摘要(yao):随着油田精細(xi)化管理和第四(si)代智能分注技(jì)術🏃🏻‍♂️的普及，單層(ceng)小方量注人的(de)計量、調節顯得(de)尤爲重要☔，同時(shi)還要滿足低功(gōng)耗長壽命的使(shǐ)用要求。目🈲前，井(jing)下分注儀的 孔(kong)闆流量計 及 調(diao)節閥 很難滿足(zu)5m3/d的測調要求。根(gen)據井下測調原(yuan)理，對影響🥰小方(fang)👅量測調的技術(shù)難點進行了分(fen)析,針對性地設(shè)計了多級偏心(xin)🔞孔闆流量🚶計，使(shi)過流面積增加(jia)69%，并滿🌈足5m3/d的起排(pai)要求;優化改👄進(jìn)了調節閥結構(gòu)和測調邏⭕輯，使(shi)調節閥滿足2.67m3/d~111.35m3/d的(de)調節需求🎯，且測(ce)調效🍓率更高，防(fáng)👅堵塞能力更好(hǎo)。通過理論計算(suàn)、室内試驗和現(xian)場驗🤩證，證明該(gāi)效果良好，滿足(zú)了小方量測調(diao)的工藝要求。
0引(yin)言
　　注水驅油是(shi)國内油藏開采(cai)的重要手段，是(shì)保持油💛層壓😍力(lì)，實現油田高産(chǎn)穩産的有效方(fang)法”。常規的工作(zuo)筒加測調儀的(de)調配方式需要(yao)占用大量人力(lì)物力，随着注水(shuǐ)規模的.擴大，工(gōng)作☁️量逐年增多(duō)，現場人員的測(cè)調能力已達極(jí)限。因此，随着數(shu)字化油田建設(shè)方向的提出和(he)大數據、人工智(zhi)能領域的飛速(su)發展，第四代智(zhì)能分層注水技(jì)術🙇🏻及配套儀器(qì)開始飛❄️速發展(zhǎn)。
　　智能分注技術(shu)的核心是井下(xià)注水流量的正(zheng)确測🤩量和調控(kong)。對纜控智能分(fèn)注儀中的 電磁(cí)流量計 和調節(jie)閥控制算法進(jìn)行了優化改進(jin);針對海上油田(tian)大排量注✔️人的(de)特點，對大排量(liàng) 渦街流量計 和(he)多級調節閥進(jìn)行";對井下孔闆(pan)流量計測量方(fāng)法🔆和自動💘校㊙️準(zhǔn)算法進行。
　　油田(tián)大部分注水井(jǐng)單層日注水量(liang)爲5m3~50m3無纜智能分(fèn)注系統主要在(zài)油田應用，由于(yú)采用電池供電(dian)，對低功耗性能(neng)🌈要求很高，同時(shí)考慮到回注水(shuǐ)水質較差容易(yi)對電磁和超聲(sheng)流🈲量計造成影(ying)響，儀器内部一(yi)般集成 孔闆差(chà)壓式流量計 進(jin)行測量，針對小(xiao)方量流量的測(cè)量一直是一個(gè)難點。同時由于(yu)調節閥的問題(tí)，小方量的精确(què)調節也難度極(jí)大，并且整機📧流(liú)道存在很大的(de)堵塞風險。針對(dui)孔闆流量計和(hé)無纜💔智能分注(zhu)系統㊙️，如何正确(què)進行小方量🔴測(cè)量、小方量調節(jie)和⭐流道防堵，已(yǐ)經成爲🥰迫在眉(méi)睫的問題。
1小方(fāng)量孔闆差壓流(liú)量計設計
1.1孔闆(pǎn)差壓流量原理(li)
　　孔闆差壓式流(liu)量計利用節流(liú)元件的前後壓(yā)差來📱進行🌍流量(liang)的測量，節流元(yuán)件爲安裝在圓(yuán)形管内部的薄(báo)壁帶孔圓闆，是(shì)工業上使用最(zuì)多的流量計之(zhī)一，體積🏒流量可(kě)⭐用式(1)計算。
 
　　式(1)中(zhong),C一流出系數;ε一(yī)膨脹系數;D一管(guǎn)道内徑(m);d一節流(liu)💋孔徑(m);△p一壓力差(cha)(Pa);ρ1一流體密度(kg1m3);β一(yī)直徑比;qm一質量(liàng)流量(kg/s)。
　　其中，流出(chu)系數C取決于雷(lei)諾數Re,而雷諾數(shu)Re取決于qm，C可利用(yong)叠代‼️法計算或(huò)從實驗數據中(zhong)獲得。
1.2現有無纜(lǎn)智能分注儀流(liú)量計結構
　　現有(you)無纜智能分注(zhu)儀調節閥和流(liú)量計組件在下(xia)接頭的不同安(an)裝孔中平行放(fang)置。注水時流體(ti)從進水口進人(ren)流量計組件，被(bèi)孔闆節流後通(tong)過流量管和過(guò)流孔進人調節(jiē)閥組件,再從調(diào)節🌍閥組件閥杆(gǎn)周圍的環空空(kong)間流向閥套和(hé)出水口進人地(di)層。整個流道較(jiao)爲複雜，孔闆節(jie)流之後産生的(de)二次壓損🔱較大(da)，且閥杆⛹🏻‍♀️環空間(jiān)隙僅爲3mm，很容易(yì)發生堵塞，尤其(qi)是停注時流體(tǐ)不再運動，産生(shēng)的泥🍓沙堆積還(hái)容易📱造成運動(dòng)部件的卡🆚死。
　　爲(wei)适應井下高壓(yā)及應對瞬時壓(yā)變的情況，井下(xià)儀器🥰一般采用(yong)60MPa量程的表壓傳(chuán)感器進行孔前(qián)孔後壓的測☁️量(liang),并計算壓力💛差(cha)值。經過實驗證(zheng)明，能夠分辨的(de)最小壓力差💁值(zhí)約爲0.02MPa。
　　孔闆孔徑(jing)爲5mm，流量管内徑(jìng)爲13mm。根據式(1)計算(suàn)可知，在5m3/d的小方(fāng)量下，産生的節(jiē)流壓差僅爲0.0063MPa，遠(yuan)遠低于最小壓(yā)差分😘辨值。在0.02MPa時(shí)，注入方量達到(dao)了8.9m3/d。
 
1.3多級偏心孔(kǒng)闆流量計設計(jì)及實驗
　　孔闆差(cha)壓流量計的根(gēn)本原理在于形(xing)成節流壓差✌️，針(zhen)對無纜智能分(fèn)注儀的結構特(te)點，重新設計了(le)多級偏心孔👈闆(pǎn)結構。流量管内(nei)徑爲13mm，采用5級偏(pian)心孔闆，節流孔(kǒng)✌️徑6.5mm，偏心距3mm，孔闆(pǎn)間距10mm。相🔆鄰孔闆(pǎn)🚶‍♀️節流孔成交錯(cuo)放置，使流體經(jing)過時被迫改變(bian)流向，增加節流(liú)效果。采用FlowSimulation進行(háng)有限元流體仿(páng)真計算，環境壓(ya)力爲大氣壓，流(liu)體介質爲水，溫(wen)度爲20.5℃，水量爲5m/d。計(jì)算結果顯示節(jie)流前壓力爲0.1228MPa，節(jiē)流後壓‼️力爲0.1007MPa，節(jiē)流壓差爲0.0221MPa，滿足(zú)最小壓差要求(qiu)，且流道💛通徑變(biàn)爲6.5mm，過流面積💋增(zēng)大了69%。利用實驗(yan)工裝對多種孔(kong)闆進行測試，結(jie)果表明🏃‍♀️，綜合🌈考(kao)慮過流面積及(ji)節流效果，5級偏(piān)心孔闆差壓流(liu)量計效果最好(hǎo)，實測5m3/d時節流壓(ya)差約爲0.03MPa,滿足使(shǐ)用要求。仿真⚽及(ji)實驗結果如圖(tú)1所示。
1.4防堵塞一(yī)體化流量調節(jiē)閥設計
　　爲解決(jué)現有調節閥和(hé)流量計存在的(de)流道複雜，調節(jie)閥過㊙️流環空尺(chǐ)寸小帶來的堵(dǔ)塞和沉積問題(tí)，結合偏🈚心孔闆(pan)差壓流量計的(de)結構方案，設計(ji)了一體🤩化流量(liàng)調節閥，其結構(gòu)🤟如圖2所示。儀器(qì)下井時左端在(zài)上右端在下，流(liu)體從下端進人(ren)，經過偏⛱️心孔闆(pǎn)流量計組件後(hòu)㊙️通過調節閥閥(fa)芯和閥套,直接(jiē)從出水㊙️口進人(ren)地層♊。調節閥采(cǎi)用平衡📧壓結構(gòu)設計，閥芯上端(duan)設置導🔅壓孔引(yǐn)入管内壓力，使(shǐ)得閥芯上端和(hé)下端壓力平衡(héng)，降低調🌂節阻力(lì)。調節閥采用絲(si)杠傳動機構，閥(fá)芯内置絲杠螺(luó)🌈母，傳動絲杠采(cǎi)用密封圈進行(hang)組合密封，尾端(duān)㊙️采用推力軸承(cheng)承載壓🔞差力，可(ke)滿足60MPa的使用要(yào)求。節流孔闆後(hòu)🚶端爲直通通道(dào)，減小堵塞風險(xian)。停注時泥沙自(zì)動🧑🏽‍🤝‍🧑🏻下落，不🈲存在(zài)沉積風險。通🈲過(guo)樣機實驗測得(dé)，該一體化流量(liàng)調節閥60MPa環境壓(yā)力下最大調節(jiē)扭矩爲1.8N·m。
 
2小方量(liàng)調節閥改進
2.1現(xian)有調節閥存在(zai)問題
　　井下智能(neng)分注儀所采用(yòng)的調節閥多爲(wèi)柱塞式，主要有(you)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻以下原因:
1)分注(zhù)儀在調節閥全(quán)關狀态下，要求(qiu)能夠承受25MPa.的内(nei)外壓差不🐅滲漏(lòu)。柱塞式調節閥(fá)在完全關死時(shi)，可在🈲閥芯關死(si)位置設計密封(fēng)結構，如橡膠0形(xíng)圈、格萊圈、泛塞(sāi)封等，能夠實現(xiàn)較好的高壓密(mi)封效果。
2)柱塞式(shì)調節閥在閥芯(xin)兩側可實現平(píng)衡壓結構，并🏃‍♀️利(lì)用絲杠等傳動(dong)機構降低調節(jie)扭矩，降低電機(jī)選型的要求和(hé).調節電🎯流。
3)柱塞(sai)式調節閥調節(jie)行程長，能夠較(jiào)爲精确地控制(zhi)開度大小，進🐆而(er)實現流量的調(diao)節。
　　柱塞式調節(jie)閥的調節部分(fen)主要由閥芯和(he)閥套組成，一般(ban)🤩采✂️用司太立合(he)金或氧化锆陶(tao)瓷制作。合金是(shì)一種能耐各種(zhǒng)類型磨👨‍❤️‍👨損、腐蝕(shi)以及高溫氧化(huà)的硬質合金(9),，是(shì)閥芯閥杆的理(li)想🌐材料;氧化锆(gao)陶瓷具備優異(yì)的高韌性、高🍓硬(yìng)度特征，在石油(you)行✊業中經常💁作(zuò)爲耐沖刷🈲、耐磨(mó)及絕緣材料來(lai)使用。爲保證運(yun)動順暢，閥芯閥(fa)套之間采用間(jian)隙配合，這也使(shi)得兩者🏃‍♂️之間存(cun)在一定的環形(xíng)縫隙，導緻閥芯(xīn)一但脫離密封(fēng)🔞部件，即便還沒(mei)有打開出水口(kou)也會産生一定(dìng)的液體漏失，漏(lòu)失量可用式(2)計(jì)算，其中Cd爲流出(chu)系數,取經驗值(zhí)0.6。
 
式(2)中，Q一漏失水(shui)量(m3/d);Op-壓力差值(MPa);S一(yi)漏失面積(mm2)。
　　以常(chang)用的12mm直徑閥芯(xīn)爲例，閥套尺寸(cun)爲φ12+0.3+0.10，閥芯尺寸爲(wei)φ12-0.10-0.05，最大📱漏失面🏃‍♂️積(ji)爲3.77mm2，1MPa壓差下計算(suan)最大漏失量爲(wei)8.74m'/d，實際批量🥰測試(shi)表明💔在1MPa注水壓(yā)差下，調節閥漏(lou)失量最大✨可達(dá)8.3m3/d,使得此水🏃🏻量以(yǐ)下的流量調節(jiē)完全不可能實(shi)現。
　　此外，現有閥(fa)套的調節口多(duo)爲長條形、三角(jiao)形或階💔梯形，對(duì)于🐇20m3/d以上的流量(liang)調節具有較好(hǎo)的效果，但對于(yu)小方量的調節(jiē)精🏃度不夠。開度(du)值一般依靠安(an)裝在絲杠上的(de)磁鋼以及🎯對應(ying)的霍爾傳感器(qi)進行計🎯數，爲防(fáng)止磁場幹擾造(zào)成丢點，最多隻(zhi)能安裝6個磁鋼(gāng)，全行程計👈數值(zhí)爲72個，調節有效(xiao)行程計數值僅(jǐn)爲48個，分辨率遠(yuan)遠不能滿足小(xiǎo)方量的調節需(xū)求。
2.2閥芯閥套優(you)化設計
　　解決閥(fa)芯閥套的漏失(shi)問題根本在于(yu)減小配合間隙(xì)，但由于調🈲節閥(fa)軸向零部件較(jiao)多，且存在多個(ge)密封配合，累🌈計(jì)同軸度誤差很(hen)容易造成運動(dòng)卡阻和偏磨。經(jīng)😘過大量實驗和(he)計算，最終确定(dìng)優化設計方案(àn)如下:
1)閥芯閥套(tào)配合采用H8/f7精度(dù)等級，閥芯外徑(jing)尺寸範圍✨爲φ12-0.016-0.034，閥(fa)套内徑尺寸範(fan)圍爲φ12+0.0270,最大漏失(shi)面積爲1.15mm2，1MPa壓差下(xia)計算🌈最大漏失(shī)量爲2.67m3/d。
2)爲避免偏(pian)磨和運動卡阻(zu)，将閥套外圓與(yu)安裝孔的單邊(biān)間隙調整爲0.07mm~0.11mm,達(da)到閥套與閥芯(xin)緊密配合，但相(xiàng)對于外側安裝(zhuāng)件爲浮動💞安裝(zhuang)的效果。
3)閥套兩(liang)端安裝的密封(fēng)件采用銅粉填(tián)充聚四氟乙烯(xī)材質制作而成(cheng)的矩形密封圈(quān)，以适應閥套外(wai)圓與安⭐裝件之(zhi)間👉較大的密封(feng)間隙，保證密封(feng)效果。矩形圈與(yu)🆚外側安裝件和(hé)閥芯成微過盈(ying)壓縮配合，壓縮(suo)率爲18.4%，實測可滿(mǎn)足35MPa的長期密🤩封(feng)要求。
2.3出水口形(xíng)狀優化
　　爲了獲(huo)得更好的調節(jie)效果，對閥套出(chū)水口形狀進行(hang)了優㊙️化設🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計。如(rú)圖3中(a)所示，前端(duān)68%行程爲小方量(liàng)調節段，采用💜雙(shuāng)曲線、類💋三角形(xíng)形狀，在小開度(dù)時面積變化率(lǜ)較小，能夠獲得(de)更好的調節精(jīng)✏️度。在中開度🔞時(shi)面積變♉化率稍(shao)大，以獲得更快(kuai)的響應速度。後(hou)端🏃32%行程爲調節(jiē)+解堵段，采用矩(ju)形形狀設計。當(dang)發生疑☀️似出水(shui)口堵塞,注水困(kun)難的情況時将(jiāng)調節閥全開，此(ci)時出水口通徑(jing)變大，,使泥沙和(he)異物能夠被水(shuǐ)流沖☀️出，實現解(jie)堵。同時較大的(de)開口配合大孔(kong)徑多級偏心孔(kong)闆📐流量計，還可(ke)以适用調剖劑(ji)等較大顆粒💁物(wu)的注入作業。
 
　　設(shè)注水壓差爲1MPa，根(gēn)據式(2)進行模拟(ni)計算，結果如圖(tu)3中(b)所🌍示。當開度(dù)小于等于25%時，出(chū)水口開口面積(jī)小于閥芯間💚隙(xì)的1.15mm2，此時閥芯洩(xie)漏占主導因素(su)，流量維持2.67m3/d不變(bian);當開度小于等(deng)于68%時☔,處于小方(fang)量調節區間，出(chū)水量随開度緩(huan)慢上漲，流量調(diao)節範圍爲2.67m3/d~20.59m3/d;當開(kai)度大于💃68%~100%時，處于(yú)調節解堵區間(jiān)，流💔量調節範圍(wéi)爲20.59m3/d~111.35m3/d。
　　可見，優化設(she)計後的調節閥(fa)結構能夠滿足(zú)2.67m3/d~111.35m3/d的流量調⛹🏻‍♀️節💁需(xu)求，且在20.59m3/d以下具(ju)備更爲精确的(de)調節特性。配合(hé)多級偏心孔闆(pan)流🌂量計使用，能(neng)實現小流量的(de)精度高測調功(gong)能，且具備很強(qiang)的防堵塞能力(lì)及更廣泛的工(gōng)藝适用性。
2.4開度(dù)計數方式及自(zi)動測調算法優(you)化
　　爲了解決開(kāi)度計數分辨率(lǜ)不足的問題，将(jiang)霍爾傳感💛器和(he)磁㊙️鋼的安裝位(wèi)置從絲杠調整(zheng)到了減速電機(ji)的尾端。調節閥(fá)的減速🐆電機爲(wei)直流有刷高溫(wen)電機和行星減(jiǎn)速箱兩部分組(zu)成，減速比爲1526:1，磁(cí)鋼數量爲2。理論(lun)有效開度計數(shu)值從48個增加到(dao)24416個，分辨率大大(da)增加。同時，通過(guo)對開度零點進(jìn)行精确校正，配(pei)合計數值清零(líng)累加的方式，能(néng)夠很好地降低(dī)計數值🔱誤差的(de)影響。
　　分層注水(shuǐ)時地面管線通(tōng)常采用恒壓模(mo)式，注水壓差💃基(ji)本恒🙇‍♀️定♊。優化後(hou)的測調邏輯如(ru)圖4所示。生産時(shi)将1MPa~3MPa注水壓差的(de)多組不同開度(dù)對應流量的數(shu)據進行計算後(hòu)，形成數據表格(gé)預置在儀器内(nei)部存儲器中，并(bing)對儀🧑🏾‍🤝‍🧑🏼器開度零(ling)💚點進行校正。一(yi)般來說井下儀(yi)流量調配精❗度(du)要求爲1%F.S，地面控(kòng)制設備對井下(xia)分注🍉儀下發測(ce)調命令并給予(yu)目标🌂流量值，之(zhī)後井🈲下儀❌讀取(qǔ)内外壓并計算(suan)注水壓差，選擇(ze)與該壓差值最(zui)接近的預置數(shu)據表格作爲測(ce)調依據。查♉詢表(biao)格确定目标流(liu)量對應的開度(dù)值并進行開度(du)調節，這樣❌能夠(gou)快速定位目标(biāo)開度，縮短調節(jie)時間，減少運動(dòng)部件動作次數(shù)，降低電能消耗(hao)，延長儀器壽命(mìng)。之後對比📧目标(biāo)流量與當前測(ce)得的流量值，根(gēn)據流量差🌏值大(dà)小确定不同的(de)調節步長，直到(dào)滿💁足±1%F·S的精度要(yao)求。同時，若同一(yi)調節步長連續(xù)4次都不能滿足(zu)要求🌍，則采用更(geng)小的步長進行(háng)調節或停止調(diào)節。
3總結及現場(chǎng)試驗
　　針對現有(yǒu)的井下智能分(fen)注儀 差壓流量(liàng)計 和調節閥不(bu)能滿足小方量(liàng)測調的現狀進(jìn)行了分析，提🔴出(chū)了㊙️流量計節流(liú)壓差不夠，調節(jiē)閥芯漏失量過(guò)大，調節閥調節(jie)精度不足的問(wèn)題。針對以上問(wèn)題設計了多級(jí)偏心孔闆差壓(ya)流📐量計，過流面(mian)積增大69%，起排量(liang)降低到5m3/d以下🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。改(gai)進了調👈節閥結(jie)構并優化配合(he)間隙，對注水孔(kǒng)形狀進行優化(huà)，使調節閥理論(lùn).上能夠滿足2.67m3/d~111.35m3/d的(de)🏃調節需求，并在(zài)20m3/d以❗下具備更好(hao)的調節特性。調(diào)節閥流道及結(jié)構設計具備❗防(fáng)堵、防沉積能力(lì)，滿足多種作業(ye)需🧑🏽‍🤝‍🧑🏻求。對開度計(ji)數方👈式和測調(diao)算法進行了🌈優(yōu)化設計，提升調(diao)節閥調節分辨(bian)率,縮短動作時(shí)間，延長了🚩儀器(qi)壽命。
 

 

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