摘 要：本文介绍了适用于井下流量测量的金属管浮子流量计的结构设计、工作原理，地面模拟实验及在青海油田现场应用效果表明，该流量计具有启动流量低、测量范围宽，能够应用于井下油水两相流及产液含砂井的流量测量。

 

引言

目前国内油井过环空产出剖面测井的流量测量以涡轮流量计为主[1] [2]，由于受仪器外径和集流效果限制，涡轮流量计通常存在如下缺点：流量测量范围小，或者启动排量过高或者测量流量上限太低[3]；砂卡普遍较为严重，不能测量含砂流体；随着三次采油技术的推广，涡轮流量计因粘度影响，已无法满足稠油及注聚产液测量。因此，准确的流量测量对新型流量计的需求显得愈加迫切。

 

1 金属管浮子流量计结构设计及工作原理

1.1 金属管浮子流量计结构

为了达到降低流量测量下限，提高流量测量上限，进而拓宽流量测量范围，同时也为了有效防止砂卡，客服流体粘度影响，从而达到测量含砂流体或注聚产液目的，井下金属管浮子流量计的结构设计如图1 所示。

位移传感器外壳 1 主要用于封装位移传感器 2~8 等部件；位移传感器是差动变压器式传感器，其内部铁芯 3 用于传递浮子位移、速度；浮子 6 置于流道中央进液口处进行流量测量；下压弹簧 4 固定于差动变压器式传感器 2 下端，用于提高流量上限；浮子活动范围由出液口短接 5 长度所限；上托弹簧 7 用于降低流量下限。

 

1.2 金属管浮子流量计工作原理

流体由进液口进入仪器流道，推动浮子，浮子上移过程中，流体在出液口处的流通截面积逐渐增大，不同的流量对应不同的流通截面积，截面积的变化转化为浮子的位移，进而不同的流量又转化为浮子的不同位移，即：流量—>面积—>位移。此位移再由内部铁芯传递给差动变压器式传感器，位移

传感器通过测量浮子位移位移传感器通过测量浮子位移量来测量流体流量。

 

1.3 金属管浮子流量计特点

浮子式流量计在地面计量中是一种成型产品，投入实际应用的已好多种，但由于结构设计限制，各式型号的浮子式流量计一直未能在井下过环空产出剖面流量测量中得到较好应用。本文所述井下金属管浮子流量计，综合以往各式金属管浮子流量计特点的基础上，针对涡轮流量计所存缺陷，面向目前新时期流量测量特点，从结构设计角度出发，经多方优化设计而成，主要应用于井下过环空产出剖面稳定流态点测，其特点如下：

（1）本装置为流体提供的流通通道短，浮子上、下两处装置两根辅助弹簧。在浮子上移过程中，流体在出液口处的流通截面积逐渐增大，流体对浮子的冲击减弱，因此可通过加长浮子位移量提高流量上限；在高流量范围内，在流通面积的增加量不足以满足测量范围要求时，浮子向上压缩下压弹簧，下压弹簧弹力克服相当部分流动压力及浮子自身浮力，使流量计不至于很快饱和产出，因此可以通过增加下压弹簧倔强系数提高流量测量上限；

（2）从启动到下托弹簧共工作工程中，下托弹簧使浮子处于受力平衡状态，因而流量测量几乎无须克服浮子自重而实现低启动排量，极大程度上降低了流量测量下限；

（3）浮子与流通内壁距离远大于流体内含砂的粒径，能够用于含砂流体的测量，很好的解决了涡轮流量计所无法克服的砂卡问题。

 

1.4 金属管浮子流量计流量测量过程力学分析

井下金属管浮子流量计的测量原理既符合传统金属管浮子流量计的测量原理，又有一定区别。该流量计工作时，浮子的受力、位移不断变化，此过程大体分为四个阶段：

 

1.4.1 零流量

浮子 6 由上托弹簧 8 托扶，上托弹簧 8 被压缩，

浮子 6 处于平衡位置，其力学关系式为：

M1+M2+M3=0 （1）

其中，M1 是上托弹簧的弹力；M2 是浮子所受的浮力；M3 是浮子所受的重力。上托弹簧力 M1 和浮力 M2 克服浮子自身重力 M3 ，受力平衡，零流量时浮子静止，此时稍加流量，处于平衡状态的浮子即可产生位移，降低了启动排量，带入各自的表达式得：

k1△x+ρgV-mg=0 （2）

k1 上托弹簧倔强系数；△x 上托弹簧的压缩长度；流体密度ρ ；g 重力加速度；V 浮子体积；m 浮子质量。

 

1.4.2 低流量

在流动压力作用下，浮子 6 上浮，其位移量由位移传感器 2 测量，流体在出液口位置的流通截面积增大，浮子6在新的位置达到平衡，其力学关系式为：

F（Q）+ k1△x+ρgV-mg = 0 （3）

其中 F（Q）为流动压力，该力是浮子上下的流体压力差，流体流出出液口后，以扇状发散向上流，设S1、S2 分别是流束在浮子上下的流通截面积；P1、P2分别为浮子上下的压力；V1 、V2 为流体在 S1、S2 截面积上的流速。流体满足伯努利方程：

此式同时说明流动压力 F(Q)与流体的流量 Q 的平方成正比。

 

1.4.3 中流量

随着流量增加，当流量足够大时，浮子脱离上托弹簧 8，但未触及下压弹簧 4，浮子悬浮于流体当中，上托、下压弹簧的形变均为零。在该流量范围内，重力、浮力、流体推动力达到新的平衡，浮子 6 的力学关系式为：

F（Q）= +ρgV-mg = 0 （13）

 

1.4.4 高流量

进入高流量后，浮子向上压缩下压弹簧 4，此时浮子受重力、浮力、流体推力、下压弹簧反向推力，其力学关系式为：

F（Q）-k2△x+ρgV-mg = 0 （14）

 

2 方法实验

方法实验介质为柴油、水两相流：含水率调节为0、30%、50%、70%、80%、90%、100%；在每一含水率下 ，流 量 调 节 为 1m3/d、5m3/d、10m3/d、2m3/d、3m3/d、5m3/d、7m3/d、8m3/d、9m3/d、100m3/d，记录各含水率下不同流量时金属管浮子流量计输出频率的变化量，得到井下金属管浮子流量计在油水两相流条件下的方法实验结果（图 2）。图中横坐标是配比流量（m3/d），纵坐标是仪器输出频率（Hz）。

 

由图 2 可以看出，浮子的启动流量很低为 1m3/d，流量上限达 70m3/d；在 0、30%、50%、70%、80%、90%、100%每一含水率不同流量下，金属管浮子流量计频率响应有较好的线性关系；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，不同含水率下仪器输出频率离散性很小。

 

3 现场应用及分析

青海、江苏、华北油田，许多待测油井井况比较特殊，以往的 测井仪器根本无法下井，而且大都为含砂井，砂卡普遍较为严重，涡轮流量计根本无法应

用，无法进行产量测量[4]。井下金属管浮子流量计凭借自身结构设计等方面的优势，配接于 产出剖面测井仪上，采用伞式集流器在这些油田成功的实现了流量测量。图 3 为青海油田 X 井测井曲线图，该井产量为 53.3m3/d，含砂大约 6%。由图中井温及微差井温曲线可以看出，该井主产层在 1460m~1510m，结合磁定位曲线所示射孔层位及井温变化曲线可定性的判断出四个主要产层，大致分布在深度为 1470m~1475m，1480m 附 近 ，1485~1490m，1495m 附 近 ，1500m 附近开始进入死水口。

 

根据射孔深度、井温曲线波动，该金属管浮子流量计的测点深度分别选取在 1475.4m、1478.9m、1484.6m、1489.1m、1493.6m，相应射孔深度的点测响应值分别为 960Hz、947Hz、837Hz、762Hz、646Hz，不同的频率值对应不同的产量，表明金属管浮子流量计在主产层工作正常，能够实现对各产层产量进行准确测量，并且测量不受限于含砂流体，可以用于含砂井的流量测量。

 

表 1 是将图 4 金属管浮子流量计测井频率响应曲线图中深度与频率对应关系转化成深度及流量对应关系。选取 1500m 死水区频率为 260Hz（金属管浮子流量计

基值）作为基值，其他测点频率响应与之分别作差频，根据方法实验结果，找出各差频值对应的流量，死水区选 0m3/d。

 

选取表 1 中的测点深度值为横坐标，流量作为纵坐标，绘制金属管浮子流量计深度-流量测井曲线 （见图 4）

 

4 结论

井下金属管浮子流量计流量测量原理的正确性已经由室内及现场实验证实，而且青海油田现场测量结果表明，该浮子式流量计的流量测量下限低，流量测量范围宽，能测量含砂流体，特别适合于井下流体测量。