摘要(yao):随着油田精細化(huà)管理和第四代智(zhi)能分注技術🔞的普(pǔ)📐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(hao)長壽命的使用要(yào)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(gēn)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(xing)地設計了多級偏(pian)心孔闆🧡流量🐕計，使(shi)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(shi)驗和現場驗❓證，證(zhèng)明該效果良好，滿(man)足了小方量測調(diào)的工藝要求。
0引言(yan)
　　注水驅油是國内(nei)油藏開采的重要(yào)手段，是保持油層(ceng)壓力，實現油田高(gao)産穩産的有效方(fāng)法”。常規的工👣作筒(tong)加測調儀的調配(pei)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(diào)能力已達極限。因(yin)此，随着數字化油(you)田建🈲設方向的提(tí)出和大數據🈚、人工(gōng)智能領域的飛速(su)發展，第四代智能(néng)分層注水技術及(jí)配套儀器開始飛(fēi)速發展。
　　智能分注(zhu)技術的核心是井(jǐng)下注水流量的正(zhèng)确測量和調控❓。對(duì)纜控智能分注儀(yi)中的 電磁流量計(ji) 和調節閥控制算(suan)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(jie)流量計 和多級調(diao)節閥進行";對井下(xia)孔闆流量計測量(liàng)方法和自動校準(zhun)算法進行。
　　油田大(dà)部分注水井單層(céng)日注水量爲5m3~50m3無纜(lan)智能分注🎯系統主(zhu)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(lü)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(yi)般集成 孔闆差壓(ya)式流量計 進行測(ce)量，針對小方量流(liú)量的測量一直是(shi)一個難點。同時由(you)于調節閥的問題(ti)，小方量的精确調(diào)節也難度👄極大，并(bìng)且整機流道存在(zài)很大的堵塞風險(xian)。針💰對孔闆流量計(jì)和無纜智能分注(zhù)系統💃🏻，如何正确進(jin)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼行小方量測量、小(xiǎo)方😘量調節和流道(dao)防堵，已經成爲🐅迫(po)在眉睫的🤩問題。
1小(xiao)方量孔闆差壓流(liú)量計設計
1.1孔闆差(chà)壓流量原理
　　孔闆(pǎn)差壓式流量計利(lì)用節流元件的前(qián)後壓差來進行流(liu)量的測量，節流元(yuán)件爲安裝在圓形(xing)管内部的薄壁帶(dai)孔圓闆，是工業上(shang)使用最多的流量(liang)計之😍一，體積流量(liang)可🛀🏻用式(1)計算。
 
　　式(1)中(zhong),C一流出系數;ε一膨(péng)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(mì)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(nuò)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(shù)據中獲得。
1.2現有無(wú)纜智能分注儀流(liu)量計結構
　　現有無(wú)纜智能分注儀調(diao)節閥和流量計組(zu)件在下接🔴頭的不(bu)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(liang)管和過流孔進人(ren)調節閥組件,再從(cong)調節閥組件閥杆(gǎn)周圍的環🚶‍♀️空空間(jian)流向閥套和出水(shuǐ)口進人地層。整💋個(ge)流道較爲✉️複雜，孔(kong)闆節流之後産生(sheng)🤞的二次壓損✨較大(dà)，且閥杆環空間隙(xi)僅爲3mm，很容易發生(sheng)堵塞🐉，尤其是停注(zhu)時流體不再運動(dong)✏️，産生的泥沙堆積(jī)還容易造成運動(dòng)部件的卡死。
　　爲适(shì)應井下高壓及應(yīng)對瞬時壓變的情(qing)況，井下儀器一般(bān)采用60MPa量程的表壓(ya)傳感器進行孔前(qian)孔後壓的測量,并(bìng)計算壓力🌈差值。經(jing)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(xia)，産生的節流壓差(cha)僅爲0.0063MPa，遠遠低于最(zuì)小壓差分辨值。在(zai)0.02MPa時，注入方量達到(dao)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(zài)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(liu)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(zhì)，使流體經過時被(bèi)迫改變流向，增加(jiā)節流效果。采用FlowSimulation進(jin)行有限元流體仿(páng)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(wèi)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(yòng)實驗工裝對多種(zhǒng)孔闆進行測試，結(jié)果表明，綜合🏃考慮(lǜ)過流面積及節流(liu)效果，5級偏心孔闆(pan)差壓流量計效果(guo)最好⚽，實測5m3/d時節流(liú)壓差約爲0.03MPa,滿足使(shǐ)用要求⭐。仿真及實(shí)驗結果如圖1所示(shì)。
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(fá)過流環空尺寸小(xiǎo)帶來的堵塞和沉(chén)積問題，結合偏心(xīn)孔闆差✨壓流😘量計(jì)♻️的結構方案，設計(jì)了一體🥵化流量調(diao)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(jin)💰人，經過偏心孔闆(pǎn)流量計組件後通(tong)過調節閥閥芯和(hé)閥套👣,直接從出水(shui)口進人地層。調節(jie)閥采用平衡壓結(jie)構設計，閥芯上端(duān)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(jie)阻力。調節閥采用(yòng)絲杠傳動機構，閥(fa)芯内置絲杠螺🚶母(mu)，傳動絲杠采用密(mì)封圈進行組合密(mi)封，尾端采用推力(lì)軸承承載壓差力(lì)，可滿🍓足60MPa的使用要(yao)求。節流孔闆後㊙️端(duān)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(de)，該一體化流量調(diao)節閥60MPa環境壓力下(xià)最大調節扭矩爲(wèi)♍1.8N·m。
 
2小方量調節閥改(gai)進
2.1現有調節閥存(cún)在問題
　　井下智能(néng)分注儀所采用的(de)調節閥多爲柱塞(sai)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(zhù)塞式調節閥在完(wan)全關死時，可在閥(fa)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(jiao)❤️好的高壓密封效(xiào)果。
2)柱塞式調節閥(fa)在閥芯兩側可實(shí)現平衡壓結構，并(bing)利用絲杠等傳動(dòng)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(fa)調節行程長，能夠(gòu)較爲精确地控制(zhi)🈲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(mo)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(zhi)間存在一定的環(huán)形縫隙，導緻閥芯(xin)一但脫離密封部(bu)件，即便還沒有打(dǎ)開出水口也會産(chǎn)生一定的液體漏(lou)失，漏失量可用🌐式(shì)(2)計算，其中Cd爲流出(chu)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(miàn)積(mm2)。
　　以常用的12mm直徑(jing)閥芯爲例，閥套尺(chǐ)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(pi)量測試表明在1MPa注(zhù)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(xià)的流量調節完全(quan)不可能實現。
　　此外(wài)，現有閥套的調節(jie)口多爲長條形、三(san)角形或階梯💃形，對(duì)于20m3/d以上的流量調(diào)節具有較好的效(xiào)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(zuì)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(háng)程計數值僅爲💃🏻48個(ge)，分辨率遠遠不能(néng)滿足小方量的調(diào)節需求🆚。
2.2閥芯閥套(tao)優化設計
　　解決閥(fá)芯閥套的漏失問(wèn)題根本在于減小(xiǎo)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(jì)同軸度誤差很容(rong)易造成運動卡阻(zǔ)和❄️偏磨。經過大量(liàng)實驗和計算，最終(zhong)确定🏃‍♂️優化設計方(fāng)案如下:
1)閥芯閥套(tao)配合采用H8/f7精度等(deng)級，閥芯外徑尺寸(cun)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(shi)量爲2.67m3/d。
2)爲避免偏磨(mo)和運動卡阻，将閥(fá)套外圓與安裝孔(kong)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(xiàng)對于外側安裝件(jiàn)爲浮動安裝的效(xiào)果。
3)閥套兩端安裝(zhuāng)的密封件采用銅(tong)粉填充聚四氟乙(yǐ)🌏烯☁️材質制作🧡而成(cheng)的矩形密封圈，以(yǐ)适應閥套外圓與(yǔ)安裝件之間較大(dà)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(zhang)期密封要求。
2.3出水(shuǐ)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(you)化🐕設計。如圖3中(a)所(suǒ)示，前端68%行程爲小(xiao)方量調節段，采用(yòng)雙曲線、類三角形(xing)形狀，在小開度時(shi)面積變化率較小(xiao)，能夠獲得更好的(de)調節精度。在中開(kāi)度時面積變化率(lǜ)稍大，以獲得更快(kuài)的響應速度。後端(duān)❄️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(shuǐ)困難的情😍況時将(jiang)調節閥全開，此時(shí)出水口通徑🤟變大(dà)，,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(kong)徑多級偏心孔闆(pan)流量計，還可以适(shi)用🆚調剖劑等較大(da)顆粒物的注入作(zuo)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(xīn)間隙的1.15mm2，此時閥芯(xīn)洩漏占主導因素(sù)，流量維持2.67m3/d不變;當(dang)開🤟度小于等于68%時(shi),處于小方量調節(jiē)區間，出水量随開(kāi)度緩慢上漲，流量(liang)調節💯範圍爲2.67m3/d~20.59m3/d;當🧡開(kāi)度大于68%~100%時，處于調(diao)節解堵區間，流量(liang)調節範圍爲20.59m3/d~111.35m3/d。
　　可見(jiàn)，優化設計後的調(diao)節閥結構能夠滿(man)足2.67m3/d~111.35m3/d的流量調節需(xū)求，且在20.59m3/d以下具備(bei)更爲精确的調節(jie)特性。配合多級偏(pian)心孔闆流量計使(shi)用，能實現小流量(liàng)的精度高測調功(gong)能，且具備很強的(de)防堵塞能力及更(geng)廣泛的工藝适用(yòng)性。
2.4開度計數方式(shi)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(fá)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(bǐ)爲1526:1，磁鋼數量⛷️爲2。理(lǐ)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(du)零點進行精确校(xiào)正，配合計數值清(qīng)零累加的方式，能(neng)夠✊很好地降低計(ji)數值🙇‍♀️誤差的影響(xiang)。
　　分層注水時地面(mian)管線通常采用恒(heng)壓模式，注水壓差(cha)基本恒定。優化後(hòu)的測調邏輯如圖(tú)4所示。生産時将1MPa~3MPa注(zhù)水壓差的多組🏒不(bu)同開度對應流量(liang)的數據進行計算(suàn)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(hang)校正。一般來說井(jing)下儀流量調配精(jīng)度要求爲1%F.S，地面控(kòng)制設備對井下分(fèn)注🈲儀下發測調命(ming)令并給予目标流(liú)量值，之後井下儀(yí)讀取内外壓并計(jì)算注水壓差，選擇(ze)🔅與該壓差值最接(jiē)近的預置數據表(biao)格作爲測調依據(ju)。查詢表格确定目(mu)标流量對應的開(kāi)度值并進行開度(du)調節，這樣㊙️能夠快(kuài)速定位目💋标開度(dù)，縮短調節時間🙇🏻，減(jian)少運動部件動作(zuò)次數，降低電能消(xiāo)耗，延長儀器壽命(ming)。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(bú)同的調節步長，直(zhi)到滿💔足±1%F·S的精度要(yào)求。同時，若同一調(diao)節步長連續4次都(dōu)不能滿足要求💚，則(ze)采用更小的步長(zhang)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(yi) 差壓流量計 和調(diào)節閥不能滿足小(xiao)方量測調的現狀(zhuàng)進行了分析☁️，提👈出(chū)了流量計節流壓(ya)差不夠，調節閥芯(xīn)漏失量過大，調節(jie)閥調節精度不足(zú)的問題。針對以上(shang)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(jie)閥結構并優化配(pei)合間隙，對注水孔(kǒng)形狀進💯行優化，使(shǐ)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(zu)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(lü)☁️,縮短動作時間，延(yán)長了儀器壽👄命。
 

 

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