(shè)立了單電極阻抗含水傳感器，由外殼、測(cè)量電極、絕緣內(nèi)壁和信號(hào)引線組成，如圖4所示。傳感器外殼為輕質(zhì)合金，絕緣內(nèi)壁采用聚四氟乙烯，測(cè)量電極鑲嵌在絕緣內(nèi)壁上，信號(hào)引線從夾層內(nèi)引出。阻抗激勵(lì)信號(hào)從測(cè)量電極向上下兩個(gè)方向發(fā)射一定頻率的交變恒定電流，傳感器外殼作為信號(hào)的接地端，當(dāng)流體從傳感器內(nèi)流過時(shí)，由于測(cè)量電極兩端阻抗的存在，電極與外殼之間產(chǎn)生等效電壓。根據(jù)電學(xué)原理，當(dāng)油水介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，電壓與流過傳感器流體的電導(dǎo)率成反比，不同的電壓對(duì)應(yīng)不同油水混合時(shí)的流體阻抗特性，根據(jù)介質(zhì)阻抗特性計(jì)算含水率。

圖4 單電極阻抗傳感器

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 電路原理

儀器采用單芯電纜，儀器供電和信號(hào)傳輸和集流傘控制在同一根纜芯上完成。電路由溫度壓力磁性定位遙測(cè)部分及流量含水測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分組成[11]。如圖5所示。

溫度、壓力、磁性定位及遙測(cè)電路利用單片機(jī)直接采集溫度、壓力和磁性定位信號(hào)和纜頭電壓，信號(hào)經(jīng)過內(nèi)置芯片的相關(guān)運(yùn)算和處理后與流量和含水信號(hào)通過單片機(jī)程序控制進(jìn)行編碼，然后通過電路合成變成不歸零曼碼，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與電纜耦合上傳地面。流量含水測(cè)量電路中，施加在阻抗傳感器上的恒流源由單片機(jī)產(chǎn)生，含水信號(hào)的采集、AD轉(zhuǎn)換均由單片機(jī)程序完成。渦輪輸出的電平信號(hào)通過比較器和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后進(jìn)入單片機(jī)，比較器閾值的設(shè)置也由單片機(jī)來完成。流量含水測(cè)量電路通過串行通信與井溫壓力遙測(cè)三參數(shù)電路相連。

圖5 阻抗式遙測(cè)多參數(shù)組合測(cè)井儀器電路工作原理

3.2 WTC工作原理

儀器供電端采用單芯的傳輸方式[12]，WTC遙傳部分由3片單片機(jī)和周邊器件組成，在程序控制下，單片機(jī)接收經(jīng)過處理的各參數(shù)信號(hào)，并且向下發(fā)送命令，數(shù)據(jù)編碼形成兩路歸零曼徹斯特碼。

電路工作如圖6所示，單片機(jī)Ⅲ接收經(jīng)過處理的流量和含水參數(shù)信號(hào)，存于緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)接收到前級(jí)單片機(jī)Ⅱ向其發(fā)出的參數(shù)地址時(shí)，將對(duì)應(yīng)的流量和含水參數(shù)以串行數(shù)據(jù)發(fā)送。同樣單片機(jī)Ⅰ接收纜頭電壓和磁性定位信號(hào)，單片機(jī)Ⅱ接收溫度和壓力信號(hào)，并且單片機(jī)Ⅱ一邊接收處理過的儀器參數(shù)，一邊向下發(fā)送參數(shù)地址，并將收到的數(shù)據(jù)向上一級(jí)單片機(jī)Ⅰ傳送。單片機(jī)Ⅰ每隔4 ms接收一個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，在程序的控制下將其形成兩路歸零曼碼(40 ms一幀)，然后通過電路合成變成不歸零曼碼，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與電纜耦合。

圖6 WTC工作原理

4 技術(shù)特點(diǎn)和指標(biāo)

4.1 儀器特點(diǎn)

1)連續(xù)測(cè)量參數(shù)和WTC集成在一個(gè)功能短接上，儀器組合后長(zhǎng)度明顯縮短，便于產(chǎn)出剖面儀器的測(cè)井施工和使用維修；

2)快速連接采用軸向接插件作為電氣接口，信號(hào)傳輸可靠，連接過程中不需要綁扎信號(hào)線，該結(jié)構(gòu)有利于流量含水測(cè)量短接的拆卸和維修；

3)含水率傳感器采用單電極結(jié)構(gòu)，內(nèi)外表面光滑，阻流減少，可降低油水對(duì)測(cè)量電極的沾污；

4)采用單片機(jī)采集前端參數(shù)信號(hào)和處理數(shù)據(jù)通訊，簡(jiǎn)化了電路，降低了器件功耗，提高了儀器的耐溫耐壓指標(biāo)。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

外徑：28 mm

耐溫：125 ℃

耐壓：40 MPa

流量測(cè)量范圍：3～80 m3/d ±3%F.S

含水測(cè)量范圍：50%～100% ±5%

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

L25-22是大慶油田一口生產(chǎn)井，該井化驗(yàn)含水85%，日產(chǎn)量為9.1 m3/d，產(chǎn)油1.15 m3/d，共9個(gè)生產(chǎn)層位。為了解各產(chǎn)層的真實(shí)產(chǎn)液量和含水情況，利用阻抗式遙測(cè)多參數(shù)組合測(cè)井儀對(duì)該井進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量結(jié)果顯示，該井SⅡ1-2層位為合層點(diǎn)，測(cè)得產(chǎn)液量為8.8 m3/d，混相值為3 974 Hz，全水值為3 517 Hz。根據(jù)全水值和混相值計(jì)算含水指數(shù)為0.885，通過查圖版解釋合層含水為85.5%，圖7為混相值測(cè)量曲線，圖8為全水值測(cè)量曲線。

圖7 混相測(cè)量曲線

圖8 全水測(cè)量曲線

該井其他各層位測(cè)量結(jié)果見表1。9個(gè)產(chǎn)層中，SⅡ3、SⅡ12、PⅠ2.2層不產(chǎn)液，PⅠ1.2、PⅠ2.1層為主要產(chǎn)液層，SⅡ11層含水低于80%。測(cè)井過程中，該阻抗式遙測(cè)多參數(shù)組測(cè)井儀供電和信號(hào)輸出穩(wěn)定，儀器井下動(dòng)作可靠，儀器能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)各個(gè)層位的產(chǎn)液和含水狀況，特別是對(duì)中高含水測(cè)量有較好的分辨率。

表1 L25-22井產(chǎn)液剖面測(cè)井成果表

6 結(jié) 論

1)通過對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、單電極阻抗傳感器和遙測(cè)電路的單芯化連接和傳輸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了儀器功能短接之間的快速連接，減少了油泡和附著物對(duì)含水電極的干擾，解決了單芯供電多路信號(hào)同步傳輸?shù)膯栴}。

2)通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明組合測(cè)井儀結(jié)構(gòu)緊湊，快速連接便于儀器的拆卸和維修，單電極含水傳感器減少了含水測(cè)量的沾污，兩個(gè)參數(shù)短接之間信號(hào)通訊可靠，儀器能夠滿足國(guó)內(nèi)主要油田產(chǎn)出剖面高含水測(cè)量的需要。