摘要:随(sui)着油田精細(xi)化管理和第(di)四代智能分(fen)注技術的普(pǔ)及，單層小方(fang)量注人的計(ji)量、調節顯得(de)尤爲重要，同(tong)時👈還要滿足(zú)低功耗長壽(shòu)命的使用要(yào)求。目前，井下(xià)💰分注儀的 孔(kong)闆流量計 及(ji) 調節閥 很難(nan)滿足5m3/d的測調(diào)要求。根據井(jing)下測調原理(lǐ)，對影響☀️小方(fāng)量測調的技(ji)術難點進行(háng)了分析,針對(duì)性地設🌐計了(le)多級偏心孔(kong)闆🐅流量❄️計，使(shi)過流面積增(zēng)加69%，并滿⭐足5m3/d的(de)起排要求;優(yōu)化改進了調(diào)節閥結構和(hé)測調邏輯，使(shǐ)調節閥滿足(zú)2.67m3/d~111.35m3/d的調節需求(qiú)，且測調效率(lǜ)更高，防堵塞(sai)能力更好。通(tong)過理論計算(suàn)、室内試驗和(he)現場驗證，證(zhèng)明該效果良(liang)好，滿足了小(xiǎo)方量測調的(de)工藝要求。
0引(yǐn)言
　　注水驅油(yóu)是國内油藏(cáng)開采的重要(yào)手段，是保持(chí)油層壓力，實(shi)現油田高産(chan)穩産的有效(xiao)方法”。常規的(de)工作筒加測(cè)調儀的調🏃‍♂️配(pei)方🤩式需要占(zhan)用大量人力(lì)物力，随着注(zhù)水規模的.擴(kuo)大，工作量逐(zhu)年增多，現場(chǎng)人員的測調(diào)能力已達✌️極(jí)限。因此💋，随着(zhe)數字化油田(tián)建設方向的(de)提出和大數(shù)據、人工智能(néng)領域的飛速(su)發展，第四代(dai)智能分層注(zhu)水技術及配(pèi)套儀器開始(shǐ)飛速發展。
　　智(zhi)能分注技術(shu)的核心是井(jing)下注水流量(liang)的正确測量(liang)和調💜控。對纜(lǎn)控智能分注(zhu)儀中的 電磁(ci)流量計 和調(diao)節閥控制算(suan)法進行了優(you)化改進;針對(dui)海上油田大(da)排🏃量注㊙️人的(de)特點，對大排(pai)量 渦街流量(liàng)計 和多級調(diào)節閥進行";對(dui)井下孔闆流(liú)量計測量方(fang)法和自動校(xiao)準算法進行(háng)。
　　油田大部分(fèn)注水井單層(céng)日注水量爲(wei)5m3~50m3無纜智能分(fèn)注系統主要(yao)在油田應用(yòng)，由于采用電(dian)池供電，對低(di)功耗性能要(yào)求☀️很高，同時(shi)考慮到回注(zhu)水水質較差(cha)容易對電磁(ci)和🈲超聲流量(liang)計造✍️成影響(xiang)‼️，儀器内部一(yi)般集成 孔闆(pan)差壓式流量(liàng)計 進行測量(liang)，針對小方量(liàng)流量的測量(liang)一直是一個(gè)難點。同時由(you)于♋調節閥的(de)問題，小方量(liang)的精确調節(jiē)也難度極大(da)，并且整機💔流(liu)道存在很大(dà)的堵塞風險(xiǎn)。針對孔闆🌈流(liú)量計和無纜(lǎn)智能分注系(xi)統，如何正确(què)進行小方量(liàng)測量、小方量(liang)調節和流道(dao)防堵，已經成(cheng)爲迫在眉睫(jié)的🔞問題。
1小方(fang)量孔闆差壓(ya)流量計設計(jì)
1.1孔闆差壓流(liu)量原理
　　孔闆(pan)差壓式流量(liang)計利用節流(liú)元件的前後(hou)壓差來進行(háng)流量的測量(liàng)，節流元件爲(wei)安裝在圓形(xing)管内部的薄(bao)壁帶💋孔圓闆(pǎn)，是㊙️工業上使(shi)用最多的流(liú)量計之一，體(ti)積流量可用(yòng)式(1)計算。
 
　　式(1)中(zhong),C一流出系數(shu);ε一膨脹系數(shù);D一管道内徑(jing)(m);d一節流孔徑(jìng)(m);△p一壓㊙️力差(Pa);ρ1一(yī)流體密度(kg1m3);β一(yi)直徑比;qm一質(zhi)量流量🙇🏻(kg/s)。
　　其中(zhong)，流出系數C取(qǔ)決于雷諾數(shù)Re,而雷諾數Re取(qǔ)決于qm，C可利用(yong)叠代法🌈計算(suàn)或從實驗數(shù)據中獲得。
1.2現(xiàn)有無纜智能(neng)分注儀流量(liàng)計結構
　　現有(you)無纜智能分(fen)注儀調節閥(fa)和流量計組(zu)件在下接頭(tou)🔱的不同安裝(zhuāng)孔中平行放(fàng)置。注水時流(liu)體從進水口(kou)✔️進人😄流量計(ji)組件，被孔闆(pan)節流後通過(guò)流量管和過(guo)流孔進人調(diao)節閥組件,再(zai)‼️從調節閥組(zǔ)件閥杆周圍(wéi)的環🧑🏽‍🤝‍🧑🏻空空間(jian)流🔞向閥套和(he)出水口進人(rén)地層。整個流(liu)道較爲複雜(za)，孔闆節🔆流之(zhi)後産生的二(èr)次壓損🔱較大(da)，且閥杆環空(kong)間隙僅爲3mm，很(hen)❤️容易發生堵(du)塞，尤其🈲是停(tíng)注時🔴流體不(bú)🔞再運動，産生(sheng)的泥沙堆積(ji)還容易造成(chéng)運動部件的(de)卡死。
　　爲适應(ying)井下高壓及(jí)應對瞬時壓(yā)變的情況，井(jing)下儀❓器一✏️般(ban)采用60MPa量程的(de)表壓傳感器(qì)進行孔前孔(kong)後壓的測量(liàng),并計算壓力(li)差值。經過實(shí)驗證明，能夠(gou)分辨的最小(xiǎo)壓力差值約(yuē)爲0.02MPa。
　　孔闆孔徑(jìng)爲5mm，流量管内(nei)徑爲13mm。根據式(shi)(1)計算可知，在(zài)5m3/d的🌈小方量下(xia)，産生的節流(liú)壓差僅爲0.0063MPa，遠(yuǎn)遠低于最小(xiao)壓差分辨值(zhí)。在0.02MPa時，注入方(fāng)量達到了8.9m3/d。
 
1.3多(duo)級偏心孔闆(pan)流量計設計(ji)及實驗
　　孔闆(pan)差壓流量計(ji)的根本原理(li)在于形成節(jie)流壓差，針對(dui)🏃🏻無⛱️纜智能分(fèn)注儀的結構(gòu)特點，重新設(she)計了多級偏(piān)心孔闆結構(gòu)。流量管🚶内徑(jing)爲13mm，采用5級偏(piān)心孔闆，節流(liu)孔徑6.5mm，偏心距(jù)3mm，孔闆間距10mm。相(xiang)鄰孔闆💚節流(liú)孔成交錯放(fàng)置，使流體經(jing)過時被迫改(gǎi)變流向，增加(jiā)節流效果。采(cǎi)用FlowSimulation進行有限(xian)元流體仿真(zhen)計算，環境壓(yā)力爲大🔴氣壓(ya)，流體介☔質爲(wei)水，溫度爲20.5℃，水(shui)量爲5m/d。計算結(jie)果顯示節流(liú)前壓👉力爲0.1228MPa，節(jie)流後壓力爲(wei)0.1007MPa，節流壓差爲(wèi)0.0221MPa，滿足最小壓(ya)差要求，且流(liu)道通徑變爲(wei)6.5mm，過流面積增(zeng)大了69%。利用實(shí)驗工裝對多(duo)種孔闆進行(háng)測試，結果表(biǎo)明📞，綜合考慮(lǜ)過流面積及(ji)👨‍❤️‍👨節流效果，5級(ji)偏心孔闆🤟差(cha)壓流量計效(xiào)果最好，實測(ce)5m3/d時節流壓差(cha)約爲0.03MPa,滿足使(shi)用要求。仿真(zhēn)及實驗結果(guo)如圖1所示。
1.4防(fang)堵塞一體化(huà)流量調節閥(fa)設計
　　爲解決(jué)現有調節閥(fa)和流量計存(cun)在的流道複(fu)雜，調節閥🎯過(guo)流環💁空尺寸(cun)小帶來的堵(du)塞和沉積問(wèn)題，結合偏心(xin)孔闆差壓流(liú)量計的結構(gòu)方案，設計了(le)一體化流量(liang)調節閥，其結(jie)構如圖2所👈示(shi)。儀器下井時(shi)左端在上右(yòu)端在下，流體(tǐ)從下端進人(rén)，經過偏心孔(kong)闆流量計組(zǔ)件後通過調(diào)節閥🏃🏻‍♂️閥芯和(he)閥套🌍,直接從(cóng)出水口進人(rén)地層🔴。調節閥(fá)采用平衡壓(ya)結構設計，閥(fa)芯上端設置(zhì)導🈲壓孔引入(rù)管内壓力，使(shǐ)得閥芯上端(duan)和下端壓力(li)平衡，降低調(diào)🈲節阻力。調節(jie)閥采用🏃🏻‍♂️絲杠(gang)傳動機構，閥(fa)芯内置絲杠(gàng)螺🥵母，傳動🎯絲(sī)杠采用密封(fēng)😍圈進🔅行組合(he)密封，尾端采(cǎi)用推力軸承(cheng)承載壓♻️差力(li)，可滿💛足60MPa的使(shǐ)用要求。節流(liu)孔闆後端爲(wèi)直通通道，減(jiǎn)小堵塞風險(xian)。停注時泥沙(sha)自動下落，不(bu)存在沉積風(feng)險。通過樣機(jī)實驗測得，該(gāi)一體化流量(liang)調節閥60MPa環境(jìng)壓力下最大(dà)調節扭矩爲(wèi)1.8N·m。
 
2小方量調節(jie)閥改進
2.1現有(you)調節閥存在(zai)問題
　　井下智(zhi)能分注儀所(suo)采用的調節(jie)閥多爲柱塞(sai)式，主🥰要有以(yǐ)下原因:
1)分注(zhù)儀在調節閥(fá)全關狀态下(xià)，要求能夠承(cheng)受25MPa.的内外壓(ya)✔️差不滲漏。柱(zhu)塞式調節閥(fa)在完全關死(si)時，可在閥芯(xin)關死🏃🏻位置設(she)計密封✂️結構(gòu)，如橡膠0形圈(quān)、格萊圈、泛塞(sāi)封等，能夠實(shí)現較好的高(gāo)♈壓密封💰效果(guo)。
2)柱塞式調節(jie)閥在閥芯兩(liang)側可實現平(píng)衡壓結構，并(bing)利用絲⭕杠💯等(deng)傳動機構降(jiàng)低調節扭矩(ju)，降低電機選(xuan)型的要求和(hé).調節電流。
3)柱(zhu)塞式調節閥(fá)調節行程長(zhang)，能夠較爲精(jing)确地控制♍開(kai)度大⛹🏻‍♀️小，進而(ér)實現流量的(de)調節。
　　柱塞式(shi)調節閥的調(diào)節部分主要(yào)由閥芯和閥(fa)套組成，一般(ban)采🔞用司太立(lì)合金或氧化(huà)锆陶瓷制作(zuò)。合金⛹🏻‍♀️是一種(zhǒng)能耐各種類(lèi)型磨損、腐蝕(shí)以及高溫氧(yǎng)化的硬質合(he)🎯金(9),，是閥芯閥(fa)杆❌的理想材(cái)料;氧化锆陶(tao)瓷具備優異(yì)的高韌性、高(gāo)🧡硬度特征，在(zai)石油行🥰業中(zhong)經常作爲耐(nai)沖刷、耐磨及(ji)絕緣☁️材料來(lái)使用。爲保證(zhèng)運動順暢，閥(fa)芯閥套之間(jiān)采用間隙✉️配(pèi)合，這也使得(de)兩者之間存(cun)在一定的環(huan)形縫隙，導緻(zhì)閥芯一但脫(tuō)離密🈲封部件(jiàn)，即便還沒有(you)打開出水口(kou)也會産生一(yī)定的液體漏(lou)失，漏失量可(ke)用式(2)計算，其(qí)中Cd爲流出系(xi)數,取經驗值(zhi)0.6。
 
式(2)中，Q一漏失(shi)水量(m3/d);Op-壓力差(cha)值(MPa);S一漏失面(miàn)積(mm2)。
　　以常用的(de)12mm直徑閥芯爲(wei)例，閥套尺寸(cun)爲φ12+0.3+0.10，閥芯尺寸(cun)爲🔴φ12-0.10-0.05，最大漏失(shi)面💁積爲3.77mm2，1MPa壓差(chà)下計算最大(da)漏失量爲8.74m'/d，實(shi)際⭐批量測試(shi)表明在1MPa注水(shui)壓差下，調節(jiē)閥漏失量最(zuì)大可達8.3m3/d,使得(de)此水量以下(xia)的流量♌調節(jie)完全不可能(neng)實現。
　　此外，現(xian)有閥套的調(diào)節口多爲長(zhǎng)條形、三角形(xíng)或階梯🆚形，對(dui)于20m3/d以上的流(liú)量調節具有(you)較好的效果(guo)，但對于小方(fāng)量的調節精(jīng)💚度不夠。開度(dù)值一般依靠(kao)安裝在絲杠(gang)上的磁鋼以(yi)及對應的♍霍(huò)爾傳感器進(jin)行計🏃‍♂️數，爲防(fang)止磁場幹擾(rao)造成丢點，最(zuì)多隻能安裝(zhuang)6個磁鋼，全行(háng)程計數值爲(wei)72個，調節有效(xiào)行程🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計數值(zhi)僅爲💜48個，分辨(biàn)率遠遠不能(néng)滿足小方量(liang)的調節需求(qiu)。
2.2閥芯閥套優(you)化設計
　　解決(jue)閥芯閥套的(de)漏失問題根(gen)本在于減小(xiao)配合間隙，但(dàn)💚由于💃🏻調節閥(fa)軸向零部件(jian)較多，且存在(zài)多個密封配(pèi)✍️合，累計同軸(zhóu)度誤差很容(róng)易造成運動(dòng)卡阻和偏磨(mo)。經過大量實(shí)驗和計算，最(zui)終确定🌍優化(hua)設計方案如(rú)下:
1)閥芯閥套(tào)配合采用H8/f7精(jīng)度等級，閥芯(xin)外徑尺寸範(fàn)圍爲φ12-0.016-0.034，閥套内(nei)徑尺寸範圍(wei)爲φ12+0.0270,最大漏失(shī)面積爲1.15mm2，1MPa壓差(cha)下計算最大(da)🔞漏失量爲2.67m3/d。
2)爲(wei)避免偏磨和(hé)運動卡阻，将(jiāng)閥套外圓與(yǔ)安裝孔的單(dān)😘邊間隙調整(zheng)爲0.07mm~0.11mm,達到閥套(tao)與閥芯緊密(mì)配合，但相對(dui)于外側安裝(zhuang)件爲浮動安(ān)裝的效果。
3)閥(fá)套兩端安裝(zhuāng)的密封件采(cǎi)用銅粉填充(chong)聚四氟乙烯(xi)材質制作而(ér)成的矩形密(mì)封圈，以适應(ying)閥套外圓與(yu)安裝件之間(jian)🌂較大的密封(fēng)間隙，保證密(mì)封效果。矩形(xing)圈與外側安(ān)裝件和閥芯(xīn)成微過盈💘壓(yā)縮配合，壓縮(suō)率爲18.4%，實測可(ke)滿足35MPa的長期(qi)密封要求。
2.3出(chū)水口形狀優(yōu)化
　　爲了獲得(de)更好的調節(jie)效果，對閥套(tào)出水口形狀(zhuang)進行了優化(hua)💛設計。如圖3中(zhong)(a)所示，前端68%行(háng)程爲小方量(liàng)調節段，采用(yong)🈲雙曲線、類三(sān)角形形狀，在(zài)小開度時面(miàn)積變化率較(jiao)小，能夠獲得(de)更好的調節(jiē)精度。在中開(kāi)度時面積變(bian)化率稍大❤️，以(yi)獲得更快的(de)響應速度。後(hou)端32%行程爲調(diào)節+解堵段，采(cǎi)用矩形形狀(zhuàng)設⚽計。當發生(shēng)疑似出水口(kou)堵⭕塞,注水困(kun)難的情況時(shí)将調節閥全(quán)開，此時出水(shuǐ)✉️口通徑變大(dà)，,使泥沙和異(yì)物能夠被水(shuǐ)流沖出，實現(xian)解堵。同時較(jiao)大的開口配(pei)合大孔徑多(duō)級偏心孔闆(pǎn)流量計，還可(ke)以适用調剖(pou)劑等較大顆(kē)粒🌈物的注入(rù)作業。
 
　　設注水(shuǐ)壓差爲1MPa，根據(jù)式(2)進行模拟(ni)計算，結果如(rú)圖3中(b)所示。當(dang)開度小于等(deng)于25%時，出水口(kou)開口面積小(xiǎo)于閥芯間隙(xi)的1.15mm2，此時閥芯(xin)洩漏占主導(dao)因素，流量維(wei)持2.67m3/d不變;當開(kai)度小于等于(yú)68%時,處于小方(fāng)量調節區間(jian)，出水量随開(kāi)度緩慢上漲(zhǎng)，流量調節範(fan)圍爲2.67m3/d~20.59m3/d;當🏃🏻開度(du)大于68%~100%時，處于(yú)調節🌈解堵區(qu)間，流量調節(jiē)範圍爲20.59m3/d~111.35m3/d。
　　可見(jiàn)，優化設計後(hòu)的調節閥結(jié)構能夠滿足(zu)2.67m3/d~111.35m3/d的流量調❗節(jie)💛需求📐，且在20.59m3/d以(yǐ)下具備更爲(wei)精确的調節(jie)特性。配🥵合多(duō)級偏心孔闆(pǎn)流量計使用(yong)，能實現小流(liu)量的精度高(gao)測調功能，且(qiě)具備很強的(de)防堵塞能力(lì)及更廣泛的(de)工藝适用性(xìng)。
2.4開度計數方(fang)式及自動測(ce)調算法優化(hua)
　　爲了解決開(kāi)度計數分辨(bian)率不足的問(wen)題，将霍爾傳(chuan)感器🏃‍♀️和磁鋼(gāng)的安裝位置(zhì)從絲杠調整(zhěng)到了減速電(dian)機的尾端🔴。調(diao)節閥的減速(sù)電機爲直流(liu)有刷高溫電(diàn)機和行星減(jiǎn)速箱兩部分(fèn)組成，減速比(bi)爲1526:1，磁鋼數量(liang)💜爲2。理論有效(xiao)開度計☀️數值(zhí)從48個增加到(dào)24416個，分辨率大(da)🏃‍♂️大增加。同時(shi)，通過對開度(du)🌏零點進行精(jīng)🐆确校正，配合(he)🐪計數值清零(ling)累加的方式(shì)，能夠很好地(dì)降低計數值(zhi)誤差的影響(xiang)。
　　分層注水時(shí)地面管線通(tong)常采用恒壓(yā)模式，注水壓(yā)差基本👣恒定(ding)。優化後的測(cè)調邏輯如圖(tú)4所示。生産時(shí)🆚将1MPa~3MPa注水壓差(cha)的多組不同(tong)開度對應流(liú)量的數據進(jìn)行計算後，形(xíng)成數據表🏃🏻‍♂️格(gé)預置在儀器(qì)‼️内部存儲器(qi)🐉中，并對儀器(qì)開度零點進(jin)行校☔正。一般(ban)來說井下儀(yí)⁉️流量調配精(jīng)度要求爲1%F.S，地(dì)面控制設備(bèi)對井下分注(zhù)儀下發測調(diào)🆚命令并給予(yu)目标流量值(zhi)，之後井下儀(yí)讀取内外壓(ya)并計♈算注水(shui)壓差，選擇與(yǔ)該壓差值最(zui)接💚近的預置(zhi)數據表格作(zuo)爲測調依據(jù)🌍。查🔞詢表格确(que)定目标流量(liàng)對應的開度(du)值并進行開(kāi)度調節，這樣(yang)能夠快速定(ding)位目👄标開度(du)，縮短調節時(shi)間🚶，減少運動(dòng)🐇部件動作次(ci)數，降低電能(neng)消耗，延長儀(yi)器壽命。之後(hou)🔞對比目标流(liu)量與當前測(ce)得的流量值(zhí)，根據流量差(chà)值大小确定(dìng)不同的調節(jie)步長，直到滿(man)足±1%F·S的精度要(yào)求。同時，若同(tong)一調節步長(zhǎng)連續4次都不(bu)能滿足要求(qiu)👈，則采用更小(xiǎo)的步長進行(háng)調節或停止(zhǐ)調節。
3總結及(jí)現場試驗
　　針(zhēn)對現有的井(jǐng)下智能分注(zhu)儀 差壓流量(liàng)計 和調節閥(fa)不能滿足小(xiǎo)方量測調的(de)現狀進行了(le)分析📞，提🔞出了(le)流量計節流(liu)壓差不夠，調(diào)節閥芯漏失(shi)量過大，調節(jie)閥調節精度(dù)不足的問題(ti)。針對以上問(wèn)題設計了多(duō)級偏心孔闆(pǎn)🔞差壓流量計(jì)，過流面積增(zēng)大69%，起排量降(jiang)低到5m3/d以下。改(gai)進了調節閥(fá)結構并優化(huà)配合間隙，對(duì)注水孔形狀(zhuàng)進行優化，使(shi)調👉節閥理論(lun).上能夠滿足(zú)2.67m3/d~111.35m3/d的調節需求(qiu)，并在20m3/d以下具(ju)備更好的調(diao)節特性。調節(jiē)閥流道及結(jié)構設計具備(bei)防堵、防沉積(ji)能力，滿足多(duo)種作業需㊙️求(qiú)。對開度計數(shù)方式和測調(diào)算法進行了(le)優化設計，提(ti)升調節閥調(diào)節分辨率,縮(suo)短動作時間(jiān)，延長了儀器(qi)壽命。
 

 

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