井下存储式金属管浮子流量计在水平井产液剖面测试中的应用
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摘要：水平井产液剖面测试使用的涡轮流量计受启动流量影响，不适应于低液量水平井测试。研制了适用于小流量测试的井下存储式金属管浮子流量计，并与温度、压力、含水测试传感器组成井下存储式水平井产液剖面测试仪，该仪器随油管下入水平井段，无需电缆和爬行器，可在油井正常生产的情况下连续工作一个月，提高了低液量水平井产液剖面测试的准确率和成功率。室内实验和现场先导性试验表明，井下金属管浮子流量计应用于水平井产液剖面测试可行，为低渗透油田水平井产液剖面的流量测试提供了新途径。
0 引 言
水平井产液剖面测试技术是从油套环空通过电缆或连续油管将产液剖面测试仪器输送至射孔段，在抽油机不停抽情况下采用涡轮流量计、持水率仪实时监测流量、含水，该技术的优点是能在抽油机不停抽的情况下获得井下分段的流量、含水率等数据［１常�。但是，常规产液剖面测试在水平井中面临水平段多相流体分层、电缆无法下入等问题，主要采用MAPS阵列式测井仪和爬行器等解决方案［４叮�。然而，产液剖面使用的涡轮流量计在５霸斑in倡套管井中流量小于５０m３／d时，涡轮启动困难［７］，不适用于低液量水平井产液剖面测试；爬行器受井筒环境影响，测试成功率不高且测试作业费用昂贵。长庆油田水平井日产液小于２０m３的井占总井数的８７％，平均单段日产液小于２m３，低液量水平井的产液剖面测试已成为一个重要难题。为此，本文开展了将金属管浮子流量计应用于水平井产液剖面测试的探索研究，实现了无需电缆输送仪器、提高测试准确率、降低作业成本的目的。
1 金属管浮子流量计
1.1 结构和原理
金属管浮子流量计由一个锥形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的浮子组成（见图１）。流量计本体两端用法兰连接或螺纹连接的方式垂直安装在测量管路上，使流体自下而上流过流量计，推动浮子。由于节流作用，使上下游产生压差Δp，由于该压差的存在，使得浮子受到迎面的压差阻力，在该阻力的作用下，浮子在锥管中上升，流通面积A增大，环隙中流体的平均速度减小，直到该阻力与浮子的自重和浮力相平衡时，浮子停留在某一高度。流量Qv越大，浮子停留的高度h越高。在稳定情况下，浮子悬浮的高度h与通过流量计的体积Qv之间有一定的比例关系为
式中，α是金属管浮子流量计的流量系数；Df是浮子的非常大直径；Af是浮子迎面流体面积；Vf是浮子的体积；ρf是浮子材料密度；φ是锥管的锥角；ρ是流体介质密度；h是浮子高度。
对于一定的流量计和流体，式（１）中的Df、Af、Vf、ρf、φ、ρ等均为常数，因此，只要保持α为常数，则流量Qv与浮子高度h之间就存在近似线性关系。
因此，可以将这种对应关系直接刻度在流量计的锥管上，根据浮子的高度直接读出流量值，或通过电存储方式将流量信号（即浮子的位置信号）记录。
1.2 金属管浮子流量计的特点
由于金属管浮子流量计在测量过程中始终保持节流件前后的压差不变，通过改变流通面积实现流量的测量。①几乎不会遇到砂卡的现象，与涡轮流量计相比受井筒环境的影响��；②可接收微小流量信号，实现低液量井流量测试；③浮子的高度取决于液体的流量，气体对测量结果影响很�。郏福�。
2 井下存储式水平井产液剖面测试仪
借鉴常规金属管浮子流量计，同时考虑到水平井中仪器无法通过电缆在水平段下放，使用爬行器价格昂贵且受井筒环境影响故障率高等因素，设计了适用于低液量水平井产液剖面测试的井下金属管浮子流量计，同时与温度、压力、含水测试传感器以及电路系统组成井下存储式水平井产液剖面测试仪，该仪器和油管连接后一起下入到射孔段，可以连续监测多段压裂水平井产液信息。
2.1 水平井井下金属管浮子流量计设计
水平井井下金属管浮子流量计由浮子、推杆、滑套、线圈、弹簧、流量护管、单流阀等组成（见图２）。
工作原理：给浮子感应线圈上提供恒定的电流激励，当井下流体通过过流通道，推动浮子移动，衔铁发生位移，引起感应线圈中磁阻变化，产生感应电动势，感应电动势经滤波放大，输入单片机内进行处理后测得流量。流量测量线圈采用差分结构，温漂小，在流量线圈外加屏蔽层，减少外部对流量测量的干扰；自感传感器可以测量０畅０１μm～５０mm的机械位移，具有测量精度高、灵敏度高、线性好、结构简图3 存储式水平井产液剖面测试仪单、性能可靠等优点。
2.2 含水率、温度和压力测量设计
含水率测试仪采用电容式含水率传感器和阻抗式含水率传感器组合设计，分别测试流体的电容值和电导率，可以适应低含水和高含水传感器组合，可以更加精准测量含水率。
温度测量原理：给PT１０００提供恒流激励，当井温变化时，PT１０００的阻值也会发生变化，测量电路输出与温度成正比的差动电压信号，经过单片机AD采集，得到温度信号。
压力测量原理：压力传感器采用恒压供电电路，输出与压力成正比的压力差动电压信号，经过单片机AD采集，得到压力信号。
2.3 仪器功耗设计
仪器选用容量为９Ah的高温电池，采样间隔有多种类型可供选择，非常小可设置为３s。仪器工作３０d非常大功耗设计如下。
（１）当仪器采样间隔设置为３s时。每间隔３s需要采集１次数据，采集０畅８s，此时总电流不超过２５mA。１个月的耗电量４畅８Ah。
（２）当仪器不工作时，进入休眠状态。总电流不超过１００μA。１个月耗电量０畅０７２Ah。
（３）仪器每采集８７组数据（８７×３s＝２６１s）进行一次数据存储。存储时间为０畅６s，总电流不超过５０mA。１个月耗电量０畅０８２Ah。
（４）仪器１个月非常大耗电量４畅９５４Ah。仪器可在井下连续工作１个半月以上。
2.4 水平井产液剖面测试仪结构及原理
井下存储式水平井产液剖面测试仪由金属管浮子流量计、含水探头、温度探头、压力传感器、测量电路、供电电池组成（见图３）。当正常产液时，坐封单向阀截止，流体通过进液口，推动浮子移动，从而测得流量。流体由过流通道流经温度探头、压力探头与含水探头时，可测得流体含水率、压力与温度，非常后通过出液口流出。坐封时，浮子�；さハ蚍Ы刂�，流体从隔离管与外护管环空过流通道流过，打开坐封单向阀，实现坐封。
3 室内实验
3.1 含水率对流量测试的影响
（１）介质：柴油和水两相。
（２）方式：在垂直状态下进行流量标定，流量从０、１、２、⋯、１０m３／d，分别选择含水率为１００％、８０％、４０％进行流量测试实验。
（３）对流量刻度进行曲线拟合。
实验结果表明，金属管浮子流量计启动流量为０畅５m３／d，可对低液量井进行测试；不同含水率的流量测试曲线基本重合，说明浮子位置的变化只与通过浮子流体的流量相关，流体含水率对金属管浮子流量计测试结果的影响可忽略。
3.2 仪器倾角对流量测试的影响
（１）介质：柴油和水两相。
（２）方式：将仪器分别处于水平状态０°和负角度－３０°（即进液口高于出液口）状态下，流量从０、１、２、⋯、１０m３／d，分别选择含水率为１００％、８０％、４０％进行流量测试实验。
（３）对流量刻度进行曲线拟合。
实验结果表明，当井筒处于水平状态甚至负角度状态下，尽管流体的型态为层流或逆向流，但对金属管浮子流量计和含水率的测试结果影响较小，非常大误差仅４％。分析认为这是由于浮子位置变化只与进入锥形管空间流体流量有关，基本克服了油、水的分层流动使涡轮流量计响应变得复杂的问题。当流体经过电容＋阻抗式持水率仪时，由于在圆周上配置多个持水率传感器，能够很好地解决常规仪器只能中心采样不能探测到的全截面流体的问题，可以清楚地分辨出油和水。
4 现场应用
２０１６年２月在长庆油田CP井首次开展水平井存储式金属管浮子流量计井下先导性试验，该井射孔９段，测试前日产液１６畅０７m３，含水１００％。为了验证流量、含水测试准确性，对该井射孔段１进行双封单卡工艺测试，同时地面单独测量该段产液量并化验含水，测试管柱见图４。该井仪器设置采样间隔为１０min，３５d后起出，测试结果显示射孔段１单层流量为３畅７７m３／d，含水９８畅６％（见图５）；同时，地面单独测量射孔段１的日产液为３畅５８m３，含水１００％。测试流量和含水与实际单量和化验结果接近，说明存储式产液剖面测试仪首次在水平井井下试验取得成功，证明了井下金属管浮子流量计应用于低液量水平井产液剖面测试可行。
5 结 论
（１）井下存储式金属管浮子流量计启动流量小于０.５m３／d，且不受井筒出砂影响，弥补了涡轮流量计不适应低液量水平井的不足，提高了低液量水平井测试结果的准确性。
（２）室内动态实验表明，无论是垂直、水平及倾斜情况下，金属管浮子流量计响应特性均不敏感于含水率，拥有非常好的不依赖于流型的特性。
（３）测试仪器随油管下入目的层，无需电缆和爬行器，一趟管柱即可完成水平井产液剖面测试，大幅度降低了产液剖面测试成本。
（４）测试结果包含流量、含水、压力和温度等储层流体物性参数，可进行各射孔段产能评价、判断井筒出水位置，为低液量水平井控水稳油措施提供依据。
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