摘要(yao):随着油田(tian)精細化管(guan)理和第四(si)代智能分(fen)注技術❄️的(de)普及，單層(ceng)小方量注(zhu)人的計量(liang)、調節顯得(de)尤爲‼️重要(yao)♍，同時還要(yao)滿足低功(gong)耗長壽命(ming)的使用要(yao)求。目前，井(jing)下🆚分注儀(yi)的 孔闆流(liu)量計 及 調(diao)節閥 很難(nan)滿足5m3/d的測(ce)調要求。根(gen)據井下測(ce)調原理，對(dui)影響小✏️方(fang)⁉️量❌測調的(de)技術難點(dian)進行了分(fen)析,針對性(xing)地設計了(le)多級偏心(xin)孔闆流量(liang)計，使過流(liu)面積增加(jia)69%，并滿足5m3/d的(de)起排要求(qiu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻;優化改進(jin)了調節閥(fa)結構和測(ce)調邏輯，使(shi)調節閥滿(man)足2.67m3/d~111.35m3/d的調節(jie)需求，且測(ce)調效率更(geng)高，防堵塞(sai)能力更好(hao)。通過理論(lun)計算、室内(nei)試驗和現(xian)場驗證，證(zheng)明該效果(guo)良好，滿足(zu)了小方量(liang)測調的工(gong)藝要求。
0引(yin)言
　　注水驅(qu)油是國内(nei)油藏開采(cai)的重要手(shou)段，是保持(chi)油層壓力(li)🔅，實現油田(tian)高産穩産(chan)的有效方(fang)法”。常規的(de)工作筒加(jia)測調儀的(de)調配方式(shi)需要占用(yong)大量人力(li)物力，随着(zhe)注水規🧡模(mo)的.擴大，工(gong)作量逐年(nian)增多，現場(chang)人員的測(ce)調能力已(yi)達極限。因(yin)此，随着數(shu)字化油田(tian)建🏃設方向(xiang)的提出和(he)大數據、人(ren)工智能領(ling)🥵域的飛速(su)發展，第四(si)代智能分(fen)層注水技(ji)術及配套(tao)儀器開始(shi)飛速發展(zhan)。
　　智能分注(zhu)技術的核(he)心是井下(xia)注水流量(liang)的正确測(ce)量和調控(kong)🔆。對纜控智(zhi)能分注儀(yi)中的 電磁(ci)流量計 和(he)調節閥控(kong)制算法進(jin)行了優化(hua)改進;針對(dui)海上油💋田(tian)🈲大排量✨注(zhu)💯人的特點(dian)，對大排量(liang) 渦街流量(liang)計 和多級(ji)調節閥進(jin)行";對井下(xia)孔闆流量(liang)計測量方(fang)法和自動(dong)校準☂️算法(fa)進行。
　　油田(tian)大部分注(zhu)水井單層(ceng)日注水量(liang)爲5m3~50m3無纜智(zhi)能分注系(xi)統主要在(zai)油田應用(yong)，由于采用(yong)電池供電(dian)，對低功耗(hao)性能要求(qiu)很高🎯，同時(shi)🛀🏻考慮到回(hui)注水水質(zhi)較差容易(yi)對電磁和(he)超聲流👈量(liang)計造👅成影(ying)響，儀器内(nei)部一般集(ji)成 孔闆差(cha)壓式流量(liang)計 進行測(ce)量，針對小(xiao)方量流量(liang)的測量一(yi)直是一個(ge)難點。同時(shi)由于調節(jie)閥的問題(ti)，小方量的(de)精确調節(jie)也難度極(ji)大，并且整(zheng)機流道存(cun)在很大的(de)堵塞風險(xian)。針對孔闆(pan)流量計👈和(he)無纜智能(neng)分注系統(tong)，如何正确(que)進行小方(fang)量測量、小(xiao)方量調節(jie)和流道防(fang)堵，已經成(cheng)爲迫在眉(mei)睫的問題(ti)。
1小方量孔(kong)闆差壓流(liu)量計設計(ji)
1.1孔闆差壓(ya)流量原理(li)
　　孔闆差壓(ya)式流量計(ji)利用節流(liu)元件的前(qian)後壓差來(lai)進行流量(liang)的測量，節(jie)流元件爲(wei)安裝在圓(yuan)形管内部(bu)的薄壁帶(dai)孔圓闆，是(shi)工業上使(shi)用最多的(de)流量計之(zhi)一，體積☎️流(liu)量可✔️用式(shi)(1)計算。
 
　　式(1)中(zhong),C一流出系(xi)數;ε一膨脹(zhang)系數;D一管(guan)道内徑(m);d一(yi)節流🐉孔徑(jing)(m);△p一壓力差(cha)(Pa);ρ1一流體密(mi)度(kg1m3);β一直徑(jing)比;qm一質量(liang)流量(kg/s)。
　　其中(zhong)，流出系數(shu)C取決于雷(lei)諾數Re,而雷(lei)諾數Re取決(jue)于qm，C可利用(yong)叠🔴代法計(ji)算或從實(shi)驗數據中(zhong)獲得。
1.2現有(you)無纜智能(neng)分注儀流(liu)量計結構(gou)
　　現有無纜(lan)智能分注(zhu)儀調節閥(fa)和流量計(ji)組件在下(xia)接頭的不(bu)同安裝孔(kong)中平行放(fang)置。注水時(shi)流體從進(jin)水口⛱️進人(ren)流量計組(zu)件，被孔闆(pan)節流後通(tong)過流量管(guan)和過流🏃‍♀️孔(kong)進人調節(jie)閥組件,再(zai)從調節閥(fa)組件閥杆(gan)周圍的環(huan)空空間流(liu)向閥套和(he)🏃‍♀️出水口進(jin)人地層。整(zheng)個流道較(jiao)爲複雜，孔(kong)闆節流之(zhi)後産生的(de)二次壓損(sun)較大，且閥(fa)杆環空間(jian)隙僅爲3mm，很(hen)♋容易發生(sheng)堵塞，尤其(qi)是停注時(shi)流體不⛷️再(zai)運動，産生(sheng)的泥沙堆(dui)積還容易(yi)造成運動(dong)部件的卡(ka)㊙️死。
　　爲适應(ying)井下高壓(ya)及應對瞬(shun)時壓變的(de)情況，井下(xia)儀🐪器一般(ban)♻️采用60MPa量程(cheng)的表壓傳(chuan)感器進行(hang)孔前孔後(hou)壓的測量(liang),并計算壓(ya)力差值。經(jing)過實驗證(zheng)明，能夠分(fen)辨的最小(xiao)👈壓力差值(zhi)約爲0.02MPa。
　　孔闆(pan)孔徑爲5mm，流(liu)量管内徑(jing)爲13mm。根據式(shi)(1)計算可知(zhi)，在5m3/d的小方(fang)量下，産生(sheng)的節流壓(ya)差僅爲0.0063MPa，遠(yuan)遠低于最(zui)小壓差分(fen)辨值。在0.02MPa時(shi)，注入方量(liang)達到了8.9m3/d。
 
1.3多(duo)級偏心孔(kong)闆流量計(ji)設計及實(shi)驗
　　孔闆差(cha)壓流量計(ji)的根本原(yuan)理在于形(xing)成節流壓(ya)差，針對無(wu)🏒纜智能分(fen)注儀的結(jie)構特點，重(zhong)新設計了(le)多🌍級偏心(xin)孔闆結構(gou)。流量管内(nei)徑爲13mm，采用(yong)5級偏心孔(kong)闆，節流孔(kong)徑6.5mm，偏心距(ju)3mm，孔闆間距(ju)10mm。相鄰孔闆(pan)節流孔成(cheng)交錯放置(zhi)，使流體經(jing)過時被迫(po)改變流向(xiang)，增加節流(liu)效果。采用(yong)FlowSimulation進行有限(xian)元流體仿(pang)真計算，環(huan)境壓力爲(wei)大😄氣壓，流(liu)體介質爲(wei)水，溫度爲(wei)20.5℃，水量爲5m/d。計(ji)算結果顯(xian)示節流前(qian)壓力爲0.1228MPa，節(jie)流後壓力(li)爲0.1007MPa，節流壓(ya)差爲0.0221MPa，滿足(zu)最小壓差(cha)要求，且流(liu)道👉通徑變(bian)爲6.5mm，過流面(mian)積增大了(le)69%。利用實驗(yan)工裝對多(duo)種孔闆進(jin)行測試，結(jie)果表明，綜(zong)合考慮過(guo)流面積及(ji)❄️節流效果(guo)，5級偏心孔(kong)闆差壓流(liu)量✏️計效果(guo)最好，實測(ce)5m3/d時節流壓(ya)差約爲0.03MPa,滿(man)足使用要(yao)求。仿真及(ji)實驗結果(guo)如圖1所示(shi)。
1.4防堵塞一(yi)體化流量(liang)調節閥設(she)計
　　爲解決(jue)現有調節(jie)閥和流量(liang)計存在的(de)流道複雜(za)，調✌️節閥過(guo)♌流環空尺(chi)寸小帶來(lai)的堵塞和(he)沉積問題(ti)，結合偏心(xin)孔🔆闆差壓(ya)流量計❗的(de)結構方案(an)，設計了一(yi)體化流量(liang)調節閥，其(qi)結構如圖(tu)2所示。儀器(qi)下井時左(zuo)端在上右(you)端在下，流(liu)體從下端(duan)進👨‍❤️‍👨人，經過(guo)偏心孔闆(pan)流♌量計組(zu)件後♉通過(guo)調節閥閥(fa)芯和閥套(tao)⁉️,直接從出(chu)水口進人(ren)地層。調🤞節(jie)閥采用平(ping)衡壓結構(gou)設計，閥芯(xin)上端設置(zhi)導壓孔引(yin)入管内壓(ya)力，使得閥(fa)芯上端和(he)下端壓力(li)平衡，降低(di)調節阻力(li)。調節閥采(cai)用❗絲杠傳(chuan)動機構，閥(fa)芯内置絲(si)杠螺🚩母，傳(chuan)動🔆絲杠采(cai)用密封圈(quan)進行組合(he)密封，尾端(duan)采用推😘力(li)軸承承載(zai)壓差力，可(ke)滿😘足60MPa的使(shi)用要🐪求。節(jie)流孔闆後(hou)端爲直通(tong)通道，減小(xiao)堵塞風險(xian)。停注時泥(ni)沙自動下(xia)落，不存在(zai)沉積風險(xian)。通過樣機(ji)實驗測得(de)，該一體化(hua)流量調節(jie)閥60MPa環境壓(ya)力下最大(da)調節扭矩(ju)爲👉1.8N·m。
 
2小方量(liang)調節閥改(gai)進
2.1現有調(diao)節閥存在(zai)問題
　　井下(xia)智能分注(zhu)儀所采用(yong)的調節閥(fa)多爲柱塞(sai)式，主要有(you)以下原因(yin):
1)分注儀在(zai)調節閥全(quan)關狀态下(xia)，要求能夠(gou)承受25MPa.的内(nei)外壓差不(bu)滲🔴漏。柱塞(sai)式調節閥(fa)在完全關(guan)死時，可在(zai)閥芯關死(si)位置🐪設計(ji)✍️密封結構(gou)，如橡膠0形(xing)圈、格萊圈(quan)🤩、泛塞封等(deng)，能夠實現(xian)較好的高(gao)壓密封效(xiao)果。
2)柱塞式(shi)調節閥在(zai)閥芯兩側(ce)可實現平(ping)衡壓結構(gou)，并利用絲(si)杠等🌈傳動(dong)機構降低(di)調節扭矩(ju)，降低電機(ji)選型的要(yao)求和.調節(jie)電流。
3)柱塞(sai)式調節閥(fa)調節行程(cheng)長，能夠較(jiao)爲精确地(di)控制開度(du)🏃‍♀️大小，進而(er)實現流量(liang)的調節。
　　柱(zhu)塞式調節(jie)閥的調節(jie)部分主要(yao)由閥芯和(he)閥套組📐成(cheng)，一般采用(yong)司太立合(he)金或氧化(hua)锆陶瓷制(zhi)作。合金🈲是(shi)一種能耐(nai)各種類型(xing)磨🔱損、腐蝕(shi)以及高溫(wen)氧化的硬(ying)質合金(9),，是(shi)閥芯閥杆(gan)🔴的理想材(cai)料;氧化锆(gao)陶瓷具備(bei)優異的高(gao)韌性、高硬(ying)度特征，在(zai)石油行業(ye)中經常🌐作(zuo)爲耐沖刷(shua)🌈、耐磨及絕(jue)緣材料來(lai)使用。爲保(bao)證運動順(shun)暢，閥芯閥(fa)套之間采(cai)用間隙配(pei)合，這也使(shi)得兩者之(zhi)間存在一(yi)定的環形(xing)縫隙，導緻(zhi)閥芯一但(dan)脫離密封(feng)部件，即便(bian)還沒有🌈打(da)開出水口(kou)也會産生(sheng)一定的💞液(ye)體漏失，漏(lou)失量可用(yong)式(2)計算，其(qi)中Cd爲流出(chu)系數,取經(jing)驗值0.6。
 
式(2)中(zhong)，Q一漏失水(shui)量(m3/d);Op-壓力差(cha)值(MPa);S一漏失(shi)面積(mm2)。
　　以常(chang)用的12mm直徑(jing)閥芯爲例(li)，閥套尺寸(cun)爲φ12+0.3+0.10，閥芯尺(chi)寸爲φ12-0.10-0.05，最大(da)漏失面👨‍❤️‍👨積(ji)爲3.77mm2，1MPa壓差下(xia)計算最大(da)漏失量爲(wei)8.74m'/d，實際批量(liang)測試🥵表明(ming)在1MPa注🐕水壓(ya)差下，調節(jie)閥漏失量(liang)最大可達(da)8.3m3/d,使得此水(shui)🐉量以下⭐的(de)流量調節(jie)完全不可(ke)能實現。
　　此(ci)外，現有閥(fa)套的調節(jie)口多爲長(zhang)條形、三角(jiao)形或階梯(ti)形，對于🥰20m3/d以(yi)上的流量(liang)調節具有(you)較好的效(xiao)果，但對☁️于(yu)小方量的(de)調節精度(du)不夠。開度(du)值一般依(yi)靠安裝在(zai)絲杠❄️上的(de)磁鋼以及(ji)對應的💋霍(huo)爾傳感器(qi)進行計🧑🏾‍🤝‍🧑🏼數(shu)，爲防止磁(ci)場幹擾造(zao)成丢點，最(zui)多隻能安(an)裝6個磁鋼(gang)，全行程計(ji)數值爲72個(ge)，調🔴節有效(xiao)行程☔計數(shu)值僅爲💃48個(ge)，分辨率遠(yuan)遠不能滿(man)足小方量(liang)的調節需(xu)求。
2.2閥芯閥(fa)套優化設(she)計
　　解決閥(fa)芯閥套的(de)漏失問題(ti)根本在于(yu)減小配合(he)間隙💜，但由(you)于調節閥(fa)軸向零部(bu)件較多，且(qie)存在多個(ge)密封配㊙️合(he)，累🈲計同軸(zhou)度誤差很(hen)容易造成(cheng)運動卡阻(zu)和偏磨。經(jing)過大量實(shi)驗和計算(suan)，最終确定(ding)優化設計(ji)方案如下(xia):
1)閥芯閥套(tao)配合采用(yong)H8/f7精度等級(ji)，閥芯外徑(jing)尺寸範圍(wei)爲φ12-0.016-0.034，閥套内(nei)徑尺寸範(fan)圍爲φ12+0.0270,最大(da)漏失面積(ji)爲1.15mm2，1MPa壓差下(xia)計算最大(da)漏失量爲(wei)2.67m3/d。
2)爲避免偏(pian)磨和運動(dong)卡阻，将閥(fa)套外圓與(yu)安裝孔的(de)單邊間隙(xi)調整爲0.07mm~0.11mm,達(da)到閥套與(yu)閥芯緊密(mi)配合，但相(xiang)對于外側(ce)💔安裝🐇件爲(wei)浮動安裝(zhuang)的效果。
3)閥(fa)套兩端安(an)裝的密封(feng)件采用銅(tong)粉填充聚(ju)四氟乙♊烯(xi)💃材質👣制作(zuo)☂️而成的矩(ju)形密封圈(quan)，以适應閥(fa)套外圓與(yu)安裝件之(zhi)間較大的(de)密封間隙(xi)，保證密封(feng)效果。矩形(xing)圈與外側(ce)安✉️裝件和(he)閥芯成微(wei)過盈壓縮(suo)配合，壓縮(suo)率爲18.4%，實測(ce)可滿足35MPa的(de)長期密🈲封(feng)要求。
2.3出水(shui)口形狀優(you)化
　　爲了獲(huo)得更好的(de)調節效果(guo)，對閥套出(chu)水口形狀(zhuang)進行了優(you)✌️化設計。如(ru)圖3中(a)所示(shi)，前端68%行程(cheng)爲小方量(liang)調節段，采(cai)用雙曲線(xian)、類三角形(xing)形狀，在小(xiao)開度時面(mian)積🈲變化率(lü)較小，能夠(gou)獲得更好(hao)的調節精(jing)度。在中開(kai)度時面積(ji)變化率稍(shao)大，以獲得(de)更快的響(xiang)應速度。後(hou)端32%行程爲(wei)調節+解堵(du)段，采用矩(ju)形形狀設(she)計。當發生(sheng)疑似出水(shui)口堵🈲塞,注(zhu)水困難的(de)情況時将(jiang)調節閥全(quan)開，此時出(chu)水口通徑(jing)🔞變大，,使泥(ni)沙和異物(wu)能夠被水(shui)流🈲沖出，實(shi)現解堵。同(tong)時較大的(de)開口配合(he)大孔徑多(duo)級偏心孔(kong)闆流量計(ji)，還可💁以适(shi)用調剖劑(ji)等較大🎯顆(ke)粒物的注(zhu)入作業。
 
　　設(she)注水壓差(cha)爲1MPa，根據式(shi)(2)進行模拟(ni)計算，結果(guo)如圖3中(b)所(suo)示。當開度(du)小于等于(yu)25%時，出水口(kou)開口面積(ji)小于閥芯(xin)間隙的1.15mm2，此(ci)時閥芯洩(xie)漏占主導(dao)因素，流量(liang)維持2.67m3/d不💰變(bian);當開度小(xiao)于🌏等于68%時(shi),處于小方(fang)量調節區(qu)間，出水量(liang)随開度👣緩(huan)慢上漲，流(liu)量調節範(fan)圍爲2.67m3/d~20.59m3/d;當開(kai)度大于🤟68%~100%時(shi)，處于調節(jie)解堵區間(jian)，流量調節(jie)範圍爲20.59m3/d~111.35m3/d。
　　可(ke)見，優化設(she)計後的調(diao)節閥結構(gou)能夠滿足(zu)2.67m3/d~111.35m3/d的流量♈調(diao)節⭐需求，且(qie)在20.59m3/d以下具(ju)備更爲精(jing)确的調節(jie)特性。配合(he)多級偏心(xin)孔🥰闆流量(liang)計使用，能(neng)實現小流(liu)量的精度(du)高測調功(gong)能✍️，且具備(bei)😍很強的防(fang)堵塞能力(li)及更廣泛(fan)的工藝适(shi)用性。
2.4開度(du)計數方式(shi)及自動測(ce)調算法優(you)化
　　爲了解(jie)決開度計(ji)數分辨率(lü)不足的問(wen)題，将霍爾(er)傳⚽感器🛀🏻和(he)✨磁鋼的安(an)裝位置從(cong)絲杠調整(zheng)到了減速(su)電機的尾(wei)端。調節💛閥(fa)的減速電(dian)機爲直流(liu)有刷高溫(wen)電❓機和行(hang)星減速箱(xiang)兩部分組(zu)成，減速比(bi)爲1526:1，磁鋼數(shu)量爲2。理論(lun)有效開度(du)計數值從(cong)48個增加到(dao)24416個，分辨率(lü)大大增加(jia)。同時，通過(guo)對開度零(ling)點進行精(jing)确校正，配(pei)合計數值(zhi)清零累加(jia)的方式，能(neng)夠很好地(di)降低計數(shu)值誤差的(de)影響。
　　分層(ceng)注水時地(di)面管線通(tong)常采用恒(heng)壓模式，注(zhu)水壓差💘基(ji)本🌂恒定。優(you)化後的測(ce)調邏輯如(ru)圖4所示。生(sheng)産時将1MPa~3MPa注(zhu)水壓差的(de)多組不同(tong)開度對應(ying)流量的數(shu)據進行計(ji)算後，形成(cheng)數據表格(ge)預置在儀(yi)器内部存(cun)儲器中，并(bing)對儀🧑🏽‍🤝‍🧑🏻器開(kai)度零點進(jin)行校正。一(yi)般來🔴說井(jing)下儀流量(liang)調配精度(du)要求爲1%F.S，地(di)面控制設(she)備對井下(xia)分注儀下(xia)發測調命(ming)令并給予(yu)目标💔流量(liang)值，之後井(jing)✏️下儀讀取(qu)内外壓并(bing)計算注水(shui)壓差，選擇(ze)💋與該壓差(cha)值最💃接近(jin)的預置數(shu)據表♍格作(zuo)爲測調依(yi)據。查詢表(biao)格确定目(mu)标流量對(dui)應的開度(du)值并進行(hang)開度調節(jie)❗，這樣🌂能夠(gou)快速定位(wei)目👄标開度(du)，縮短調節(jie)時間，減少(shao)運動部件(jian)動作次數(shu)，降低電能(neng)消🏃🏻耗，延長(zhang)儀器壽命(ming)。之後❗對比(bi)目标流量(liang)與當前測(ce)得的㊙️流✊量(liang)值，根據流(liu)量差💃🏻值大(da)小确❗定不(bu)同的調節(jie)步長，直到(dao)滿足±1%F·S的精(jing)度要求。同(tong)時，若同一(yi)調節步長(zhang)連續4次都(dou)不能滿足(zu)要求，則采(cai)用更小的(de)步長進行(hang)調節❌或停(ting)止調節。
3總(zong)結及現場(chang)試驗
　　針對(dui)現有的井(jing)下智能分(fen)注儀 差壓(ya)流量計 和(he)調節閥不(bu)能滿足小(xiao)方量測調(diao)的現狀進(jin)行了分析(xi)，提出了流(liu)量計節流(liu)壓差不夠(gou)，調節閥芯(xin)漏失量過(guo)大，調節閥(fa)調節精度(du)不足的問(wen)題。針對以(yi)上問題設(she)計了多級(ji)偏💋心孔闆(pan)差壓流🧡量(liang)計，過流面(mian)積增大69%，起(qi)排量降低(di)到5m3/d以下。改(gai)進了調🏃‍♀️節(jie)閥結構并(bing)優化配❗合(he)間隙，對注(zhu)水孔形狀(zhuang)進✨行優化(hua)，使調節閥(fa)理論.上能(neng)夠滿足2.67m3/d~111.35m3/d的(de)調節需求(qiu)，并在20m3/d以下(xia)具備更好(hao)的調節特(te)性。調節閥(fa)流道及結(jie)構設計具(ju)備防堵、防(fang)沉積能力(li)，滿足多種(zhong)作業需求(qiu)。對開度計(ji)數方式和(he)測調算法(fa)進行了優(you)化設計，提(ti)升調節閥(fa)調節分辨(bian)率,縮短👄動(dong)作時間，延(yan)長了儀器(qi)壽🔞命。
 

 

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