摘 要：本文介紹了適用于井下流量測量的金屬管浮子流量計的結構設計、工作原理，地面模擬實驗及在青海油田現場應用效果表明，該流量計具有啟動流量低、測量范圍寬，能夠應用于井下油水兩相流及產液含砂井的流量測量。

 

引言

目前國內油井過環空產出剖面測井的流量測量以渦輪流量計為主[1] [2]，由于受儀器外徑和集流效果限制，渦輪流量計通常存在如下缺點：流量測量范圍小，或者啟動排量過高或者測量流量上限太低[3]；砂卡普遍較為嚴重，不能測量含砂流體；隨著三次采油技術的推廣，渦輪流量計因粘度影響，已無法滿足稠油及注聚產液測量。因此，準確的流量測量對新型流量計的需求顯得愈加迫切。

 

1 金屬管浮子流量計結構設計及工作原理

1.1 金屬管浮子流量計結構

為了達到降低流量測量下限，提高流量測量上限，進而拓寬流量測量范圍，同時也為了有效防止砂卡，客服流體粘度影響，從而達到測量含砂流體或注聚產液目的，井下金屬管浮子流量計的結構設計如圖1 所示。

位移傳感器外殼 1 主要用于封裝位移傳感器 2~8 等部件；位移傳感器是差動變壓器式傳感器，其內部鐵芯 3 用于傳遞浮子位移、速度；浮子 6 置于流道中央進液口處進行流量測量；下壓彈簧 4 固定于差動變壓器式傳感器 2 下端，用于提高流量上限；浮子活動范圍由出液口短接 5 長度所限；上托彈簧 7 用于降低流量下限。

 

1.2 金屬管浮子流量計工作原理

流體由進液口進入儀器流道，推動浮子，浮子上移過程中，流體在出液口處的流通截面積逐漸增大，不同的流量對應不同的流通截面積，截面積的變化轉化為浮子的位移，進而不同的流量又轉化為浮子的不同位移，即：流量—>面積—>位移。此位移再由內部鐵芯傳遞給差動變壓器式傳感器，位移

傳感器通過測量浮子位移位移傳感器通過測量浮子位移量來測量流體流量。

 

1.3 金屬管浮子流量計特點

浮子式流量計在地面計量中是一種成型產品，投入實際應用的已好多種，但由于結構設計限制，各式型號的浮子式流量計一直未能在井下過環空產出剖面流量測量中得到較好應用。本文所述井下金屬管浮子流量計，綜合以往各式金屬管浮子流量計特點的基礎上，針對渦輪流量計所存缺陷，面向目前新時期流量測量特點，從結構設計角度出發，經多方優化設計而成，主要應用于井下過環空產出剖面穩定流態點測，其特點如下：

（1）本裝置為流體提供的流通通道短，浮子上、下兩處裝置兩根輔助彈簧。在浮子上移過程中，流體在出液口處的流通截面積逐漸增大，流體對浮子的沖擊減弱，因此可通過加長浮子位移量提高流量上限；在高流量范圍內，在流通面積的增加量不足以滿足測量范圍要求時，浮子向上壓縮下壓彈簧，下壓彈簧彈力克服相當部分流動壓力及浮子自身浮力，使流量計不至于很快飽和產出，因此可以通過增加下壓彈簧倔強系數提高流量測量上限；

（2）從啟動到下托彈簧共工作工程中，下托彈簧使浮子處于受力平衡狀態，因而流量測量幾乎無須克服浮子自重而實現低啟動排量，極大程度上降低了流量測量下限；

（3）浮子與流通內壁距離遠大于流體內含砂的粒徑，能夠用于含砂流體的測量，很好的解決了渦輪流量計所無法克服的砂卡問題。

 

1.4 金屬管浮子流量計流量測量過程力學分析

井下金屬管浮子流量計的測量原理既符合傳統金屬管浮子流量計的測量原理，又有一定區別。該流量計工作時，浮子的受力、位移不斷變化，此過程大體分為四個階段：

 

1.4.1 零流量

浮子 6 由上托彈簧 8 托扶，上托彈簧 8 被壓縮，

浮子 6 處于平衡位置，其力學關系式為：

M1+M2+M3=0 （1）

其中，M1 是上托彈簧的彈力；M2 是浮子所受的浮力；M3 是浮子所受的重力。上托彈簧力 M1 和浮力 M2 克服浮子自身重力 M3 ，受力平衡，零流量時浮子靜止，此時稍加流量，處于平衡狀態的浮子即可產生位移，降低了啟動排量，帶入各自的表達式得：

k1△x+ρgV-mg=0 （2）

k1 上托彈簧倔強系數；△x 上托彈簧的壓縮長度；流體密度ρ ；g 重力加速度；V 浮子體積；m 浮子質量。

 

1.4.2 低流量

在流動壓力作用下，浮子 6 上浮，其位移量由位移傳感器 2 測量，流體在出液口位置的流通截面積增大，浮子6在新的位置達到平衡，其力學關系式為：

F（Q）+ k1△x+ρgV-mg = 0 （3）

其中 F（Q）為流動壓力，該力是浮子上下的流體壓力差，流體流出出液口后，以扇狀發散向上流，設S1、S2 分別是流束在浮子上下的流通截面積；P1、P2分別為浮子上下的壓力；V1 、V2 為流體在 S1、S2 截面積上的流速。流體滿足伯努利方程：

此式同時說明流動壓力 F(Q)與流體的流量 Q 的平方成正比。

 

1.4.3 中流量

隨著流量增加，當流量足夠大時，浮子脫離上托彈簧 8，但未觸及下壓彈簧 4，浮子懸浮于流體當中，上托、下壓彈簧的形變均為零。在該流量范圍內，重力、浮力、流體推動力達到新的平衡，浮子 6 的力學關系式為：

F（Q）= +ρgV-mg = 0 （13）

 

1.4.4 高流量

進入高流量后，浮子向上壓縮下壓彈簧 4，此時浮子受重力、浮力、流體推力、下壓彈簧反向推力，其力學關系式為：

F（Q）-k2△x+ρgV-mg = 0 （14）

 

2 方法實驗

方法實驗介質為柴油、水兩相流：含水率調節為0、30%、50%、70%、80%、90%、100%；在每一含水率下 ，流 量 調 節 為 1m3/d、5m3/d、10m3/d、2m3/d、3m3/d、5m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、100m3/d，記錄各含水率下不同流量時金屬管浮子流量計輸出頻率的變化量，得到井下金屬管浮子流量計在油水兩相流條件下的方法實驗結果（圖 2）。圖中橫坐標是配比流量（m3/d），縱坐標是儀器輸出頻率（Hz）。

 

由圖 2 可以看出，浮子的啟動流量很低為 1m3/d，流量上限達 70m3/d；在 0、30%、50%、70%、80%、90%、100%每一含水率不同流量下，金屬管浮子流量計頻率響應有較好的線性關系；在 1m3/d、5m3/d、10m3/d、2m3/d、3m3/d、5m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、100m3/d 每一流量下，不同含水率下儀器輸出頻率離散性很小。

 

3 現場應用及分析

青海、江蘇、華北油田，許多待測油井井況比較特殊，以往的 測井儀器根本無法下井，而且大都為含砂井，砂卡普遍較為嚴重，渦輪流量計根本無法應

用，無法進行產量測量[4]。井下金屬管浮子流量計憑借自身結構設計等方面的優勢，配接于 產出剖面測井儀上，采用傘式集流器在這些油田成功的實現了流量測量。圖 3 為青海油田 X 井測井曲線圖，該井產量為 53.3m3/d，含砂大約 6%。由圖中井溫及微差井溫曲線可以看出，該井主產層在 1460m~1510m，結合磁定位曲線所示射孔層位及井溫變化曲線可定性的判斷出四個主要產層，大致分布在深度為 1470m~1475m，1480m 附 近 ，1485~1490m，1495m 附 近 ，1500m 附近開始進入死水口。

 

根據射孔深度、井溫曲線波動，該金屬管浮子流量計的測點深度分別選取在 1475.4m、1478.9m、1484.6m、1489.1m、1493.6m，相應射孔深度的點測響應值分別為 960Hz、947Hz、837Hz、762Hz、646Hz，不同的頻率值對應不同的產量，表明金屬管浮子流量計在主產層工作正常，能夠實現對各產層產量進行準確測量，并且測量不受限于含砂流體，可以用于含砂井的流量測量。

 

表 1 是將圖 4 金屬管浮子流量計測井頻率響應曲線圖中深度與頻率對應關系轉化成深度及流量對應關系。選取 1500m 死水區頻率為 260Hz（金屬管浮子流量計

基值）作為基值，其他測點頻率響應與之分別作差頻，根據方法實驗結果，找出各差頻值對應的流量，死水區選 0m3/d。

 

選取表 1 中的測點深度值為橫坐標，流量作為縱坐標，繪制金屬管浮子流量計深度-流量測井曲線 （見圖 4）

 

4 結論

井下金屬管浮子流量計流量測量原理的正確性已經由室內及現場實驗證實，而且青海油田現場測量結果表明，該浮子式流量計的流量測量下限低，流量測量范圍寬，能測量含砂流體，特別適合于井下流體測量。