摘要(yào):随着油田精細化(huà)管理和第四代智(zhi)能分注技術😄的普(pu)及，單層小方量注(zhù)人的計量、調節顯(xian)得尤爲😘重要，同時(shí)還要滿足低功耗(hào)長壽命的使用要(yao)求。目前，井下分注(zhu)儀的 孔闆流量計(ji) 及 調節閥 很難滿(man)足5m3/d的測調要求。根(gen)據井下測調原理(lǐ)，對影響小方☔量測(cè)💯調的技術難點進(jin)行了分析,針對性(xìng)地設計了多級偏(pian)心🧡孔闆流量計，使(shǐ)過流面積增加69%，并(bing)滿足5m3/d的起排要求(qiú);優化改進了調節(jiē)閥結構和測調邏(luó)輯，使調節閥滿足(zú)2.67m3/d~111.35m3/d的調節需求🌈，且測(ce)調效率更高，防堵(du)塞能力更好。通過(guò)理論計算、室内試(shì)驗和現場驗🛀證，證(zhèng)明該效✏️果良好，滿(mǎn)足了小🍉方量測調(diao)的工藝要求。
0引言(yán)
　　注水驅油是國内(nèi)油藏開采的重要(yào)手段，是保持油層(céng)壓力，實現油田高(gao)産穩産的有效方(fāng)法”。常規的工作筒(tǒng)加測🔴調儀的調配(pèi)方式需要占用大(dà)量人力物⭐力，随着(zhe)🔴注水規模的.擴💔大(dà)，工作😄量逐年增多(duo)，現場人員的測調(diao)能力已達☀️極限。因(yīn)此📧，随着數字💯化油(yóu)田建設方向的提(ti)出和大數據💛、人工(gong)智能領域的飛速(sù)發🔞展，第四代智能(néng)分層注水技術及(ji)配套儀器開始飛(fēi)速發展。
　　智能分注(zhu)技術的核心是井(jing)下注水流量的正(zhèng)确測量和調控。對(dui)纜控智能分注儀(yi)中的 電磁流量計(ji) 和調節閥控制算(suàn)法進行了優化改(gǎi)進;針對海上油田(tian)大排⛱️量🈲注🐅人的特(tè)點，對大排量 渦街(jiē)流量計 和多級調(diào)節閥進行";對井下(xià)孔闆流量計測量(liang)方法和自動校準(zhun)算法進行。
　　油田大(da)部分注水井單層(ceng)日注水量爲5m3~50m3無纜(lan)智能分注🔞系統主(zhǔ)要在油田應用，由(yóu)于采用電池供電(diàn)，對低功耗性能要(yào)求很高，同時考慮(lǜ)到回注水水質較(jiao)差🔴容易對電磁和(hé)♋超聲流量計造成(cheng)影響，儀器内部一(yī)般集成 孔闆差壓(ya)式流量計 進行測(ce)量，針對小方量流(liu)量的測量一直是(shì)一個難點。同時由(yóu)于調節閥的問題(tí)，小方量的精确調(diào)節也難度極大，并(bing)且整機流道存在(zài)很大的堵塞風險(xiǎn)。針對孔闆流量計(ji)和無纜智能分🧑🏽‍🤝‍🧑🏻注(zhu)系統，如何正确進(jin)行小方量測量、小(xiao)方量調節和流道(dao)防堵🙇🏻，已經成爲迫(pò)在眉睫的問題。
1小(xiao)方量孔闆差壓流(liu)量計設計
1.1孔闆差(chà)壓流量原理
　　孔闆(pan)差壓式流量計利(li)用節流元件的前(qián)後壓差來進行✔️流(liu)量的測量，節流元(yuan)件爲安裝在圓形(xing)管内部的薄壁帶(dai)孔圓闆，是工業😍上(shàng)使用最多的流量(liàng)計之一，體積☂️流量(liàng)可用式(1)計算。
 
　　式(1)中(zhōng),C一流出系數;ε一膨(peng)脹系數;D一管道内(nèi)徑(m);d一節流孔徑(m);△p一(yi)壓力差(Pa);ρ1一流體密(mi)度(kg1m3);β一直徑比;qm一質(zhi)量流量(kg/s)。
　　其中，流出(chū)系數C取決于雷諾(nuo)數Re,而雷諾數Re取決(jue)于qm，C可利用叠代法(fǎ)計算或從實驗數(shu)據中獲得。
1.2現有無(wu)纜智能分注儀流(liú)量計結構
　　現有無(wu)纜智能分注儀調(diào)節閥和流量計組(zu)件在下接頭的不(bú)同安裝孔中平行(háng)放置。注水時流體(ti)從進水口進人流(liu)量計組件，被孔闆(pǎn)節流後通過流量(liàng)管和過流孔進人(ren)👈調節閥組件,再從(cóng)調節🏃閥組件閥杆(gan)✨周圍的環空空間(jiān)流向閥套和出水(shui)口進人地層。整個(gè)流道較爲🔆複雜，孔(kǒng)闆節🏃‍♀️流之後産生(shēng)的二次壓損較大(dà)，且閥杆👈環空間隙(xì)僅爲3mm，很容易發生(sheng)堵塞，尤其是停注(zhu)時流體不再運動(dòng)，産生的泥沙堆積(ji)還容易造成運動(dong)部件的卡死。
　　爲适(shì)應井下高壓及應(ying)對瞬時壓變的情(qing)況，井下儀器🙇‍♀️一般(ban)采♻️用60MPa量程的表壓(ya)傳感器進行孔前(qián)孔後壓的測量,并(bìng)🙇🏻計算壓力差值。經(jīng)過實驗證明，能夠(gòu)分辨的最小壓力(li)差值約爲0.02MPa。
　　孔闆孔(kong)徑爲5mm，流量管内徑(jìng)爲13mm。根據式(1)計算可(ke)知，在5m3/d的小方量下(xià)，産生的節流壓差(chà)僅爲0.0063MPa，遠遠低于最(zui)小壓差分辨值。在(zài)0.02MPa時，注入方量✌️達到(dào)了8.9m3/d。
 
1.3多級偏心孔闆(pan)流量計設計及實(shi)驗
　　孔闆差壓流量(liang)計的根本原理在(zai)于形成節流壓差(chà)，針對無纜智能分(fèn)注儀的結構特點(diǎn)，重新設計了多級(ji)偏心孔闆結🔅構。流(liú)量管内徑爲13mm，采用(yong)5級偏心孔闆，節流(liú)孔徑6.5mm，偏心距3mm，孔闆(pan)🌂間距10mm。相鄰孔闆💘節(jiē)流孔成交錯放置(zhi)，使流體經過時被(bei)迫改變流向，增😘加(jia)節流效🏃果。采用FlowSimulation進(jin)行有限元流體仿(pang)真計算，環境壓力(li)爲大氣壓，流體介(jiè)質爲水，溫度爲20.5℃，水(shuǐ)量爲5m/d。計算結果顯(xiǎn)示🛀🏻節流前壓力爲(wei)0.1228MPa，節流後壓力爲0.1007MPa，節(jie)流✏️壓差爲0.0221MPa，滿足最(zuì)小壓差要求，且流(liu)道💛通徑變爲6.5mm，過流(liu)面❗積增大了69%。利用(yong)實驗工☂️裝對多種(zhong)孔闆進行✔️測試，結(jie)果表明，綜合✍️考慮(lǜ)過流面積及節流(liú)效果，5級偏心孔闆(pan)差壓流量計效果(guǒ)最好，實測5m3/d時節流(liu)壓差約爲0.03MPa,滿足使(shi)用要求。仿真及實(shí)驗結果如圖1所示(shi)。
1.4防堵塞一體化流(liu)量調節閥設計
　　爲(wei)解決現有調節閥(fa)和流量計存在的(de)流道複雜，調節閥(fa)過流環❤️空尺寸小(xiao)帶來的堵塞和沉(chén)積問題，結合偏心(xīn)孔闆差壓流量計(ji)的結構方案，設計(ji)了一體化流量調(diào)節閥✔️，其結構如圖(tú)2所🛀🏻示。儀器下井時(shi)左端在上右端在(zai)下，流體🧑🏽‍🤝‍🧑🏻從下端進(jìn)人，經過偏🏃心孔闆(pan)流🈲量計組件後通(tōng)過調節閥閥芯和(he)閥套,直接從出水(shuǐ)口進人地層。調👨‍❤️‍👨節(jiē)閥采用平衡壓結(jié)構設計，閥芯上端(duan)設置導壓孔引入(rù)管内壓力，使得閥(fa)芯上端和下端壓(yā)力平衡，降低調🚶節(jiē)阻力。調節閥采用(yòng)絲杠傳動機構，閥(fa)芯内置絲杠螺母(mǔ)，傳動絲杠采用密(mì)封圈進行組合密(mi)封，尾端采用推力(li)軸承承載壓差力(lì)，可滿✨足60MPa的使用要(yào)求。節流孔闆後🐉端(duan)爲直通通道，減小(xiao)堵💃塞風險。停注時(shi)泥沙自動下落‼️，不(bu)存在沉積風險。通(tong)過樣機實驗測得(dé)，該一體化流量調(diao)節閥60MPa環境壓力下(xia)最大調節扭矩爲(wei)1.8N·m。
 
2小方量調節閥改(gai)進
2.1現有調節閥存(cun)在問題
　　井下智能(neng)分注儀所采用的(de)調節閥多爲柱塞(sāi)式，主要有以下✌️原(yuán)因:
1)分注儀在調節(jiē)閥全關狀态下，要(yao)求能夠承受25MPa.的内(nei)外壓🥰差⭕不👄滲漏。柱(zhu)塞式調節閥在完(wán)全關死時，可在閥(fá)芯關死位置設計(ji)密封結構，如橡膠(jiāo)0形圈、格萊圈、泛塞(sāi)封等，能夠實現較(jiào)好的高壓密封效(xiao)果。
2)柱塞式調節閥(fá)在閥芯兩側可實(shí)現平衡壓結構，并(bing)利用絲杠等傳動(dong)機構降低調節扭(niu)矩，降低電機選型(xing)的要求和.調節電(dian)流。
3)柱塞式調節閥(fá)調節行程長，能夠(gou)較爲精确地控制(zhì)開🈲度大小，進而實(shí)現流量的調節。
　　柱(zhù)塞式調節閥的調(diao)節部分主要由閥(fá)芯和閥套組成，一(yi)👌般采用司太立合(hé)金或氧化锆陶瓷(cí)制作。合金是一種(zhong)能耐各種類型磨(mó)損、腐蝕以及高溫(wen)氧化的硬質合🌍金(jīn)(9),，是閥芯閥杆的理(li)想材料;氧🌈化锆陶(táo)瓷具🌈備優異的高(gao)韌性、高🚶硬度特征(zheng)，在石油行🈲業中經(jīng)常💞作爲耐沖刷、耐(nài)磨及絕緣🐕材料來(lai)使用。爲保證運動(dong)🔞順暢，閥芯閥套之(zhī)間采用間隙配合(hé)，這也使得兩者之(zhī)間存在一定的🈲環(huan)形縫♻️隙，導緻閥芯(xin)一但脫離密封部(bu)件，即便還沒有🔞打(da)開出水口也會産(chan)生一定的液體漏(lòu)失，漏失量可用式(shi)(2)計算，其中Cd爲流出(chū)系數,取經驗值0.6。
 
式(shì)(2)中，Q一漏失水量(m3/d);Op-壓(ya)力差值(MPa);S一漏失面(mian)積(mm2)。
　　以常用的12mm直徑(jing)閥芯爲例，閥套尺(chi)寸爲φ12+0.3+0.10，閥芯尺寸爲(wèi)φ12-0.10-0.05，最大漏🌈失面積爲(wei)3.77mm2，1MPa壓差下計算最大(dà)漏失量爲8.74m'/d，實際批(pī)量測試表明🤟在1MPa注(zhu)水壓差下，調節閥(fá)漏失量最大可達(dá)8.3m3/d,使得此水量以下(xia)的流量調節完全(quán)不可能實現。
　　此外(wai)，現有閥套的調節(jiē)口多爲長條形、三(san)角形或階🤞梯🥰形，對(dui)于20m3/d以上的流量調(diào)節具有較好的效(xiao)果，但對于小方量(liàng)的調節精度不夠(gòu)。開度值一般依靠(kào)安裝在絲杠🤟上的(de)磁🥰鋼以及對應的(de)霍爾傳感器進行(háng)計數，爲防止磁場(chǎng)幹擾造成丢點，最(zui)多隻能㊙️安裝6個磁(ci)🤩鋼，全行程計數值(zhi)爲72個，調節有效行(hang)程計數值僅爲⛱️48個(gè)，分辨率遠遠不能(néng)滿足小方量的調(diao)節需求。
2.2閥芯閥套(tào)優化設計
　　解決閥(fá)芯閥套的漏失問(wèn)題根本在于減小(xiao)配合間隙♉，但🌈由于(yu)調節閥軸向零部(bu)件較多，且存在多(duo)個密封配合，累計(ji)同軸度🏃誤差很容(rong)易造成運動卡阻(zu)和偏磨。經過大量(liang)實驗和計算，最終(zhong)确定優化設計方(fang)案如下:
1)閥芯閥套(tao)配合采用H8/f7精度等(děng)級，閥芯外徑尺寸(cùn)範圍爲φ12-0.016-0.034，閥套⛱️内徑(jìng)尺寸範圍爲φ12+0.0270,最大(dà)漏失面積爲1.15mm2，1MPa壓差(cha)下♈計算最大漏失(shī)量爲2.67m3/d。
2)爲避免偏磨(mó)和運動卡阻，将閥(fa)套外圓與安裝孔(kǒng)的單邊㊙️間⛹🏻‍♀️隙調整(zheng)爲0.07mm~0.11mm,達到閥套與閥(fa)芯緊密配合，但相(xiang)對于外側㊙️安裝件(jiàn)爲浮動⚽安裝的效(xiào)果。
3)閥套兩端安裝(zhuang)的密封件采用銅(tong)粉填充聚四氟乙(yi)烯材🥰質制作而成(chéng)的矩形密封圈，以(yi)适應閥套外圓與(yu)安裝件之間較大(da)的密封間隙，保證(zhèng)密封效果。矩✊形圈(quān)與外側安裝件和(he)閥芯成☀️微過盈壓(ya)縮配合，壓縮率爲(wei)18.4%，實測可滿足35MPa的長(zhǎng)期密封要求。
2.3出水(shui)口形狀優化
　　爲了(le)獲得更好的調節(jie)效果，對閥套出水(shuǐ)口形狀進行了優(yōu)化設🔞計。如圖3中(a)所(suo)示，前端68%行程爲小(xiao)方量調節段㊙️，采用(yong)雙曲線、類三角形(xíng)形狀，在小開度時(shí)面積變化率較小(xiǎo)，能夠獲得🐉更好的(de)調節精度。在中開(kai)度時面積變化率(lü)稍大，以獲得更快(kuài)的響應速度。後端(duan)🆚32%行程爲調節+解堵(du)段，采用矩形形狀(zhuàng)設計。當發生疑似(sì)出水口堵塞,注水(shui)困難的情況時将(jiang)調節閥全開✔️，此時(shí)出水口通徑變大(da)，,使泥沙和異😍物能(neng)夠被水流沖出，實(shí)現解堵。同時較大(dà)的開口配合大孔(kǒng)徑多級偏心孔闆(pǎn)流量計，還可以适(shì)用調剖劑等較大(da)🏃‍♂️顆粒物的注入作(zuò)業。
 
　　設注水壓差爲(wèi)1MPa，根據式(2)進行模拟(nǐ)計算，結果如圖3中(zhong)(b)所示。當👈開度小于(yu)等于25%時，出水口開(kai)口面積小于閥芯(xin)間隙的1.15mm2，此時閥芯(xin)🐕洩漏占主導因素(sù)，流量維持2.67m3/d不變;當(dāng)開度小于等于68%時(shi),處于小方量調節(jie)區間，出水量随開(kai)度緩慢上漲❓，流量(liàng)調節範圍爲2.67m3/d~20.59m3/d;當開(kāi)度大于68%~100%時，處于調(diào)節解堵區間，流量(liang)調節範圍爲20.59m3/d~111.35m3/d。
　　可見(jian)，優化設計後的調(diào)節閥結構能夠滿(man)足2.67m3/d~111.35m3/d的流量調♍節🧑🏽‍🤝‍🧑🏻需(xu)求，且在20.59m3/d以下具備(bèi)更爲精确的調節(jiē)特性。配合多級偏(piān)心孔闆流量計使(shǐ)用，能實現小流量(liàng)的精度高測調功(gōng)能，且具備很強的(de)♻️防堵塞能力及更(geng)廣泛的工藝适用(yong)性。
2.4開度計數方式(shì)及自動測調算法(fa)優化
　　爲了解決開(kāi)度計數分辨率不(bu)足的問題，将霍爾(ěr)傳🐕感器和👨‍❤️‍👨磁鋼的(de)安裝位置從絲杠(gang)調整到了減速電(dian)機的🔞尾端。調節閥(fa)的減速電機爲直(zhi)流有刷高溫電機(jī)和行星減速箱兩(liǎng)部分組成，減速比(bi)爲1526:1，磁鋼數量爲2。理(li)論有效開度計數(shu)值從48個增加到24416個(gè)，分辨率大大增加(jiā)。同時，通過對開度(dù)零點進行精💔确校(xiào)正，配合計數值清(qing)零累加的方式，能(néng)夠很好地降低計(jì)💃🏻數值誤差的影響(xiǎng)。
　　分層注水時地面(mian)管線通常采用恒(héng)壓模式，注水壓㊙️差(cha)基本恒定。優化後(hòu)的測調邏輯如圖(tu)4所示。生産時✔️将1MPa~3MPa注(zhu)水壓差的多組不(bu)同開度對應流量(liang)的數據進行計算(suan)後，形成數據表格(ge)預置在儀器内部(bù)存儲器中，并對儀(yi)🈲器開度零點進行(háng)校正。一般來說井(jǐng)下儀流量調配精(jing)度要求爲1%F.S，地✔️面控(kong)制設備對井下分(fen)注儀下發測調✊命(mìng)🏒令并給予目标流(liu)量值，之後井下儀(yi)讀取内外壓并計(jì)算注水壓差，選擇(zé)與該壓差值最接(jiē)近的預置數據表(biǎo)格作爲測調依據(ju)。查詢表格确定目(mù)标流🐕量對應的開(kāi)度值并進行開度(du)調節🚩，這樣✊能夠快(kuai)速定位目🚩标開度(dù)，縮短調節時間，減(jiǎn)少運動🈲部件動作(zuò)次數，降低電能消(xiāo)🐪耗，延長儀器壽命(mìng)。之後對比目标流(liú)量與當前測得的(de)流量值，根據流量(liang)差值大小确定不(bu)同的調節步長，直(zhi)到滿足±1%F·S的精度要(yao)求。同時，若同一調(diao)節㊙️步長連續4次都(dou)不能滿足要求，則(zé)采用更小的步長(zhǎng)進行調節♊或停止(zhǐ)調節。
3總結及現場(chang)試驗
　　針對現有的(de)井下智能分注儀(yí) 差壓流量計 和調(diao)節閥不能滿足小(xiao)方量測調的現狀(zhuàng)進行了分析，提🐕出(chu)⁉️了流量計節流壓(yā)差不夠，調節閥芯(xīn)漏失量過大，調節(jie)閥調節精度不足(zu)的問題。針對以上(shàng)問題設計了多級(ji)偏心孔闆差壓流(liú)量計，過流面積增(zeng)大69%，起排量降低到(dao)5m3/d以下💋。改進了調節(jiē)閥結構并優化配(pei)⚽合間隙，對注水孔(kong)形狀進行優化，使(shi)調節閥理論.上能(néng)夠滿足2.67m3/d~111.35m3/d的調節需(xu)求，并在20m3/d以下具備(bèi)更好的調節特性(xing)。調節閥流道及結(jie)構設計具備防堵(du)、防沉積能力，滿足(zú)多種作業需求。對(dui)開度計數方式和(hé)測調算法進行了(le)優化設計，提升調(diao)節🤞閥調節分辨率(lǜ),縮短動作時間，延(yán)長了儀器壽命。
 

 

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