摘要:隨著油田精細(xì)化管理和第四代智能分注技術(shù)的普及，單層小方量注人的計量、調(diào)節(jié)顯得尤為重要，同時還要滿足低功耗長壽命的使用要求。目前，井下分注儀的孔板流量計及調(diào)節(jié)閥很難滿足5m3/d的測調(diào)要求。根據(jù)井下測調(diào)原理，對影響小方量測調(diào)的技術(shù)難點進(jìn)行了分析,針對性地設(shè)計了多級偏心孔板流量計，使過流面積增加69%，并滿足5m3/d的起排要求;優(yōu)化改進(jìn)了調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)和測調(diào)邏輯，使調(diào)節(jié)閥滿足2.67m3/d~111.35m3/d的調(diào)節(jié)需求，且測調(diào)效率更高，防堵塞能力更好。通過理論計算、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場驗證，證明該效果良好，滿足了小方量測調(diào)的工藝要求。
0引言
注水驅(qū)油是國內(nèi)油藏開采的重要手段，是保持油層壓力，實現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效方法”。常規(guī)的工作筒加測調(diào)儀的調(diào)配方式需要占用大量人力物力，隨著注水規(guī)模的.擴(kuò)大，工作量逐年增多，現(xiàn)場人員的測調(diào)能力已達(dá)極限。因此，隨著數(shù)字化油田建設(shè)方向的提出和大數(shù)據(jù)、人工智能領(lǐng)域的飛速發(fā)展，第四代智能分層注水技術(shù)及配套儀器開始飛速發(fā)展。
智能分注技術(shù)的核心是井下注水流量的正確測量和調(diào)控。對纜控智能分注儀中的電磁流量計和調(diào)節(jié)閥控制算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn);針對海上油田大排量注人的特點，對大排量渦街流量計和多級調(diào)節(jié)閥進(jìn)行";對井下孔板流量計測量方法和自動校準(zhǔn)算法進(jìn)行。
油田大部分注水井單層日注水量為5m3~50m3無纜智能分注系統(tǒng)主要在油田應(yīng)用，由于采用電池供電，對低功耗性能要求很高，同時考慮到回注水水質(zhì)較差容易對電磁和超聲流量計造成影響，儀器內(nèi)部一般集成孔板差壓式流量計進(jìn)行測量，針對小方量流量的測量一直是一個難點。同時由于調(diào)節(jié)閥的問題，小方量的精確調(diào)節(jié)也難度極大，并且整機(jī)流道存在很大的堵塞風(fēng)險。針對孔板流量計和無纜智能分注系統(tǒng)，如何正確進(jìn)行小方量測量、小方量調(diào)節(jié)和流道防堵，已經(jīng)成為迫在眉睫的問題。
1小方量孔板差壓流量計設(shè)計
1.1孔板差壓流量原理
孔板差壓式流量計利用節(jié)流元件的前后壓差來進(jìn)行流量的測量，節(jié)流元件為安裝在圓形管內(nèi)部的薄壁帶孔圓板，是工業(yè)上使用最多的流量計之一，體積流量可用式(1)計算。
式(1)中,C一流出系數(shù);ε一膨脹系數(shù);D一管道內(nèi)徑(m);d一節(jié)流孔徑(m);△p一壓力差(Pa);ρ1一流體密度(kg1m3);β一直徑比;qm一質(zhì)量流量(kg/s)。
其中，流出系數(shù)C取決于雷諾數(shù)Re,而雷諾數(shù)Re取決于qm，C可利用迭代法計算或從實驗數(shù)據(jù)中獲得。
1.2現(xiàn)有無纜智能分注儀流量計結(jié)構(gòu)
現(xiàn)有無纜智能分注儀調(diào)節(jié)閥和流量計組件在下接頭的不同安裝孔中平行放置。注水時流體從進(jìn)水口進(jìn)人流量計組件，被孔板節(jié)流后通過流量管和過流孔進(jìn)人調(diào)節(jié)閥組件,再從調(diào)節(jié)閥組件閥桿周圍的環(huán)空空間流向閥套和出水口進(jìn)人地層。整個流道較為復(fù)雜，孔板節(jié)流之后產(chǎn)生的二次壓損較大，且閥桿環(huán)空間隙僅為3mm，很容易發(fā)生堵塞，尤其是停注時流體不再運動，產(chǎn)生的泥沙堆積還容易造成運動部件的卡死。
為適應(yīng)井下高壓及應(yīng)對瞬時壓變的情況，井下儀器一般采用60MPa量程的表壓傳感器進(jìn)行孔前孔后壓的測量,并計算壓力差值。經(jīng)過實驗證明，能夠分辨的最小壓力差值約為0.02MPa。
孔板孔徑為5mm，流量管內(nèi)徑為13mm。根據(jù)式(1)計算可知，在5m3/d的小方量下，產(chǎn)生的節(jié)流壓差僅為0.0063MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最小壓差分辨值。在0.02MPa時，注入方量達(dá)到了8.9m3/d。
1.3多級偏心孔板流量計設(shè)計及實驗
孔板差壓流量計的根本原理在于形成節(jié)流壓差，針對無纜智能分注儀的結(jié)構(gòu)特點，重新設(shè)計了多級偏心孔板結(jié)構(gòu)。流量管內(nèi)徑為13mm，采用5級偏心孔板，節(jié)流孔徑6.5mm，偏心距3mm，孔板間距10mm。相鄰孔板節(jié)流孔成交錯放置，使流體經(jīng)過時被迫改變流向，增加節(jié)流效果。采用FlowSimulation進(jìn)行有限元流體仿真計算，環(huán)境壓力為大氣壓，流體介質(zhì)為水，溫度為20.5℃，水量為5m/d。計算結(jié)果顯示節(jié)流前壓力為0.1228MPa，節(jié)流后壓力為0.1007MPa，節(jié)流壓差為0.0221MPa，滿足最小壓差要求，且流道通徑變?yōu)?.5mm，過流面積增大了69%。利用實驗工裝對多種孔板進(jìn)行測試，結(jié)果表明，綜合考慮過流面積及節(jié)流效果，5級偏心孔板差壓流量計效果最好，實測5m3/d時節(jié)流壓差約為0.03MPa,滿足使用要求。仿真及實驗結(jié)果如圖1所示。
1.4防堵塞一體化流量調(diào)節(jié)閥設(shè)計
為解決現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥和流量計存在的流道復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥過流環(huán)空尺寸小帶來的堵塞和沉積問題，結(jié)合偏心孔板差壓流量計的結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計了一體化流量調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。儀器下井時左端在上右端在下，流體從下端進(jìn)人，經(jīng)過偏心孔板流量計組件后通過調(diào)節(jié)閥閥芯和閥套,直接從出水口進(jìn)人地層。調(diào)節(jié)閥采用平衡壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，閥芯上端設(shè)置導(dǎo)壓孔引入管內(nèi)壓力，使得閥芯上端和下端壓力平衡，降低調(diào)節(jié)阻力。調(diào)節(jié)閥采用絲杠傳動機(jī)構(gòu)，閥芯內(nèi)置絲杠螺母，傳動絲杠采用密封圈進(jìn)行組合密封，尾端采用推力軸承承載壓差力，可滿足60MPa的使用要求。節(jié)流孔板后端為直通通道，減小堵塞風(fēng)險。停注時泥沙自動下落，不存在沉積風(fēng)險。通過樣機(jī)實驗測得，該一體化流量調(diào)節(jié)閥60MPa環(huán)境壓力下最大調(diào)節(jié)扭矩為1.8N·m。
2小方量調(diào)節(jié)閥改進(jìn)
2.1現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥存在問題
井下智能分注儀所采用的調(diào)節(jié)閥多為柱塞式，主要有以下原因:
1)分注儀在調(diào)節(jié)閥全關(guān)狀態(tài)下，要求能夠承受25MPa.的內(nèi)外壓差不滲漏。柱塞式調(diào)節(jié)閥在完全關(guān)死時，可在閥芯關(guān)死位置設(shè)計密封結(jié)構(gòu)，如橡膠0形圈、格萊圈、泛塞封等，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的高壓密封效果。
2)柱塞式調(diào)節(jié)閥在閥芯兩側(cè)可實現(xiàn)平衡壓結(jié)構(gòu)，并利用絲杠等傳動機(jī)構(gòu)降低調(diào)節(jié)扭矩，降低電機(jī)選型的要求和.調(diào)節(jié)電流。
3)柱塞式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)行程長，能夠較為精確地控制開度大小，進(jìn)而實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。
柱塞式調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分主要由閥芯和閥套組成，一般采用司太立合金或氧化鋯陶瓷制作。合金是一種能耐各種類型磨損、腐蝕以及高溫氧化的硬質(zhì)合金(9),，是閥芯閥桿的理想材料;氧化鋯陶瓷具備優(yōu)異的高韌性、高硬度特征，在石油行業(yè)中經(jīng)常作為耐沖刷、耐磨及絕緣材料來使用。為保證運動順暢，閥芯閥套之間采用間隙配合，這也使得兩者之間存在一定的環(huán)形縫隙，導(dǎo)致閥芯一但脫離密封部件，即便還沒有打開出水口也會產(chǎn)生一定的液體漏失，漏失量可用式(2)計算，其中Cd為流出系數(shù),取經(jīng)驗值0.6。
式(2)中，Q一漏失水量(m3/d);Op-壓力差值(MPa);S一漏失面積(mm2)。
以常用的12mm直徑閥芯為例，閥套尺寸為φ12+0.3+0.10，閥芯尺寸為φ12-0.10-0.05，最大漏失面積為3.77mm2，1MPa壓差下計算最大漏失量為8.74m'/d，實際批量測試表明在1MPa注水壓差下，調(diào)節(jié)閥漏失量最大可達(dá)8.3m3/d,使得此水量以下的流量調(diào)節(jié)完全不可能實現(xiàn)。
此外，現(xiàn)有閥套的調(diào)節(jié)口多為長條形、三角形或階梯形，對于20m3/d以上的流量調(diào)節(jié)具有較好的效果，但對于小方量的調(diào)節(jié)精度不夠。開度值一般依靠安裝在絲杠上的磁鋼以及對應(yīng)的霍爾傳感器進(jìn)行計數(shù)，為防止磁場干擾造成丟點，最多只能安裝6個磁鋼，全行程計數(shù)值為72個，調(diào)節(jié)有效行程計數(shù)值僅為48個，分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足小方量的調(diào)節(jié)需求。
2.2閥芯閥套優(yōu)化設(shè)計
解決閥芯閥套的漏失問題根本在于減小配合間隙，但由于調(diào)節(jié)閥軸向零部件較多，且存在多個密封配合，累計同軸度誤差很容易造成運動卡阻和偏磨。經(jīng)過大量實驗和計算，最終確定優(yōu)化設(shè)計方案如下:
1)閥芯閥套配合采用H8/f7精度等級，閥芯外徑尺寸范圍為φ12-0.016-0.034，閥套內(nèi)徑尺寸范圍為φ12+0.0270,最大漏失面積為1.15mm2，1MPa壓差下計算最大漏失量為2.67m3/d。
2)為避免偏磨和運動卡阻，將閥套外圓與安裝孔的單邊間隙調(diào)整為0.07mm~0.11mm,達(dá)到閥套與閥芯緊密配合，但相對于外側(cè)安裝件為浮動安裝的效果。
3)閥套兩端安裝的密封件采用銅粉填充聚四氟乙烯材質(zhì)制作而成的矩形密封圈，以適應(yīng)閥套外圓與安裝件之間較大的密封間隙，保證密封效果。矩形圈與外側(cè)安裝件和閥芯成微過盈壓縮配合，壓縮率為18.4%，實測可滿足35MPa的長期密封要求。
2.3出水口形狀優(yōu)化
為了獲得更好的調(diào)節(jié)效果，對閥套出水口形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。如圖3中(a)所示，前端68%行程為小方量調(diào)節(jié)段，采用雙曲線、類三角形形狀，在小開度時面積變化率較小，能夠獲得更好的調(diào)節(jié)精度。在中開度時面積變化率稍大，以獲得更快的響應(yīng)速度。后端32%行程為調(diào)節(jié)+解堵段，采用矩形形狀設(shè)計。當(dāng)發(fā)生疑似出水口堵塞,注水困難的情況時將調(diào)節(jié)閥全開，此時出水口通徑變大，,使泥沙和異物能夠被水流沖出，實現(xiàn)解堵。同時較大的開口配合大孔徑多級偏心孔板流量計，還可以適用調(diào)剖劑等較大顆粒物的注入作業(yè)。
設(shè)注水壓差為1MPa，根據(jù)式(2)進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如圖3中(b)所示。當(dāng)開度小于等于25%時，出水口開口面積小于閥芯間隙的1.15mm2，此時閥芯泄漏占主導(dǎo)因素，流量維持2.67m3/d不變;當(dāng)開度小于等于68%時,處于小方量調(diào)節(jié)區(qū)間，出水量隨開度緩慢上漲，流量調(diào)節(jié)范圍為2.67m3/d~20.59m3/d;當(dāng)開度大于68%~100%時，處于調(diào)節(jié)解堵區(qū)間，流量調(diào)節(jié)范圍為20.59m3/d~111.35m3/d。
可見，優(yōu)化設(shè)計后的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)能夠滿足2.67m3/d~111.35m3/d的流量調(diào)節(jié)需求，且在20.59m3/d以下具備更為精確的調(diào)節(jié)特性。配合多級偏心孔板流量計使用，能實現(xiàn)小流量的精度高測調(diào)功能，且具備很強的防堵塞能力及更廣泛的工藝適用性。
2.4開度計數(shù)方式及自動測調(diào)算法優(yōu)化
為了解決開度計數(shù)分辨率不足的問題，將霍爾傳感器和磁鋼的安裝位置從絲杠調(diào)整到了減速電機(jī)的尾端。調(diào)節(jié)閥的減速電機(jī)為直流有刷高溫電機(jī)和行星減速箱兩部分組成，減速比為1526:1，磁鋼數(shù)量為2。理論有效開度計數(shù)值從48個增加到24416個，分辨率大大增加。同時，通過對開度零點進(jìn)行精確校正，配合計數(shù)值清零累加的方式，能夠很好地降低計數(shù)值誤差的影響。
分層注水時地面管線通常采用恒壓模式，注水壓差基本恒定。優(yōu)化后的測調(diào)邏輯如圖4所示。生產(chǎn)時將1MPa~3MPa注水壓差的多組不同開度對應(yīng)流量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算后，形成數(shù)據(jù)表格預(yù)置在儀器內(nèi)部存儲器中，并對儀器開度零點進(jìn)行校正。一般來說井下儀流量調(diào)配精度要求為1%F.S，地面控制設(shè)備對井下分注儀下發(fā)測調(diào)命令并給予目標(biāo)流量值，之后井下儀讀取內(nèi)外壓并計算注水壓差，選擇與該壓差值最接近的預(yù)置數(shù)據(jù)表格作為測調(diào)依據(jù)。查詢表格確定目標(biāo)流量對應(yīng)的開度值并進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，這樣能夠快速定位目標(biāo)開度，縮短調(diào)節(jié)時間，減少運動部件動作次數(shù)，降低電能消耗，延長儀器壽命。之后對比目標(biāo)流量與當(dāng)前測得的流量值，根據(jù)流量差值大小確定不同的調(diào)節(jié)步長，直到滿足±1%F·S的精度要求。同時，若同一調(diào)節(jié)步長連續(xù)4次都不能滿足要求，則采用更小的步長進(jìn)行調(diào)節(jié)或停止調(diào)節(jié)。
3總結(jié)及現(xiàn)場試驗
針對現(xiàn)有的井下智能分注儀差壓流量計和調(diào)節(jié)閥不能滿足小方量測調(diào)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了流量計節(jié)流壓差不夠，調(diào)節(jié)閥芯漏失量過大，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度不足的問題。針對以上問題設(shè)計了多級偏心孔板差壓流量計，過流面積增大69%，起排量降低到5m3/d以下。改進(jìn)了調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)并優(yōu)化配合間隙，對注水孔形狀進(jìn)行優(yōu)化，使調(diào)節(jié)閥理論.上能夠滿足2.67m3/d~111.35m3/d的調(diào)節(jié)需求，并在20m3/d以下具備更好的調(diào)節(jié)特性。調(diào)節(jié)閥流道及結(jié)構(gòu)設(shè)計具備防堵、防沉積能力，滿足多種作業(yè)需求。對開度計數(shù)方式和測調(diào)算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提升調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)分辨率,縮短動作時間，延長了儀器壽命。
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