代平之

（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

自20世紀(jì)80年代地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)[1]，螺桿泵采油技術(shù)憑借其液流平穩(wěn)和容積泵效率高的特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到了長(zhǎng)足發(fā)展，僅大慶油田就達(dá)到了 3000多口在產(chǎn)井[2]，哈薩克斯坦阿克套地區(qū)更是達(dá)到了上萬(wàn)口的應(yīng)用規(guī)模。為了監(jiān)測(cè)這些井在生產(chǎn)過(guò)程中的各種參數(shù)，包括地層伽瑪值，井底的溫度、壓力，流體的流量、含水率（含氣率）、密度等，進(jìn)而通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析可以獲知油井的生產(chǎn)狀況，確定下一步需采取的處理措施，就要對(duì)螺桿泵的產(chǎn)液剖面進(jìn)行測(cè)井。但由于受到螺桿泵抽油機(jī)井井下工藝和地面驅(qū)動(dòng)裝置的限制，常規(guī)的過(guò)環(huán)空產(chǎn)液剖面測(cè)井儀不能通過(guò)測(cè)井通道，因此需要研制一種能夠滿足螺桿泵井測(cè)試要求的新型儀器。

1 螺桿泵井采油技術(shù)簡(jiǎn)介

螺桿泵地面設(shè)備由驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)試閘門和偏心井口組成（見圖1）。驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力通過(guò)抽油桿傳遞給螺桿泵，帶動(dòng)螺桿泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，完成舉升功能。井下由油管旋轉(zhuǎn)器、油管扶偏器、螺桿泵、篩管、扶正引鞋和油管錨組成。

圖1 螺桿泵井測(cè)試工藝示意圖

由于驅(qū)動(dòng)裝置的減速箱位于井口正上方，遮擋了偏心測(cè)試閘門，因此測(cè)試閘門與垂直方向呈 12o傾角。為開展測(cè)試工作，設(shè)計(jì)了可傾斜防噴裝置，其上端與偏心井口相連。測(cè)井儀器由偏心井口進(jìn)入井下環(huán)形空間，需要通過(guò)油管扶偏器側(cè)面的測(cè)試通道，由扶正引鞋進(jìn)入測(cè)試地層。由于上述限制，測(cè)井儀器長(zhǎng)度須≤80 cm，儀器直徑須≤25 mm，才能保證儀器的起下順利進(jìn)行。

2 整串儀器的技術(shù)指標(biāo)及方案

2.1 儀器的技術(shù)指標(biāo)

儀器外徑24 mm；最高工作溫度150℃；最高工作壓力60 MPa；流量測(cè)量范圍1～80 m3/d；含水率測(cè)量范圍0%～100%；含水率測(cè)量精度±3%；伽瑪精度十秒統(tǒng)計(jì)起伏≤±7%；溫度測(cè)量精度±0.1℃；壓力測(cè)量精度10 PSI；單節(jié)儀器剛性長(zhǎng)度不大于800 mm；布傘大小7 in(1 in=25.4 mm)。

2.2 儀器技術(shù)方案

螺桿泵測(cè)井儀器要求能夠在7 in套管中測(cè)井，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的深度、溫度、壓力、伽瑪、持水率和流量的測(cè)量。設(shè)計(jì)時(shí)，整串儀器采用合理的參數(shù)分配，中間采用柔性短節(jié)連接的方式，因此整串儀器主要分為以下部分實(shí)現(xiàn)（見圖2）：與地面通信的遙測(cè)短節(jié)（WTC）作為一支儀器，溫度壓力磁定位設(shè)計(jì)在一支儀器短節(jié)上，伽瑪作為一支短節(jié)，含水和流量的信號(hào)處理電路作為一個(gè)短節(jié)，含水流量的傳感器和集流布傘設(shè)計(jì)時(shí)采用一支儀器，但布傘的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用柔性的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以算作兩個(gè)短節(jié)，各個(gè)功能儀器之間采用單芯柔性短節(jié)或者多芯柔性短節(jié)連接，組成一串儀器。

圖2 整串儀器結(jié)構(gòu)示意圖

3 傘式含水流量?jī)x的設(shè)計(jì)

傘式含水流量?jī)x是用于油井產(chǎn)液剖面的測(cè)井儀器，主要測(cè)產(chǎn)出井某一特定層位流體的流量和持水率，從而確定該地層的產(chǎn)液情況。其工作原理如下：傘式含水流量?jī)x主要由傘儀和含水流量?jī)x組成，傘儀的作用是將井筒中一個(gè)較大直徑的流量集流到一個(gè)較小的直徑中，用以提高流體的流速，并能將流體的成分混合均勻，然后流體流經(jīng)含水流量?jī)x，通過(guò)流量傳感器和含水傳感器測(cè)出流體的流量及含水率，形成井下測(cè)試報(bào)告。

3.1 傘式含水流量?jī)x的設(shè)計(jì)概述

目前，環(huán)空生產(chǎn)測(cè)井的儀器直徑主要在21～26 mm之間，為了保證儀器的穩(wěn)定性及測(cè)量精度，直徑越小，相對(duì)于大直徑的儀器來(lái)說(shuō)，其長(zhǎng)度可能更長(zhǎng)些。如瑞利公司生產(chǎn)的 24Y-F1型傘式含水流量?jī)x，儀器總長(zhǎng)將近2 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到螺桿泵測(cè)井儀器下井的要求。因此，使用常規(guī)儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)螺桿泵測(cè)井，設(shè)計(jì)時(shí)需將單節(jié)儀器的長(zhǎng)度縮短。經(jīng)過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)，最后決定采用的設(shè)計(jì)方案為：電機(jī)傳動(dòng)組件為一節(jié)單節(jié)儀器，然后經(jīng)過(guò)柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)布傘頭的打開和閉合，再通過(guò)快速對(duì)接接口接含水流量的傳感器部分，經(jīng)過(guò)初步信號(hào)處理后，通過(guò)多芯柔性短節(jié)將測(cè)得的信號(hào)送到含水流量傳感器電子線路短節(jié)進(jìn)行處理并上傳（如圖 3所示）。設(shè)計(jì)過(guò)程中受到儀器直徑和長(zhǎng)度的限制，儀器設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要集中在傳感器組件及快速接口、柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傘頭傘筋長(zhǎng)度的確定和多芯柔性短節(jié)等。下文分別論述。

圖3 傘式含水流量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 傳感器組件設(shè)計(jì)

含水流量傳感器組件與布傘的對(duì)接接口采用新型傘式流量?jī)x快速連接接口，此接口可以在保證儀器承受高溫高壓的情況下，減少對(duì)流體流道的影響，降低傘的漏失量，從而大大降低儀器的啟動(dòng)排量；而且新接口的應(yīng)用，使儀器對(duì)接脫離了對(duì)眼睛的依賴，把對(duì)接成功率提高到 100%。流量傳感器也采用新型外拉式渦輪結(jié)構(gòu)，可以很方便地進(jìn)行渦輪的維護(hù)與更換。含水傳感器在不影響儀器分辨率的情況下適當(dāng)縮短并相應(yīng)增粗。為了克服含水信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸性能弱和準(zhǔn)確性低的缺點(diǎn)，含水傳感器芯棒尾部直接做成插針結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)將其直接連接信號(hào)預(yù)處理板并固定在四芯滑環(huán)上，然后裝配到與其他儀器對(duì)接的接頭當(dāng)中。

3.3 柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)傳動(dòng)組件、柔性推拉桿組件和彎曲機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。電機(jī)傳動(dòng)組件主要是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，可以采用絲杠實(shí)現(xiàn)，位置定位采用限位開關(guān)。

柔性推拉桿組件兩頭用6 mm的不銹鋼管，中間用3 mm不銹鋼管焊接。這樣兩頭可以加工螺紋且可以作為密封面，中間一段可以看作是一個(gè)具有柔性的管子，實(shí)現(xiàn)小角度的彎曲，同時(shí)又可以傳遞拉力且具有一定的抗高壓能力。在整個(gè)儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，中間連接桿部位雖為一薄弱環(huán)節(jié)，但通過(guò)計(jì)算校核，可知3 mm不銹鋼管能夠承受185 kgf，而在儀器中其所受最大力在30 kgf～40 kgf之間，因此能夠滿足要求。

為了保證儀器的柔性，在電機(jī)傳動(dòng)組件和布傘頭之間采用了彎曲機(jī)構(gòu)，彎曲機(jī)構(gòu)采用十字聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)思路，兩基體之間采用粗銷連接受力，為了拆裝方便，銷與基體之間采用更細(xì)的垂直于粗銷的過(guò)盈配合的細(xì)銷進(jìn)行固定，這樣可以使儀器在需要彎曲的情況下向各個(gè)方向擺動(dòng)，但最大擺動(dòng)角度不大于 15o。為了保證彎曲時(shí)中間柔性管的彎曲和拆裝的方便，彎曲機(jī)構(gòu)中心采用中空設(shè)計(jì)。

3.4 布傘頭傘筋長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

布傘頭的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是布傘頭傘筋長(zhǎng)度的選擇。在保證傘筋不產(chǎn)生塑性變形的情況下，傘筋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電機(jī)在布傘開啟時(shí)的行程就越短，液體導(dǎo)流效果越好，反之行程就越大，導(dǎo)流效果就越差。由于儀器的單節(jié)長(zhǎng)度不能大于80 cm，因此綜合上述考慮，通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究，最后選定傘筋的長(zhǎng)度小于350 mm，布傘完全打開推拉桿組件行程40 mm左右時(shí)，能夠滿足打開7 in布傘的要求。

3.5 四芯柔性短節(jié)的設(shè)計(jì)

由于儀器的含水流量傳感器組件及其信號(hào)處理電路的總長(zhǎng)度大于80 cm，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要分成兩個(gè)短節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)。為了保證含水流量傳感器和含水流量電子線路之間的信號(hào)傳遞以及增加儀器的柔性，因此設(shè)計(jì)了四芯柔性短節(jié)（單芯水密插針、彈簧測(cè)試插針和滑環(huán)組合的方式。即一端采用滑環(huán)，另一端采用彈簧測(cè)試針的組件，中間用球頭轉(zhuǎn)動(dòng)，過(guò)線用單芯水密插針）。如圖4所示。

圖4 四芯柔性短節(jié)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)，傘式含水流量?jī)x的單節(jié)長(zhǎng)度縮短到了80 cm以下，滿足了螺桿泵生產(chǎn)井特殊井況的測(cè)井要求。經(jīng)過(guò)北京華油油氣技術(shù)有限公司在哈薩克斯坦阿克套油區(qū)的使用，取得了良好的測(cè)井效果，為螺桿泵環(huán)空測(cè)井提供了裝備及技術(shù)保障。

[1] 殷宜平, 吳壯坤, 顧文忠. 螺桿泵采油工藝技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 斷塊油氣田, 2006,3(1).

[2] 房乾, 李凱峰, 于向江. 螺桿泵井產(chǎn)出剖面測(cè)井儀的研制與應(yīng)用[J]. 測(cè)井技術(shù), 2009, 33(6).