摘要:隨著油田精細化管理和第四代智能分注技術的普及，單層小方量注人的計量、調節(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節(jié)閥很難滿足5m3/d的測調要求。根據井下測調原理，對影響小方量測調的技術難點進行了分析,針對性地設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)化改進了調節(jié)閥結構和測調邏輯，使調節(jié)閥滿足2.67m3/d~111.35m3/d的調節(jié)需求，且測調效率更高，防堵塞能力更好。通過理論計算、室內試驗和現場驗證，證明該效果良好，滿足了小方量測調的工藝要求。
0引言
注水驅油是國內油藏開采的重要手段，是保持油層壓力，實現油田高產穩(wěn)產的有效方法”。常規(guī)的工作筒加測調儀的調配方式需要占用大量人力物力，隨著注水規(guī)模的.擴大，工作量逐年增多，現場人員的測調能力已達極限。因此，隨著數字化油田建設方向的提出和大數據、人工智能領域的飛速發(fā)展，第四代智能分層注水技術及配套儀器開始飛速發(fā)展。
智能分注技術的核心是井下注水流量的正確測量和調控。對纜控智能分注儀中的電磁流量計和調節(jié)閥控制算法進行了優(yōu)化改進;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節(jié)閥進行";對井下孔板流量計測量方法和自動校準算法進行。
油田大部分注水井單層日注水量為5m3~50m3無纜智能分注系統主要在油田應用，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較差容易對電磁和超聲流量計造成影響，儀器內部一般集成孔板差壓式流量計進行測量，針對小方量流量的測量一直是一個難點。同時由于調節(jié)閥的問題，小方量的精確調節(jié)也難度極大，并且整機流道存在很大的堵塞風險。針對孔板流量計和無纜智能分注系統，如何正確進行小方量測量、小方量調節(jié)和流道防堵，已經成為迫在眉睫的問題。
1小方量孔板差壓流量計設計
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行流量的測量，節(jié)流元件為安裝在圓形管內部的薄壁帶孔圓板，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;ε一膨脹系數;D一管道內徑(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一質量流量(kg/s)。
其中，流出系數C取決于雷諾數Re,而雷諾數Re取決于qm，C可利用迭代法計算或從實驗數據中獲得。
1.2現有無纜智能分注儀流量計結構
現有無纜智能分注儀調節(jié)閥和流量計組件在下接頭的不同安裝孔中平行放置。注水時流體從進水口進人流量計組件，被孔板節(jié)流后通過流量管和過流孔進人調節(jié)閥組件,再從調節(jié)閥組件閥桿周圍的環(huán)空空間流向閥套和出水口進人地層。整個流道較為復雜，孔板節(jié)流之后產生的二次壓損較大，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，產生的泥沙堆積還容易造成運動部件的卡死。
為適應井下高壓及應對瞬時壓變的情況，井下儀器一般采用60MPa量程的表壓傳感器進行孔前孔后壓的測量,并計算壓力差值。經過實驗證明，能夠分辨的最小壓力差值約為0.02MPa。
孔板孔徑為5mm，流量管內徑為13mm。根據式(1)計算可知，在5m3/d的小方量下，產生的節(jié)流壓差僅為0.0063MPa，遠遠低于最小壓差分辨值。在0.02MPa時，注入方量達到了8.9m3/d。
1.3多級偏心孔板流量計設計及實驗
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構特點，重新設計了多級偏心孔板結構。流量管內徑為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，使流體經過時被迫改變流向，增加節(jié)流效果。采用FlowSimulation進行有限元流體仿真計算，環(huán)境壓力為大氣壓，流體介質為水，溫度為20.5℃，水量為5m/d。計算結果顯示節(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行測試，結果表明，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。仿真及實驗結果如圖1所示。
1.4防堵塞一體化流量調節(jié)閥設計
為解決現有調節(jié)閥和流量計存在的流道復雜，調節(jié)閥過流環(huán)空尺寸小帶來的堵塞和沉積問題，結合偏心孔板差壓流量計的結構方案，設計了一體化流量調節(jié)閥，其結構如圖2所示。儀器下井時左端在上右端在下，流體從下端進人，經過偏心孔板流量計組件后通過調節(jié)閥閥芯和閥套,直接從出水口進人地層。調節(jié)閥采用平衡壓結構設計，閥芯上端設置導壓孔引入管內壓力，使得閥芯上端和下端壓力平衡，降低調節(jié)阻力。調節(jié)閥采用絲杠傳動機構，閥芯內置絲杠螺母，傳動絲杠采用密封圈進行組合密封，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，減小堵塞風險。停注時泥沙自動下落，不存在沉積風險。通過樣機實驗測得，該一體化流量調節(jié)閥60MPa環(huán)境壓力下最大調節(jié)扭矩為1.8N·m。
2小方量調節(jié)閥改進
2.1現有調節(jié)閥存在問題
井下智能分注儀所采用的調節(jié)閥多為柱塞式，主要有以下原因:
1)分注儀在調節(jié)閥全關狀態(tài)下，要求能夠承受25MPa.的內外壓差不滲漏。柱塞式調節(jié)閥在完全關死時，可在閥芯關死位置設計密封結構，如橡膠0形圈、格萊圈、泛塞封等，能夠實現較好的高壓密封效果。
2)柱塞式調節(jié)閥在閥芯兩側可實現平衡壓結構，并利用絲杠等傳動機構降低調節(jié)扭矩，降低電機選型的要求和.調節(jié)電流。
3)柱塞式調節(jié)閥調節(jié)行程長，能夠較為精確地控制開度大小，進而實現流量的調節(jié)。
柱塞式調節(jié)閥的調節(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，導致閥芯一但脫離密封部件，即便還沒有打開出水口也會產生一定的液體漏失，漏失量可用式(2)計算，其中Cd為流出系數,取經驗值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，調節(jié)閥漏失量最大可達8.3m3/d,使得此水量以下的流量調節(jié)完全不可能實現。
此外，現有閥套的調節(jié)口多為長條形、三角形或階梯形，對于20m3/d以上的流量調節(jié)具有較好的效果，但對于小方量的調節(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的霍爾傳感器進行計數，為防止磁場干擾造成丟點，最多只能安裝6個磁鋼，全行程計數值為72個，調節(jié)有效行程計數值僅為48個，分辨率遠遠不能滿足小方量的調節(jié)需求。
2.2閥芯閥套優(yōu)化設計
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。經過大量實驗和計算，最終確定優(yōu)化設計方案如下:
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整為0.07mm~0.11mm,達到閥套與閥芯緊密配合，但相對于外側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制作而成的矩形密封圈，以適應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
為了獲得更好的調節(jié)效果，對閥套出水口形狀進行了優(yōu)化設計。如圖3中(a)所示，前端68%行程為小方量調節(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，能夠獲得更好的調節(jié)精度。在中開度時面積變化率稍大，以獲得更快的響應速度。后端32%行程為調節(jié)+解堵段，采用矩形形狀設計。當發(fā)生疑似出水口堵塞,注水困難的情況時將調節(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，還可以適用調剖劑等較大顆粒物的注入作業(yè)。
設注水壓差為1MPa，根據式(2)進行模擬計算，結果如圖3中(b)所示。當開度小于等于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因素，流量維持2.67m3/d不變;當開度小于等于68%時,處于小方量調節(jié)區(qū)間，出水量隨開度緩慢上漲，流量調節(jié)范圍為2.67m3/d~20.59m3/d;當開度大于68%~100%時，處于調節(jié)解堵區(qū)間，流量調節(jié)范圍為20.59m3/d~111.35m3/d。
可見，優(yōu)化設計后的調節(jié)閥結構能夠滿足2.67m3/d~111.35m3/d的流量調節(jié)需求，且在20.59m3/d以下具備更為精確的調節(jié)特性。配合多級偏心孔板流量計使用，能實現小流量的精度高測調功能，且具備很強的防堵塞能力及更廣泛的工藝適用性。
2.4開度計數方式及自動測調算法優(yōu)化
為了解決開度計數分辨率不足的問題，將霍爾傳感器和磁鋼的安裝位置從絲杠調整到了減速電機的尾端。調節(jié)閥的減速電機為直流有刷高溫電機和行星減速箱兩部分組成，減速比為1526:1，磁鋼數量為2。理論有效開度計數值從48個增加到24416個，分辨率大大增加。同時，通過對開度零點進行精確校正，配合計數值清零累加的方式，能夠很好地降低計數值誤差的影響。
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)化后的測調邏輯如圖4所示。生產時將1MPa~3MPa注水壓差的多組不同開度對應流量的數據進行計算后，形成數據表格預置在儀器內部存儲器中，并對儀器開度零點進行校正。一般來說井下儀流量調配精度要求為1%F.S，地面控制設備對井下分注儀下發(fā)測調命令并給予目標流量值，之后井下儀讀取內外壓并計算注水壓差，選擇與該壓差值最接近的預置數據表格作為測調依據。查詢表格確定目標流量對應的開度值并進行開度調節(jié)，這樣能夠快速定位目標開度，縮短調節(jié)時間，減少運動部件動作次數，降低電能消耗，延長儀器壽命。之后對比目標流量與當前測得的流量值，根據流量差值大小確定不同的調節(jié)步長，直到滿足±1%F·S的精度要求。同時，若同一調節(jié)步長連續(xù)4次都不能滿足要求，則采用更小的步長進行調節(jié)或停止調節(jié)。
3總結及現場試驗
針對現有的井下智能分注儀差壓流量計和調節(jié)閥不能滿足小方量測調的現狀進行了分析，提出了流量計節(jié)流壓差不夠，調節(jié)閥芯漏失量過大，調節(jié)閥調節(jié)精度不足的問題。針對以上問題設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。改進了調節(jié)閥結構并優(yōu)化配合間隙，對注水孔形狀進行優(yōu)化，使調節(jié)閥理論.上能夠滿足2.67m3/d~111.35m3/d的調節(jié)需求，并在20m3/d以下具備更好的調節(jié)特性。調節(jié)閥流道及結構設計具備防堵、防沉積能力，滿足多種作業(yè)需求。對開度計數方式和測調算法進行了優(yōu)化設計，提升調節(jié)閥調節(jié)分辨率,縮短動作時間，延長了儀器壽命。
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