[科普中国]-涡轮流量测井仪

涡轮流量测井仪，在钻孔中应用的一种最经典的流量仪。涡轮在流动的流体推动下会发生转动，转速和流体的流速成比例。测量涡轮的转速就可以确定流速。

流量测井仪流量测井仪是一种测定钻孔中各不同深度的横截面上的纵向流量的仪器。从1960年我国第一台流量测井仪问世以来,几经改进,已日趋完善。先期的流量测井仪只能用之于点测,到1974年时已可用之于连续测量,并获得了比较成功的资料,MDS-I型仪器除了可用于点测和连续测量之外,还可同时进行井径测量。这样,就能够消除井径和转速分别测量时所产生的深度误差,提高了资料的解释精度,同时,有可能在施测过程中及时将转速讯号直接转换为流量讯号,使资料更直观,更易于现场分析,加强施测效果。流量测井仪包括井上和井下两个部分,其间用电缆连接。井下部分主要由讯号发生器,保护装置及定位装置组成,定位装置用来使探头的位置大体上居于过水断面的中心部分。井上部分包括供电电源、讯号接收、记录等部分。1

流量测井仪仍多采用叶轮来产生讯号,对其它形式如热敏、速度水头的测量也曾进行过试验,但尚未取得较好的效果。利用叶轮虽然存在转动惯性问题,但由于钻孔中的纵向水流一般不会出现频繁的、方向突然相反的变化,同时由于叶轮重量校轻,惯量较小,水的枯滞阻力很快会克服掉叶轮的转动惯性的影响,所以从较长期的实践看来,叶轮的转动惯性对测量成果的影响甚微,可忽略不计。1

叶轮的制作除考虑坚固耐用外,重心必须通过转动轴,以利提高灵敏度和克服惯性。由于叶轮的转速直接反映了它的直径范田内的水流速度的大小,故叶轮的直径不宜过小。制作叶轮的材料的选择最好使叶轮的比重接近于1,这样有利于减少轴承与轴尖之间的正压力,从而提高叶轮的灵敏度,减轻轴及轴承的磨损。如果主要从提高仪器的灵敏度,当水是从下向上流动时叶轮的材料比重宜稍大于水的比重;反之,宜稍小于水的比重同时,还要求叶轮上部和下部尽量能对称。叶片的角度一般多采用45°,当水流流速很高时,可以增大叶片倾角。叶轮的各个叶片在平面上的投影应组成一完整的圆,不宜有空缺或重叠。叶轮转动时讯号的产生和传递方式可分为接触式、光电式及水阻阻差式、磁簧式等。1

流量测井仪测量方法流量测井仪仍多采用叶轮轴旋转来产生讯号。其他如用热敏、电磁、速度水头、中子示踪等产生讯号的方法,在流量测井仪中也都被研究和应用过,且各有其优点。但总的说来,其性能都不如用旋转叶轮产生的讯号稳定可靠和应用范围较广。旋转叶轮虽然也存在轴摩擦阻力、转动惯性等缺点,但可以通过加工工艺使摩擦阻力减到最低限度,水的阻尼也可以基本克服叶轮惯性,因而仍能获得较满意的效果。

流量测井是测量钻井中的纵向水流流量。因此,流量测井必须在有纵向水流的钻井(如抽水井、注水井、自溢井或揭穿两个以上不同水位的含水层的井)中进行。2

为了使流量测井的成果能真实地反映钻孔中各含水层的自然渗透性能,钻孔在进行正式抽(注)水和流量测井以前,必须采用多种有效方法(如活塞洗井法、反复抽停洗井法、液化CO2洗井法、化学剂洗井法等)对井壁反复清洗,直至水色澄清,重新开泵时也无浑浊现象时为止。必须牢记,只有彻底清除了钻进时岩粉或泥浆对井壁堵塞作用的影响,才能保证抽(注)水试验和流量测井成果的正确性,切忽掉以轻心。

钻孔结构和抽(注)水设备的规格、下入深度和装配方式,必须保证井下探测器(探头)的上下方便。对井壁不安全孔段,必须用筛管护壁,媂管内壁必须光滑无阻。流量测井时如发现孔内有坍塌、掉块、缩径、堵塞等现象,必须及时处理。

施测方法有点测及连续测量两种:

(1)点测方法是在施测孔段上选择若干测点,分别将井下探测器静置在这些测点上,观测叶轮的转速。根据这些点的观测资料,可以速成转速随深度变化曲线n=f(h)。点测法的优点是施测方法和仪器设备都很简单,便于广泛应用。因此,国内外多应用此法。缺点是施测速度太慢、费时太多,只适用于揭露含水层层数不多的浅孔;而且由于所获资料不连续,因而其成果质量较之连续测量成果尚有逊色。2

(2)连续测量方法是以常速(或接近常速)提升或下放井下探测器连续进行测量。直接得到的是转速幅值随深度的变化曲线L=f(h)。2

应用广泛使用的非集流式流量测井仪主要有:中国煤炭地质局物探公司生产的MDS-1型流量测井仪,上海地质仪器厂生产的SLJ-1型并中流量仪,武汉勘察研究总院生产的RM-2型地下水流速仪(测量范围0.2~80mL/s,测量深度为1000m,交直流两用),重庆地质仪器厂生产的LY-1型涡轮流量测井仪,上海地学仪器研究所生产的JWL-1型涡轮流量测井仪和JDC-1型电磁流量测井仪等。3

上海地学仪器研究所生产的JWL-1型涡轮流量测井仪与数字测井系统配套使用。中国煤炭地质局物探研究所改进的MDS-1型流量测井仪,除将叶轮的传感器由磁簧式传感器改为光电式传感器,克服了因磁铁吸引铁粉影响叶轮的灵敏度问题,还对地面仪器进行了改进,能同时适应模拟与数字测井系统测量。

测量技术要求(1)用于定量计算时,每12个月刻度一次流量测井仪。选择3种直径不同、长度大于5m的钢管,多次(至少3次)改变注水量,确定转速、孔径和流量之间的关系;与精度为1%的流量计比较,相差不大于2%。

(2)流量测井应由水文、测井人员共同作出设计,并按设计施工。

(3)按解决地质任务不同,可施行简易流量测井和常规流量测井。测量方式可采用点测、连续测量和定点持续测量。

(4)抽、注水前应测量井径(指流量仪不带井径测量时使用多臂井径仪)和自然条件下的流量。

(5)在每次水位降低(或抬高)时,应分别测量提升和下放时的曲线。

(6)简易流量测井可在一次水位降低(或抬高)时测量,自然条件下有井液纵向水流的钻孔可直接测量。

(7)常规流量测井应在抽(注)水量、水位稳定后测量流量,测量次数应与抽水次数一致。4

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学