引言

     電磁流量計(jì)測(cè)試技術(shù)以其測(cè)量精度高、無污染，已在國內(nèi)多個(gè)油田注入剖面測(cè)試中應(yīng)用，我國油田均為采用分層注水方式保持油層壓力，在開發(fā)過程中，需要及時(shí)了解掌握注水井各層的動(dòng)態(tài)注入量，注入剖面測(cè)試技術(shù)即動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。隨著生產(chǎn)上的要求，在注水井注入剖面測(cè)試中新的監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷應(yīng)用。

    電磁流量計(jì)的基本測(cè)量原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)導(dǎo)電的注入流體流經(jīng)測(cè)量探頭時(shí)，切割儀器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，在流體中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量這個(gè)由流體切割磁力線的快慢（即流體流動(dòng)速度）產(chǎn)生的變化電壓信號(hào)，來測(cè)量流體流速的大小，進(jìn)而根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)確定出流量^[1]。

    從測(cè)量原理來看，影響注入流體流速的因素將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，而當(dāng)全井注入量一定時(shí)，影響注入流體流速的因素主要是測(cè)量通道過流面積的變化。油田注入剖面測(cè)試中使用的電磁流量計(jì)，在室內(nèi)標(biāo)定中使用的是標(biāo)準(zhǔn)的套管尺寸或油管尺寸，而實(shí)際測(cè)量時(shí)由于長(zhǎng)期注水和井下原因引起套管變形、結(jié)垢、腐蝕等情況，使實(shí)際的測(cè)量通道與標(biāo)定環(huán)境有一定差異，因此引起測(cè)量結(jié)果誤差。

    1 井徑對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響分析

    設(shè)實(shí)際流量為Q，測(cè)量流量為Q₁，標(biāo)定時(shí)測(cè)量通道直徑為D，截面積為S，實(shí)際測(cè)量通道直徑為D₁，截面積為S₁，流速為v。當(dāng)流量計(jì)測(cè)出流量頻率值后，根據(jù)標(biāo)定圖版可換算為流量，此時(shí)計(jì)算采用的是標(biāo)準(zhǔn)過流通道內(nèi)徑，瞬時(shí)測(cè)量流量應(yīng)為：

           （1）

    當(dāng)過流通道變化時(shí)，此時(shí)流速為：

       （2）

    則：

           （3）

    可見，測(cè)量流量與實(shí)際流量有一個(gè)系數(shù)差，這個(gè)系數(shù)與測(cè)量通道管徑變化的平方成正比，是一個(gè)指數(shù)關(guān)系，當(dāng)D與D₁相差不大時(shí)，Q₁與Q相比誤差不大，而當(dāng)D₁與D相差較大時(shí)，Q₁就超出了允許的誤差范圍，由上式可見，當(dāng)實(shí)際管道直徑變化量達(dá)5%時(shí)，流量就有超出10%的誤差。而在實(shí)際的電磁流量計(jì)測(cè)量和解釋時(shí)均未考慮到管徑尺寸差異引起的計(jì)量誤差。這在內(nèi)流式和外流式電磁流量測(cè)量方式上均有影響。為了提高測(cè)試精度，消除此項(xiàng)誤差，就必須對(duì)管徑變化的影響進(jìn)行校正。

    2 電磁流量計(jì)與井徑一體化儀

    在工程測(cè)井技術(shù)中，井徑儀用來測(cè)量井下套管的變形情況，確定套管內(nèi)徑，其工作原理就是把套管直徑方向的尺寸變化轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，其轉(zhuǎn)化過程是通過一套機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的^[2]。因此，可將井徑儀引入電磁流量計(jì)剖面測(cè)試中，與電磁流量計(jì)組合，利用測(cè)得的井徑數(shù)據(jù)修正測(cè)量與標(biāo)定通道差異引起的解釋誤差。然而，一般井徑儀由于測(cè)量原理的限制外徑較大，不能通過油管測(cè)量。為此，設(shè)計(jì)了一種小型井徑儀，同時(shí)可作電磁流量計(jì)的一個(gè)扶正器使用。

    2.1 井徑儀的選擇

    井徑儀選擇基于以下假設(shè)：影響電磁流量測(cè)量誤差的套管或油管的變形是連續(xù)的，因此，其變形形狀可用橢圓模擬。這樣，在井徑測(cè)量上采用4臂井徑即可。

    實(shí)際上，只要知道測(cè)量時(shí)通道的面積，不必知道通道的詳細(xì)形狀就能得到較好的校正效果，因此，4臂井徑足夠使用。

    為了實(shí)現(xiàn)過油管測(cè)量，縮短儀器長(zhǎng)度，在設(shè)計(jì)上可將電磁流量計(jì)的一個(gè)扶正器設(shè)計(jì)為井徑測(cè)量?jī)x，其4條扶正片作為4個(gè)測(cè)量臂。

    2.2 井徑儀原理

    4個(gè)測(cè)量臂分為2組，每組測(cè)量一個(gè)方向，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中上、下接頭與儀器外殼相連，上、下滑套可分別在上下接頭上滑動(dòng)，測(cè)量臂的兩端就分別裝在滑套和接頭上，使之受壓變形后只有一端能動(dòng)。與滑套相連的是上、下測(cè)量桿，二者通過上、下銷桿固定在一起。當(dāng)井徑變化引起測(cè)量臂壓縮時(shí)，相應(yīng)的上或下滑套隨之動(dòng)作，帶動(dòng)其上的測(cè)量桿作軸向運(yùn)動(dòng)，井徑的變化就轉(zhuǎn)化為測(cè)量桿的位移。由檢測(cè)電路檢測(cè)這一位移，就可得到井徑的變化。

    2.3 井徑探頭測(cè)量原理

    井徑探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

    其測(cè)量原理是電容法，即將井徑的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，其中上、下測(cè)量桿與儀器外殼聯(lián)通作為一個(gè)電極，黃銅作的探頭外敷一層聚氟乙烯絕緣層后作為另一個(gè)電極，二者組成一個(gè)容量可以變化的電容器傳感器。

    井徑測(cè)量探頭等效電路如圖3所示^[2]，測(cè)量探頭實(shí)際上由三部分組成，一是分布電容C_f，二是電極絕緣層電容C_p，電極棒和測(cè)量桿外殼之間的電容C_z稱被測(cè)電容。當(dāng)傳感器幾何尺寸已定，則C_f和C_p為固定值，測(cè)量探頭傳感器的容量變化決定于測(cè)量介質(zhì)和兩個(gè)電極的相對(duì)位置，一般對(duì)于注水井來說，注入流體是一定的，因此，測(cè)量探頭傳感器的容量變化就只決定于2個(gè)電極的相對(duì)位置變化。當(dāng)測(cè)量桿隨測(cè)量臂發(fā)生位移后，引起電容的容量變化，這個(gè)變化就表征了井徑的改變。

    測(cè)量電路紀(jì)錄到這個(gè)電容變化后就可以換算為井徑的大小，利用解釋軟件計(jì)算并模擬出測(cè)量段套管或油管內(nèi)徑變化，并用橢圓面積計(jì)算公式A=π×a×b計(jì)算出當(dāng)前面積（a、b分別為井徑的2個(gè)測(cè)量臂測(cè)出的尺寸），為流量解釋提供校正因子。為了能夠在正常注水情況下測(cè)試，井徑儀外徑設(shè)計(jì)為Φ38mm，可以通過油管下入，測(cè)量范圍覆蓋油管和套管內(nèi)徑。

    2.4 相關(guān)計(jì)算

    電容中心電極半徑為r，內(nèi)電極絕緣層厚度為δ，絕緣材料介電常數(shù)為ε_p，傳感器外電極內(nèi)表面半徑為R，電極長(zhǎng)度為h，ε_z為注入水介電常數(shù)，根據(jù)同軸柱狀電容器容量計(jì)算公式，可得絕緣層和被測(cè)介質(zhì)的電容C_p、C_z為^[3]：

                （4） 
                （5）

    傳感器電容C_x為：

    設(shè)計(jì)取R=3mm，r=2mm，絕緣材料選用聚四氟乙?。?epsilon;_p=2.O）、厚度δ=0.2mm，取水的介電常數(shù)ε_z=80。則測(cè)量桿每移動(dòng)1mm井徑探頭產(chǎn)生的電容變化約為1.1pF，電路設(shè)計(jì)具有0.1pF的分辨率，因此，是可以滿足使用要求的。

    傳感器電容變化量及流量變化量與井徑關(guān)系如圖4所示。

    3 注意事項(xiàng)

    （1）為了不對(duì)現(xiàn)有電磁流量計(jì)改動(dòng)，井徑儀設(shè)計(jì)為過線形式，安裝于電磁流量計(jì)上方。
    （2）電磁流量計(jì)下部接扶正器，使儀器居中。
    （3）井徑測(cè)量臂應(yīng)采用高硬度彈簧鋼制成。
    （4）在實(shí)際測(cè)試中起下儀器的速度應(yīng)控制。

    4 結(jié)束語

    電磁流量計(jì)測(cè)量精度高，有較好的應(yīng)用效果。但實(shí)際測(cè)量通道與標(biāo)定環(huán)境有一定差異，引起測(cè)量結(jié)果誤差。

    將井徑測(cè)量引入電磁流量計(jì)剖面測(cè)試中，可有效校正因測(cè)量通道發(fā)生變化引起的測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)的井徑儀采用了新穎的電容法測(cè)量原理，有效地減小了尺寸。

    受外徑限制，井徑儀設(shè)計(jì)為四臂獨(dú)立，測(cè)量臂采用扶正片形式，由連桿帶動(dòng)測(cè)量臂移動(dòng)，由測(cè)量探頭電容的大小變化得出測(cè)量臂的位移大小，進(jìn)而確定該扶正片對(duì)應(yīng)套管尺寸的變化。井徑與電磁流量計(jì)的一體化設(shè)計(jì)，使井徑儀即可測(cè)量通道井徑的變化，又能作為電磁流量計(jì)的一個(gè)扶正器使用，在基本保持儀器長(zhǎng)度的前提下為流量解釋多提供了一個(gè)測(cè)量參數(shù)。