刘建成,陈强,戴卓勋,屈凡,王嘉婧,张继斌

(中国石油集团测井有限公司生产测井中心,陕西西安710077)

0 引 言

在石油测井领域,注入产出剖面的流量大小关系到油井产出开采方式及注水井调剖工艺,与油田稳产密切相关,流量精确检测具有重要意义。长庆油田是中国典型的低渗透油田,根据2019年中国石油集团测井有限公司生产测井中心对油井产液量与含水率统计分析结果可知,在产油井中,产液量小于58 mL/s的井占95%以上,产液量小于23 mL/s的井占47%,含水率大于60%的井占61%,含水率大于90%的井占在产油井总数的35%。现场应用的流量测井仪主要有涡轮流量测井仪(环空集流式涡轮流量测井仪、全井眼涡轮流量测井仪、在线流量计)、氧活化测井仪、电磁流量测井仪与超声流量测井仪。根据中国石油集团测井有限公司生产测井中心现场试验可知,涡轮流量启动排量大于58 mL/s,涡轮受油污及杂质颗粒影响较大,易卡死。电磁流量计在长庆区块的应用表明,启动排量大于11.5 mL/s,但是流量为11.5～34.5 mL/s时,测量数据波动较大,不具备有效的分辨率。氧活化测井仪启动排量大于116 mL/s,并且仪器尺寸较大,不便于施工。因此,传统流量测井仪不能完全满足低渗透油田注产剖面检测需求[1-2]。

本文利用流体动态热扩散原理,制作了温差流量传感器,设计基于多通道24 bit高精度模拟数字转化芯片的对称式微信号检测电路,克服了传统流量测井仪在低流量井无法启动的缺陷,在低渗透油田注产剖面流体流量检测领域具有较好的推广应用前景。

1 检测原理

根据流体热扩散原理,环境平均换热系数努塞尔数Nu可表示为

Nu=hd/Kf

(1)

式中,h为传热系数;d为探测器直径,m;Kf为被测量流体导热系数。根据Kramers提出的热交换公式[3],努塞尔数Nu可表示为

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

(2)

式中,Pr为普朗特常数;Re为雷诺常数。结合井下管道环境,为减小仪器下井过程剐蹭磨损程度,控制遇阻风险,使流体更好地与探测器接触,降低对流体流形的影响,本文探测器采用圆柱形结构,傅里叶传热方程可表示为

Q=πLKf(0.42Pr0.2+0.57Pr0.33Re0.5)ΔT

(4)

式中,L为圆柱形传感器的长度,m;ΔT为探测器与流体之间的温度差。由热传学研究可知[4]

Pr=CpU/Kf

(5)

Re=ρvd/η

(6)

式中,Cp为流体比热容,J/(kg·K);U为流体动力黏度,Pa·s;ρ为流体密度,kg/m3;v为流体移动速度,m/s;η为黏性系数,被测流体为水时,η=1。当探测器结构完成设计、尺寸确定,被测量流体物理特性一定时,Kf、U、Cp为常数。

ΔT=Q/(X1+X2v1/2)

(7)

本文所述的对称式温差流量检测方案基于恒定功率发热传感器,因此,Q为常数,由式(7)可知,流速(与井下吸水剖面流量成正比)v与温度差ΔT之间存在单调关系。随着流体速度的增大,探测器热量散失速度增大,温差不断减小。令X1=X2=1,Q=6.67 W,L=0.05 m,得到流速与温差的关系图(见图1)。由图1可知,流速越小,温差曲线灵敏度及分辨率越高。因此,这种检测原理能够满足低渗透油田注产剖面流体流量的测量要求,说明该方案具有可行性。

图1 流体流速与温差响应关系

2 探测器设计

以探测器可实施性与流量感知性能为基础,减小在测井过程中对油水混合流体形态的影响,借助fluent软件进行仿真,设计了圆柱型探测器,探测器外观形状见图2。为了减小探头的流形扰动,探头顶部设计为锥体结构[5-6]。探头包括承压外壳、2个温度传感器、温度传感器支架、电热丝线圈、隔热体、填充导热粉等。图2中黑色部分为隔热体,隔热体的作用是减小仪器对热量的扩散,使探头内部电热丝产生的热量扩散仅与流体有关[7]。隔热体可以采用系数小的材料,本文采用纯度较高的PEEK材料作为隔热体。

图2 探测器外观图

不同合金材料的温度漂移系数见表1,为了减小温度漂移引入的误差,探测器电热丝采用0Cr21A16合金电热丝。由表1可知,在200 ℃以内,0Cr21A16电热丝温度漂移系数为2‰,电热丝阻值为60 Ω,加热电源为20 V,额定功率为6.67 W,

在175 ℃的油 表1 合金温度漂移系数

井中,阻值漂移为0.12 Ω。因此,由温度漂移引入的误差为(v2R1-v2R2)/(v2R1)=2‰。

3 电路实现

3.1 电路设计

根据温差流量的检测原理,设计了对称式温差流量计检测电路,总体框图见图3。传感器将流量转换成2个电压信号,通过信号采集电路将2个电压信号数字化,主控电路按照设计好的周期读取缓冲区的数据,数据运算编码后由仪器总线TBS发送给井下上位机,井下上位机就是遥测短节。

图3 电路总体框图

3.2 信号采集电路

信号采集电路主要由24 bit的Σ-ΔADC芯片完成,具有6通道、低噪声、低功耗的优点,能够提供2路独立的可编程恒流源,内置片内仪表放大器和基准电压源,可以直接输入小信号到ADC[7]。采集电路见图4,图4中CS、SCLK、DIN及DOUT为芯片配置与数据读取的SPI总线接口;IOUT1与IOUT2为恒流源输出端,本文利用编程实现1 mA输出;参考电压VREF为2.04 V;R1与R2对称设计,具有良好的噪声抑制功能,R1与R2代表传感器内温度传感器204 A和204 B。传感器内部加热丝以6.67 W恒定加热到平衡状态时,R1的阻值升高到某一固定值R1x,随着液体流动,R1的阻值会降低到R1y,在这个过程中,R2的阻值为环境温度值R2e保持不变,那么由流量引起的阻值变化为R1y～R2e,已知IOUT1与IOUT2输出1 mA电流,那么流量变化值与AIN4通道差分量呈对应关系,采集的数值通过标定图版查找,可以确定流量值。

图4 采集电路示意图

3.3 数据传输格式

图5 总线数据传输时序图

主控电路由TMS320F2808及外部辅助电路构成[8],主控接收到遥传命令后,配置并读取模拟数字转化芯片采集的流量数据,数据处理后,按照协议格式进行编码,通过SE_TBS端口将数据传给调制电路,命令与上传数据间隔320 μs。仪器总线为单芯TBS总线,该单芯总线同时承担直流供电与数据传输的任务,为了减小信号对仪器总线直流电压下拉带来的影响,需要将下拉电平时间压缩。因此,仪器总线通讯采用DDL3模式,波特率为11 458,时序见图5。图5中时序1读数为00101010,有效位101010;时序2读数为00101011,有效位101011。为了将数据与命令区分开来,下发命令格式为1000xxxx,数据格式为00xxxxxx,温差流量数据为24 bit数据,所以数据会被转换成4 B上传。

3.4 数据调制电路

调制电路由CD40106、IRF430与2N4351构成(见图6),其中,CD40106是由6个施密特触发器电路组成。每个电路均为在2个输入端具有施密特触发器功能的反相器。2N4351具有缓存保护作用。IRF430为耐高温高压MOS管,遥传通过TBS总线下发的命令,经过C70后,滤掉直流电源,信号经过上拉与整形后,由N1将5 V电平转换为3.3 V,触发主控外部中断,完成命令接收。由主控发出的数据,通过N2后上拉为5 V,再经过CD40106与电容去毛刺整形,数据通过N3的G级,在总线TBS上产生下拉负电平,完成数据调制。

4 实验验证

在配套机械完成加工后,进行了样机组装调试,为验证基于温差的流量测井仪的性能,进行样本试验。本次实验利用小型两相流测试装置STI-001A完成,实验过程保持50 ℃恒温,为了减小误差,每次调节完流量值后,大概需要等待5 min(实验室温度为25 ℃)。实验装置流量达到稳定且传感器热交换平衡后,采集记录数据,流量从0逐渐增大到575 mL/s,再由575 mL/s减小到0,实验数据曲线见图7。

图7 温差与流速的响应关系图

试验约持续5 h,在这个持续工作的过程中温差流量测井仪工作稳定。由流量递增与递减采集的数据可知,最大误差出现在15.2 mL/s时,误差值为375 Hz,误差小于1%。由图7可知,仪器具有较好的重复性。实验中,流量为115～230 mL/s时,以23 mL/s为间隔,相邻两点之间计数率最小差值为322 Hz;流量为57.5～103.5 mL/s时,以11.5 mL/s为间隔,相邻两点之间计数率最小差值为427 Hz;流量为17.3 ～51.8 mL/s时,以5.75 mL/s为间隔,相邻两点之间计数率最小差值为521 Hz;流量为15.2 mL/s与17.3 mL/s之间计数率差值为615 Hz;流量为0与15.2 mL/s之间计数率差值为1 018 Hz。由此可见,本文设计的恒功率温差法流量测井仪在低流量环境中具有较高的分辨率,适用于低渗透油田流量检测。

5 结 论

(1)提出了将热扩散原理运用于低渗透产液剖面流量检测方法,证明了利用温差原理检测流量的可行性。

(2)设计了探测器、对称式检测电路与调制电路,完成了样机的组装调试,借助于流量试验装置开展仪器性能测试实验。实验结果表明,基于温差的流量检测方法在低流量时具有高精度、高灵敏度的优点,不受启动排量的限制,弥补了传统流量测井仪具有高启动排量的不足,为基于管柱的分层管测控与水平井产液剖面成像测井奠定了技术基础。