小直径浮漂式密度计的设计

　　1 引言

　　环空测井[我国的大部分油田都采用 5 吋套管(即内径为124mm)和2 吋油管(最大内径为89mm)组合,最大间隙只有35mm]技术是评价井下生产动态一个极有力的工具。油田开采中的油井由自喷(用油嘴生产)转入机械采油 (抽油机开采)阶段后,抽油机将地下各油层的油气水混合液抽到地面, 再进行油水分离, 随着油层含油量的下降,如何提高抽油效率已成为各油田开采中稳产高产急待解决的重大课题。

　　国内没有能在油井环型空间测试密度的直径小于25mm的仪器,只有自喷井内起下的ф38mm 的压差式密度计。目前国外只有放射性小直径密度计(ф25mm)。用放射性测量密度的仪器, 使用时需要有防护措施, 使用也比较麻烦。

　　2 系统设计原理

　　抽油机井油套管环型空间内的流体密度的测试方法是基于阿基米德定律、虎克定律和差动变压器原理,在小直径高压的条件下,将井下流体密度变化的物 理量转换为变化的电压。根据阿基米德原理和弹簧受力公式, 设计采用浮漂的重力与流体的浮力的差作为对弹簧的拉力, 当浮漂全部浸在流体里的时候, 浮漂所受到的力可以用下式表示:

　　这个弹簧的缩回量(- ΔH),也是铁芯在差动变压器内的向上位移量, 它与差动变压器次级输出电压成正比,这个电压经过放大、压频转换得到与电压成正比的频率, 进而得出弹簧缩回量与频率的关系式：

　　差动变压器由同心分布在线圈骨架上一初级线圈 P,二个级线圈 S1 和 S2 组成, 线圈组件内有一个可自由移动的杆装磁芯(铁芯), 当铁芯在线圈内移动时, 改变了空间的磁场分布, 从而改变了初次级线圈之间的互感量,当初级线圈供给一定频率的交变电压时,次级线圈就产生了感应电动势, 随着铁芯的位置不同, 次级产生的感应电动势也不同,这样就将铁芯的位移量(既密度的变化量)转变成了电压信号 E 输出如图 1[1]。

　　小直径浮漂式密度计测试系统是由井下一次表和地面仪表组成,两者间用单芯双铠装测试电缆连接。特点是在弹簧下面悬挂一个浮漂,整个井下仪表全部 浸没在被测流体内时, 浮漂带着铁芯随同流体密度变化, 在差动变压器的输出端感应出电压信号,流体密度越大浮漂向上位移量越大。通过电子线路, 转换成频率, 由电缆传给地面仪表, 经信号处理、频压转换, 用自动记录仪记录出随井深变化的被测流体密度变化的剖面曲线,系统原理框图如图 2。

3 硬件实现

　　3.1 信号获取

　　由于市场所售的差动变压器(位移传感器)的尺寸、耐压及使用温度都不适合井下的环境,我们自己设计了这套系统, 为了保证仪器的稳定性, 所有的设计、选用的材料、器件选用耐腐蚀、耐高温、高压的。