劉建成,陳強(qiáng),戴卓勛,屈凡,王嘉婧,張繼斌

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心,陜西西安710077)

0 引 言

在石油測(cè)井領(lǐng)域,注入產(chǎn)出剖面的流量大小關(guān)系到油井產(chǎn)出開(kāi)采方式及注水井調(diào)剖工藝,與油田穩(wěn)產(chǎn)密切相關(guān),流量精確檢測(cè)具有重要意義。長(zhǎng)慶油田是中國(guó)典型的低滲透油田,根據(jù)2019年中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心對(duì)油井產(chǎn)液量與含水率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知,在產(chǎn)油井中,產(chǎn)液量小于58 mL/s的井占95%以上,產(chǎn)液量小于23 mL/s的井占47%,含水率大于60%的井占61%,含水率大于90%的井占在產(chǎn)油井總數(shù)的35%。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的流量測(cè)井儀主要有渦輪流量測(cè)井儀(環(huán)空集流式渦輪流量測(cè)井儀、全井眼渦輪流量測(cè)井儀、在線流量計(jì))、氧活化測(cè)井儀、電磁流量測(cè)井儀與超聲流量測(cè)井儀。根據(jù)中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知,渦輪流量啟動(dòng)排量大于58 mL/s,渦輪受油污及雜質(zhì)顆粒影響較大,易卡死。電磁流量計(jì)在長(zhǎng)慶區(qū)塊的應(yīng)用表明,啟動(dòng)排量大于11.5 mL/s,但是流量為11.5～34.5 mL/s時(shí),測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,不具備有效的分辨率。氧活化測(cè)井儀啟動(dòng)排量大于116 mL/s,并且儀器尺寸較大,不便于施工。因此,傳統(tǒng)流量測(cè)井儀不能完全滿足低滲透油田注產(chǎn)剖面檢測(cè)需求[1-2]。

本文利用流體動(dòng)態(tài)熱擴(kuò)散原理,制作了溫差流量傳感器,設(shè)計(jì)基于多通道24 bit高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片的對(duì)稱式微信號(hào)檢測(cè)電路,克服了傳統(tǒng)流量測(cè)井儀在低流量井無(wú)法啟動(dòng)的缺陷,在低滲透油田注產(chǎn)剖面流體流量檢測(cè)領(lǐng)域具有較好的推廣應(yīng)用前景。

1 檢測(cè)原理

根據(jù)流體熱擴(kuò)散原理,環(huán)境平均換熱系數(shù)努塞爾數(shù)Nu可表示為

Nu=hd/Kf

(1)

式中,h為傳熱系數(shù);d為探測(cè)器直徑,m;Kf為被測(cè)量流體導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)Kramers提出的熱交換公式[3],努塞爾數(shù)Nu可表示為

Nu=0.42Pr0.2+0.57Pr0.33Re0.5

(2)

式中,Pr為普朗特常數(shù);Re為雷諾常數(shù)。結(jié)合井下管道環(huán)境,為減小儀器下井過(guò)程剮蹭磨損程度,控制遇阻風(fēng)險(xiǎn),使流體更好地與探測(cè)器接觸,降低對(duì)流體流形的影響,本文探測(cè)器采用圓柱形結(jié)構(gòu),傅里葉傳熱方程可表示為

Q=πLKf(0.42Pr0.2+0.57Pr0.33Re0.5)ΔT

(4)

式中,L為圓柱形傳感器的長(zhǎng)度,m;ΔT為探測(cè)器與流體之間的溫度差。由熱傳學(xué)研究可知[4]

Pr=CpU/Kf

(5)

Re=ρvd/η

(6)

式中,Cp為流體比熱容,J/(kg·K);U為流體動(dòng)力黏度,Pa·s;ρ為流體密度,kg/m3;v為流體移動(dòng)速度,m/s;η為黏性系數(shù),被測(cè)流體為水時(shí),η=1。當(dāng)探測(cè)器結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)、尺寸確定,被測(cè)量流體物理特性一定時(shí),Kf、U、Cp為常數(shù)。

ΔT=Q/(X1+X2v1/2)

(7)

本文所述的對(duì)稱式溫差流量檢測(cè)方案基于恒定功率發(fā)熱傳感器,因此,Q為常數(shù),由式(7)可知,流速(與井下吸水剖面流量成正比)v與溫度差ΔT之間存在單調(diào)關(guān)系。隨著流體速度的增大,探測(cè)器熱量散失速度增大,溫差不斷減小。令X1=X2=1,Q=6.67 W,L=0.05 m,得到流速與溫差的關(guān)系圖(見(jiàn)圖1)。由圖1可知,流速越小,溫差曲線靈敏度及分辨率越高。因此,這種檢測(cè)原理能夠滿足低滲透油田注產(chǎn)剖面流體流量的測(cè)量要求,說(shuō)明該方案具有可行性。

圖1 流體流速與溫差響應(yīng)關(guān)系

2 探測(cè)器設(shè)計(jì)

以探測(cè)器可實(shí)施性與流量感知性能為基礎(chǔ),減小在測(cè)井過(guò)程中對(duì)油水混合流體形態(tài)的影響,借助fluent軟件進(jìn)行仿真,設(shè)計(jì)了圓柱型探測(cè)器,探測(cè)器外觀形狀見(jiàn)圖2。為了減小探頭的流形擾動(dòng),探頭頂部設(shè)計(jì)為錐體結(jié)構(gòu)[5-6]。探頭包括承壓外殼、2個(gè)溫度傳感器、溫度傳感器支架、電熱絲線圈、隔熱體、填充導(dǎo)熱粉等。圖2中黑色部分為隔熱體,隔熱體的作用是減小儀器對(duì)熱量的擴(kuò)散,使探頭內(nèi)部電熱絲產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散僅與流體有關(guān)[7]。隔熱體可以采用系數(shù)小的材料,本文采用純度較高的PEEK材料作為隔熱體。

圖2 探測(cè)器外觀圖

不同合金材料的溫度漂移系數(shù)見(jiàn)表1,為了減小溫度漂移引入的誤差,探測(cè)器電熱絲采用0Cr21A16合金電熱絲。由表1可知,在200 ℃以內(nèi),0Cr21A16電熱絲溫度漂移系數(shù)為2‰,電熱絲阻值為60 Ω,加熱電源為20 V,額定功率為6.67 W,

在175 ℃的油 表1 合金溫度漂移系數(shù)

井中,阻值漂移為0.12 Ω。因此,由溫度漂移引入的誤差為(v2R1-v2R2)/(v2R1)=2‰。

3 電路實(shí)現(xiàn)

3.1 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)溫差流量的檢測(cè)原理,設(shè)計(jì)了對(duì)稱式溫差流量計(jì)檢測(cè)電路,總體框圖見(jiàn)圖3。傳感器將流量轉(zhuǎn)換成2個(gè)電壓信號(hào),通過(guò)信號(hào)采集電路將2個(gè)電壓信號(hào)數(shù)字化,主控電路按照設(shè)計(jì)好的周期讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)運(yùn)算編碼后由儀器總線TBS發(fā)送給井下上位機(jī),井下上位機(jī)就是遙測(cè)短節(jié)。

圖3 電路總體框圖

3.2 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路主要由24 bit的Σ-ΔADC芯片完成,具有6通道、低噪聲、低功耗的優(yōu)點(diǎn),能夠提供2路獨(dú)立的可編程恒流源,內(nèi)置片內(nèi)儀表放大器和基準(zhǔn)電壓源,可以直接輸入小信號(hào)到ADC[7]。采集電路見(jiàn)圖4,圖4中CS、SCLK、DIN及DOUT為芯片配置與數(shù)據(jù)讀取的SPI總線接口;IOUT1與IOUT2為恒流源輸出端,本文利用編程實(shí)現(xiàn)1 mA輸出;參考電壓VREF為2.04 V;R1與R2對(duì)稱設(shè)計(jì),具有良好的噪聲抑制功能,R1與R2代表傳感器內(nèi)溫度傳感器204 A和204 B。傳感器內(nèi)部加熱絲以6.67 W恒定加熱到平衡狀態(tài)時(shí),R1的阻值升高到某一固定值R1x,隨著液體流動(dòng),R1的阻值會(huì)降低到R1y,在這個(gè)過(guò)程中,R2的阻值為環(huán)境溫度值R2e保持不變,那么由流量引起的阻值變化為R1y～R2e,已知IOUT1與IOUT2輸出1 mA電流,那么流量變化值與AIN4通道差分量呈對(duì)應(yīng)關(guān)系,采集的數(shù)值通過(guò)標(biāo)定圖版查找,可以確定流量值。

圖4 采集電路示意圖

3.3 數(shù)據(jù)傳輸格式

圖5 總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖

主控電路由TMS320F2808及外部輔助電路構(gòu)成[8],主控接收到遙傳命令后,配置并讀取模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片采集的流量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理后,按照協(xié)議格式進(jìn)行編碼,通過(guò)SE_TBS端口將數(shù)據(jù)傳給調(diào)制電路,命令與上傳數(shù)據(jù)間隔320 μs。儀器總線為單芯TBS總線,該單芯總線同時(shí)承擔(dān)直流供電與數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù),為了減小信號(hào)對(duì)儀器總線直流電壓下拉帶來(lái)的影響,需要將下拉電平時(shí)間壓縮。因此,儀器總線通訊采用DDL3模式,波特率為11 458,時(shí)序見(jiàn)圖5。圖5中時(shí)序1讀數(shù)為00101010,有效位101010;時(shí)序2讀數(shù)為00101011,有效位101011。為了將數(shù)據(jù)與命令區(qū)分開(kāi)來(lái),下發(fā)命令格式為1000xxxx,數(shù)據(jù)格式為00xxxxxx,溫差流量數(shù)據(jù)為24 bit數(shù)據(jù),所以數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)換成4 B上傳。

3.4 數(shù)據(jù)調(diào)制電路

調(diào)制電路由CD40106、IRF430與2N4351構(gòu)成(見(jiàn)圖6),其中,CD40106是由6個(gè)施密特觸發(fā)器電路組成。每個(gè)電路均為在2個(gè)輸入端具有施密特觸發(fā)器功能的反相器。2N4351具有緩存保護(hù)作用。IRF430為耐高溫高壓MOS管,遙傳通過(guò)TBS總線下發(fā)的命令,經(jīng)過(guò)C70后,濾掉直流電源,信號(hào)經(jīng)過(guò)上拉與整形后,由N1將5 V電平轉(zhuǎn)換為3.3 V,觸發(fā)主控外部中斷,完成命令接收。由主控發(fā)出的數(shù)據(jù),通過(guò)N2后上拉為5 V,再經(jīng)過(guò)CD40106與電容去毛刺整形,數(shù)據(jù)通過(guò)N3的G級(jí),在總線TBS上產(chǎn)生下拉負(fù)電平,完成數(shù)據(jù)調(diào)制。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在配套機(jī)械完成加工后,進(jìn)行了樣機(jī)組裝調(diào)試,為驗(yàn)證基于溫差的流量測(cè)井儀的性能,進(jìn)行樣本試驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)利用小型兩相流測(cè)試裝置STI-001A完成,實(shí)驗(yàn)過(guò)程保持50 ℃恒溫,為了減小誤差,每次調(diào)節(jié)完流量值后,大概需要等待5 min(實(shí)驗(yàn)室溫度為25 ℃)。實(shí)驗(yàn)裝置流量達(dá)到穩(wěn)定且傳感器熱交換平衡后,采集記錄數(shù)據(jù),流量從0逐漸增大到575 mL/s,再由575 mL/s減小到0,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖7。

圖7 溫差與流速的響應(yīng)關(guān)系圖

試驗(yàn)約持續(xù)5 h,在這個(gè)持續(xù)工作的過(guò)程中溫差流量測(cè)井儀工作穩(wěn)定。由流量遞增與遞減采集的數(shù)據(jù)可知,最大誤差出現(xiàn)在15.2 mL/s時(shí),誤差值為375 Hz,誤差小于1%。由圖7可知,儀器具有較好的重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)中,流量為115～230 mL/s時(shí),以23 mL/s為間隔,相鄰兩點(diǎn)之間計(jì)數(shù)率最小差值為322 Hz;流量為57.5～103.5 mL/s時(shí),以11.5 mL/s為間隔,相鄰兩點(diǎn)之間計(jì)數(shù)率最小差值為427 Hz;流量為17.3 ～51.8 mL/s時(shí),以5.75 mL/s為間隔,相鄰兩點(diǎn)之間計(jì)數(shù)率最小差值為521 Hz;流量為15.2 mL/s與17.3 mL/s之間計(jì)數(shù)率差值為615 Hz;流量為0與15.2 mL/s之間計(jì)數(shù)率差值為1 018 Hz。由此可見(jiàn),本文設(shè)計(jì)的恒功率溫差法流量測(cè)井儀在低流量環(huán)境中具有較高的分辨率,適用于低滲透油田流量檢測(cè)。

5 結(jié) 論

(1)提出了將熱擴(kuò)散原理運(yùn)用于低滲透產(chǎn)液剖面流量檢測(cè)方法,證明了利用溫差原理檢測(cè)流量的可行性。

(2)設(shè)計(jì)了探測(cè)器、對(duì)稱式檢測(cè)電路與調(diào)制電路,完成了樣機(jī)的組裝調(diào)試,借助于流量試驗(yàn)裝置開(kāi)展儀器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于溫差的流量檢測(cè)方法在低流量時(shí)具有高精度、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn),不受啟動(dòng)排量的限制,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)流量測(cè)井儀具有高啟動(dòng)排量的不足,為基于管柱的分層管測(cè)控與水平井產(chǎn)液剖面成像測(cè)井奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。