一种阻抗式遥测多参数组合测井仪的设计

冯志朋

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163511)

0 引 言

国内陆上油田进入中后期开采后，含水率逐年升高。传统测量含水率的过流电容法和高频电容法适合于中低含水测量，在高流速或油为连续相时分辨率较好，而在高含水时测试精度低[1]，测量结果受流体电导率影响较大[2]。阻抗式含水测量方法在集流条件下测量油水混相值，在油水分离后测量全水值，通过两者之间的比值计算持水率，可以有效避免液体电阻率随温度变化给仪器测量带来的影响[3]。阻抗法针对高含水测量效果比较明显，并且近几年科研人员已经对阻抗含水传感器进行了一系列的优化及相关理论与实验研究[4-5]，含水测量范围和测量精度有了很大提高。近年来，国内生产井测试考虑到便于井口密闭和地面设备标准化，逐渐开始采用单芯电缆完成井下仪器与地面系统的数据传输[6]，原来基于三芯电缆的脉冲调制信号仪器已经不能满足生产井测试单芯化的需求[7-8]，为此研制了阻抗式遥传多参数组合测井仪。该组合测井仪的研制基于大庆油田HK系列阻抗式产液剖面测井仪，传感器采用新的单电极形式，以减少沾污；电路大量使用贴片器件替代原分立电路，应用单片机和遥传技术，上传信号采用曼彻斯特码；在仪器结构上增加了快速连接，以解决仪器拆卸和维修的困难。该组合仪一次下井可以同时录取温度、压力、磁性定位、流量和含水五个测量参数，仪器适合含水高于50%的油井测量[9]。

1 仪器结构设计

1.1 总体结构

组合测井仪由温度、压力、磁定位及遥测短接、流量含水测量短接两个部分组成。其中井温、压力、磁性定位和WTC为一个测量短接，该短接负责连续测井参数的采集和下挂短接参数的接收，结构如图1所示。流量和含水参数为一个测量短接，主要包括测量电路、快速连接、涡轮传感器、阻抗含水传感器和集流伞，针对部分高流量测量对象，可以在集流伞上方开孔分流降低通过流量[10]，结构如图2所示。遥测短接与流量含水测量短接之间的电气通讯采用轴向六芯插件。

图1 温度、压力、磁定位及遥测短接结构示意图

图2 流量、含水测量短接结构示意图

1.2 快速连接

遥测多参数组合测井仪流量含水测量短接除电路和含水传感器外还有涡轮、集流伞、电机等可动部件，仪器尺寸较大，由于产出剖面测井仪每次下井后均需要拆卸清洗和更换集流伞，为了方便仪器的操作和专业化维修，在仪器电路和阻抗传感器之间设计了快速连接，如图3所示。快速连接采用轴向六芯接插件，插件公头安装在电路板架一端，与电路腔体直接相连；母头安装在传感器短接一端，通过密封塞和胶尾与阻抗传感器、涡轮和电机供电线连接。

图3 电路短接快速连接

2 单电极阻抗传感器设计

该仪器含水率测量采用阻抗式测量方法。由于测井仪流道内存在涡轮传感器、阻抗含水传感器和集流伞供电引线，流道空间被大量占用，特别是传统的三电极阻抗传感器，内置的信号引线和焊点容易附着油泡和杂质，含水测量过程中对油水分离影响较大。为了减少传感器沾污，设立了单电极阻抗含水传感器，由外壳、测量电极、绝缘内壁和信号引线组成，如图4所示。传感器外壳为轻质合金，绝缘内壁采用聚四氟乙烯，测量电极镶嵌在绝缘内壁上，信号引线从夹层内引出。阻抗激励信号从测量电极向上下两个方向发射一定频率的交变恒定电流，传感器外壳作为信号的接地端，当流体从传感器内流过时，由于测量电极两端阻抗的存在，电极与外壳之间产生等效电压。根据电学原理，当油水介质发生改变时，电压与流过传感器流体的电导率成反比，不同的电压对应不同油水混合时的流体阻抗特性，根据介质阻抗特性计算含水率。

图4 单电极阻抗传感器

3 电路设计

3.1 电路原理

仪器采用单芯电缆，仪器供电和信号传输和集流伞控制在同一根缆芯上完成。电路由温度压力磁性定位遥测部分及流量含水测量两个部分组成[11]。如图5所示。

温度、压力、磁性定位及遥测电路利用单片机直接采集温度、压力和磁性定位信号和缆头电压，信号经过内置芯片的相关运算和处理后与流量和含水信号通过单片机程序控制进行编码，然后通过电路合成变成不归零曼码，经驱动电路与电缆耦合上传地面。流量含水测量电路中，施加在阻抗传感器上的恒流源由单片机产生，含水信号的采集、AD转换均由单片机程序完成。涡轮输出的电平信号通过比较器和计数器计数后进入单片机，比较器阈值的设置也由单片机来完成。流量含水测量电路通过串行通信与井温压力遥测三参数电路相连。

图5 阻抗式遥测多参数组合测井仪器电路工作原理

3.2 WTC工作原理

仪器供电端采用单芯的传输方式[12]，WTC遥传部分由3片单片机和周边器件组成，在程序控制下，单片机接收经过处理的各参数信号，并且向下发送命令，数据编码形成两路归零曼彻斯特码。

电路工作如图6所示，单片机Ⅲ接收经过处理的流量和含水参数信号，存于缓冲区内，当接收到前级单片机Ⅱ向其发出的参数地址时，将对应的流量和含水参数以串行数据发送。同样单片机Ⅰ接收缆头电压和磁性定位信号，单片机Ⅱ接收温度和压力信号，并且单片机Ⅱ一边接收处理过的仪器参数，一边向下发送参数地址，并将收到的数据向上一级单片机Ⅰ传送。单片机Ⅰ每隔4 ms接收一个参数数据，在程序的控制下将其形成两路归零曼码(40 ms一帧)，然后通过电路合成变成不归零曼码，经驱动电路与电缆耦合。

图6 WTC工作原理

4 技术特点和指标

4.1 仪器特点

1)连续测量参数和WTC集成在一个功能短接上，仪器组合后长度明显缩短，便于产出剖面仪器的测井施工和使用维修；

2)快速连接采用轴向接插件作为电气接口，信号传输可靠，连接过程中不需要绑扎信号线，该结构有利于流量含水测量短接的拆卸和维修；

3)含水率传感器采用单电极结构，内外表面光滑，阻流减少，可降低油水对测量电极的沾污；

4)采用单片机采集前端参数信号和处理数据通讯，简化了电路，降低了器件功耗，提高了仪器的耐温耐压指标。

4.2 技术指标

外径：28 mm

耐温：125 ℃

耐压：40 MPa

流量测量范围：3～80 m3/d ±3%F.S

含水测量范围：50%～100% ±5%

5 现场应用

L25-22是大庆油田一口生产井，该井化验含水85%，日产量为9.1 m3/d，产油1.15 m3/d，共9个生产层位。为了解各产层的真实产液量和含水情况，利用阻抗式遥测多参数组合测井仪对该井进行测试。测量结果显示，该井SⅡ1-2层位为合层点，测得产液量为8.8 m3/d，混相值为3 974 Hz，全水值为3 517 Hz。根据全水值和混相值计算含水指数为0.885，通过查图版解释合层含水为85.5%，图7为混相值测量曲线，图8为全水值测量曲线。

图7 混相测量曲线

图8 全水测量曲线

该井其他各层位测量结果见表1。9个产层中，SⅡ3、SⅡ12、PⅠ2.2层不产液，PⅠ1.2、PⅠ2.1层为主要产液层，SⅡ11层含水低于80%。测井过程中，该阻抗式遥测多参数组测井仪供电和信号输出稳定，仪器井下动作可靠，仪器能够准确的反应各个层位的产液和含水状况，特别是对中高含水测量有较好的分辨率。

表1 L25-22井产液剖面测井成果表

6 结 论

1)通过对仪器结构、单电极阻抗传感器和遥测电路的单芯化连接和传输设计，实现了仪器功能短接之间的快速连接，减少了油泡和附着物对含水电极的干扰，解决了单芯供电多路信号同步传输的问题。

2)通过现场应用表明组合测井仪结构紧凑，快速连接便于仪器的拆卸和维修，单电极含水传感器减少了含水测量的沾污，两个参数短接之间信号通讯可靠，仪器能够满足国内主要油田产出剖面高含水测量的需要。