0 引言

      随着油田的不断开发，单一的同位素吸水剖面测井已不能满足地质部门对注入剖面测试的要求。目前，常采用注入剖面组合测井进行多参数测试并综合解释[1]，流量计是组合仪中重要的仪器。常用于注入剖面测试的流量计有涡轮流量计、靶式流量计、电磁流量计、中子氧活化测井仪及新近开发研制的示踪流量计。各种流量测量仪器由于测量方法及传感器不同，其应用范围也不同。在不同测试环境下需选用合适的仪器，才能取得良好的测试结果，为地质部门提供准确的测试资料[2]。本文着重介绍了常用于注入剖面测试的几种流量计的原理、结构、工作方式以及应用规模、应用效果，并对其应用范围及存在的优缺点进行分析，以便给现场应用提供参考。

      1 测井原理及仪器结构

      1.1 涡轮流量计测量原理

      涡轮流量计由一个涡轮、随涡轮转动的永久磁钢、霍尔元件及相应的处理电路组成。当液体流过涡轮时，涡轮转动，磁钢也随之转动，磁钢每转动一周，霍尔元件就输出4个脉冲电讯号（因涡轮上一般装有4个磁钢），经过电路倍频处理以后，涡轮每转一圈电路输出8个脉冲。目前涡轮流量计一般都为组合测井仪中的一个功能短节，因此，该脉冲将传送到遥测电路，经遥测电路处理后传送到地面。

      试验证明流量在一定的范围内，涡轮的转速与通过涡轮的流量呈线性关系。即：

               N＝K（Q－q）        （1）

      式（1）中，N为涡轮转速；Q为产液量；q为启动排量；K为仪器常数，其物理意义为单位体积的流体流过涡轮时，涡轮转动的圈数[Hz/（m3/d）]。

      q值意味着涡轮的惰性，说明只有流量大于q时，涡轮才开始转动。值得注意的是，以上公式只适用于单相流体，在多相流中，由于存在滑脱速度的影响，涡轮转速与含水率有关，式（1）不成立。

      1.2 靶式流量计测量原理及结构

      1.2.1 测量原理

      靶式流量计测量原理示意图如图1所示。由于测量靶截面积大于仪器外径截面积，井筒中流动的液体经过靶时，流速方向会发生改变。在一定的流量范围内，流体流速的改变过程可以看作是绝热过程。流体流动将在靶前、靶后产生压差，压差的大小取决于流体流量。利用差压传感器检测此压差，即可确定出井筒内液体的流量，进而计算出各层段的吸入量。

      图1中，对于截面I－－I和截面Ⅱ－－Ⅱ ，流体满足下列方程：

      伯努力方程：   （2）

      连续性方程：Q＝A1v1＝A2v2                          （3）

      式（2）、式（3）中，p1为截面I－－I处压力；p2为截面Ⅱ－－Ⅱ处压力；v1为截面I－－I处流体流速；v2为截面Ⅱ－－Ⅱ处流体流速；ρ为流体密度；Q为流体流量；H为截面I－－I距离截面Ⅱ－－Ⅱ的高度；A1为截面I－－I处流体流通截面积；A2为截面Ⅱ－－Ⅱ处流体流通截面积。

      利用方程（2）和（3），压差可以表示为

         （4）

      在上述分析中忽略了液体流动摩擦所引起的压力损失[3]。为校正其它因素（如粘度）所产生的影响，需引入校正因子λ，因此：

                  （5）

     令：

      整理得：△p＝aQ2+C                                   （6）

      式中，α 为流量系数；C为常数。流量系数主要相关于流体密度和粘度[4]。

      1.2.2 仪器结构

      井下仪器靶式流量计结构示意图如图2所示，自上而下依次为过芯加重、上扶正器、磁性定位器和靶式流量计。其中靶式流量计是仪器测量注入流量的核心部分，它主要由差压传感器、电路、测量靶总承等部分组成，在结构设计方面实现了传感器与电路的一体化；测量靶总承是由扶正器弹簧片、连杆、滑杆、靶片组成的连动机构，靶片用不锈钢材料精密加工而成，具有较高的一致性，靶片的收放由扶正器弹簧片的张开和收起来控制。在仪器通过油管下井过程中，靶片完全收起；进入套管后，靶片随着扶正器弹簧片的张开而打开。当靶片打开至最大位置时，扶正器弹簧片至扶正状态仍有2～4mm的自由行程，这样可以避免因井径变化造成靶的状态发生改变。过芯加重帮助仪器顺利下井。上扶正器使仪器在套管内保持居中。磁性定位器测量接箍信号，用于校正电缆深度。

      1.3 电磁流量计的测量原理及其结构

      1.3.1 测量原理

      利用电磁感应原理，电磁流量计一般被用来测量流过管道中导电流体的流量。不管流体的性质如何，只要其具有微弱的导电性（电导率大于8x10-5S/m）即可进行测量。通常油田三采注入的聚合物混合液的导电性能良好，符合这种测量条件。

      根据电磁感应原理，当导电流体在磁场强度为B的磁场中以速度v运动时，切割磁力线而产生电场E：

                                          （7）

      则在线形长度为l的α和b两点之间产生感应电动势εab：

                                    （8）

      故有：             （9）

      α、b两接收电极之间的距离l为已知常数，B为已知的磁场强度。故εαb是v的单调函数，εab随v变化而变化。而瞬时流量Q等于流速v与导管截面积S（常数）的乘积，因此有：

      Q＝K x εab                                  （10）

      式（10）中，K为仪器常数，只要通过电路测得，即可得到对应的流量Q。

      1.3.2 仪器结构

      图3给出了外流式电磁流量计的结构。井下仪器自上而下依次为过芯加重、上扶正器、电磁流量计（含磁性定位器）和下扶正器。其中电磁流量计是仪器测量注入流量的核心部份，在结构设计方面实现了传感器和电路的一体化。过芯加重帮助仪器顺利下井，上、下扶正器保持仪器正常工作时在套管内居中。使用磁性定位器后可根据套管接箍深度校正仪器深度。内流式电磁流量计采用集流的方式，流体从仪器内部流过，测量原理与外流式相同。

      1.4 其它注入剖面测井流且计测量原理

      除常用的涡轮流量计、靶式流量计、电磁流量计外，近年开发研制了脉冲中子氧活化及示踪流量计测井技术。脉冲氧活化是通过测量时间谱，计算被活化的水流从种子源流到探测器的时间，从而确定流体流量的一种方法。而示踪流量计先释放示踪剂，当示踪剂靠近探测器时，探测器会产生相应的输出信号。如果具有一定移动速度的示踪剂经过具有一定距离的两个探测器时，那么在两个探测器上就会按照先后顺序产生各自的输出信号，相关法测量原理示意图如图4所示。由于两个探测器的间距很小，所以两个探测器在输出曲线上应该具有很好的相似性，近似地认为两个探测器的输出信号是相同的，只有其中一路信号相对于另外一路延迟了一定时间，这一延迟时间可以用相关算法计算出来。由于两个探测器的间距是一定的，从而容易计算出是终极的移动速度。

      2 各种流量计存在问题及其应用环境

      涡轮流量计在注入剖面测井中是比较常用的一种，它的测量范围可达500m3/d以上，而采用连续测井又可弥补启动排量的问题。涡轮流量计耐温指标也较高，很容易达到155℃，甚至175℃，但由于涡轮是转动部件，因此测井过程中比较容易出现问题。根据以往的经验，流量计需放到组合仪的最下端，而加重采用过芯加重，但在实验过程中发现流量计放到最下端有很多缺点：第一损坏率高，即使将下扶正器与流量计合二为一，也无法更有效地提高其可靠性；第二由于井温测井要求下测到遇阻，而水井最底部又是污物较为集中的地方，涡轮经常受到粘污，从而影响测井成功率。即使是采用下挂加重的方式，也不能完全解决涡轮流量计井下工作可靠性的问题，而且涡轮流量计只能测合层流体流量，而无法测管外流体流量。

      靶式流量计目前已在大庆油田投入现场应用，取得了较好的地质效果。该仪器不仅可以较准确地测量注聚合物井的分层注入量，还可以应用到适合测试条件的注水井中。仪器性能可靠、重复性较好、测井成功率高，测井资料能够较真实地反映井下动态情况，但该仪器耐冲击力较弱，温度只能达到85℃，高温性能较差，同时也只能测合层流体流量，无法测管外流。

      电磁流量计在全国各油田都有应用，应用效果也比较好，仪器可靠、耐用，准确性和一致性都比较好，测井时效高，测井资料受到好评。但电磁流量计存在怕死油，连续测量效果不好，分辨率低等缺点，同涡轮流量计与靶式流量计一样，也只能测合层流体流量，不能测管外流。

      目前能够对配注井分层注水量进行测量的（即测管外流）主要方法是同位素示踪测井[5]，中子氧活化测井及示踪流量测井。但是随着油田的不断开发，由于长时间受水体的冲刷，在井内射开地层部位形成大孔道，当同位素示踪剂到达后直接进入地层深处，使同位素示踪测井曲线异常显示减弱，造成解释误差；另外，此方法还受到深穿透射孔、压裂、窜槽、漏失以及注聚井流体粘度的影响，因此对部分井来说，同位素示踪测井已经不能满足注入剖面测井的需求。中子氧活化测井是近年开发出来的新的测井方法，这种测井方法能够对油管外的分层注水量进行准确测量，但这种方法的测量下限较高（约为10m3/d，最低7m3/d），而且仪器成本高，技术难度也较大，限制了其使用规模。

      示踪流量计目前在一定范围内得到了应用，测量范围3m3/d～300m3/d，仪器重复性好，可靠性较高，测井成功率也高。而且仪器成本相对较低，上高温也较容易。目前，该仪器温度指标已达到175℃。这样有利于大面积推广应用，特别是对同位素释放器稍加改进，该仪器就既可测同位素吸水剖面，又可进行示踪流量测量。示踪流量计的缺点在于测量上限有限，不能连续测量。

      3 结论

      综上所述，本文提出以下观点以供参考：

      （1）注入剖面应采用多参数组合测量，涡轮流量计、靶式流量计、电磁流量计即使不能同时下井，也可随时互换，针对不同的井，采用不同流量计：如井较脏，就应采用靶式流量计，三元复合驱井也应采用靶式流量计或电磁流量计，但温度较高的井应采用涡轮流量计或电磁流量计。

      （2）中子氧活化测井仪根据其自身的特点，应单独下井，不应形成组合仪。

      （3）注入剖面组合仪中同位素示踪测井仪应该为示踪流量计，同时对释放器进行改进，使该仪器既可测吸水剖面又可测油管外流量，取得事半功倍的效果。

      参考文献

      [1] 谢荣华．生产测井技术应用与进展[M]．北京：石油工业出版社，1998
      [2] 乔贺堂．生产测井原理及资料解释[M]．北京：石油工业出版社，1992
      [3] 李良贸，张以民．常用测量仪表指南[M]．北京：中国计量出版社，1988
      [4] 苏彦勋，李金海．流量计量[M]．北京：中国计量出版社，1991
      [5] 姜文达．放射性同位素示踪注水剖面测井[M]．北京：石油工业出版社，1997

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