存儲(chǔ)式智能堵塞器設(shè)計(jì)研究

尤 波，于大孚，賈德利

（1.哈爾濱理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

1 引言

隨著油田開發(fā)難度的不斷增加，常規(guī)分層注水工藝已不能完全滿足油田開發(fā)的需要。國外將智能堵塞器作為智能井技技術(shù)的一部分，在流量控制方面更傾向于電機(jī)控制，然而在空間機(jī)構(gòu)受到限制的情況下，球閥等微執(zhí)行器將起到作用，這一方面將是目前研究的熱點(diǎn)。而鋼絲投撈測調(diào)工藝是目前我國應(yīng)用規(guī)模最廣泛、最成熟、適應(yīng)性較強(qiáng)的測調(diào)方式[1-2]。但是反復(fù)投撈測調(diào)工藝測調(diào)作業(yè)工作量仍然很大，投撈試湊調(diào)節(jié)水量精度也不是很高。鋼絲投撈測調(diào)工藝測試過程采用存儲(chǔ)式地面回放獲得測試結(jié)果，井下儀器多次反復(fù)提出防噴管，不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)控，測調(diào)時(shí)需要測試車來配合，測試時(shí)工作量很大[3-4]。針對(duì)以上問題提出一種智能存儲(chǔ)式堵塞器，具有定周期單片機(jī)喚醒后實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)壓差與流量的關(guān)系進(jìn)行調(diào)配，避免了測試時(shí)需要測試車的龐大工作量，同時(shí)加密了測調(diào)周期，保障了注水合格率。

2 系統(tǒng)功能與技術(shù)指標(biāo)分析

2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水嘴開度大小的自動(dòng)調(diào)配以及歷史數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能該堵塞器采用了以下部件，包括球閥，傳感器，電機(jī)，電池，插接頭，對(duì)接頭，打撈頭，殼體，凸輪，傳動(dòng)軸，單片機(jī)存儲(chǔ)芯片等部件組成，如圖1所示。球閥與閥芯采用活塞式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過球閥上下做活塞運(yùn)動(dòng)改變與水面的壓差來調(diào)節(jié)開口流通大小或關(guān)閉，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水量的目的。前后兩個(gè)壓力傳感器檢測出井管與地面的壓差，將兩個(gè)不同的壓差通過電路部分傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)芯片當(dāng)中，壓力傳感器所測量的數(shù)值通過單片機(jī)將信號(hào)傳輸傳送到井上上位機(jī)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)處理后將適合該層段的注入壓力與流量的相應(yīng)數(shù)值傳送回主控芯片，單片機(jī)發(fā)送終端控制命令來調(diào)節(jié)水嘴開度，通過控制水嘴開度的調(diào)節(jié)進(jìn)而將流量進(jìn)行控制，形成一套閉環(huán)的反饋系統(tǒng)，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)控。

圖1 存儲(chǔ)式智能堵塞器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Storage Type Intelligent Plugging Device

2.2 技術(shù)手段分析

利用兩個(gè)壓力傳感器測出的井管和地層的壓差，根據(jù)流量壓差的關(guān)系公式換算出流量，由先檢測出來的水嘴開度的大小，根據(jù)不同的開度和壓差，利用數(shù)據(jù)辨識(shí)可標(biāo)定出流量，在系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測和定周期自動(dòng)調(diào)配，加密了調(diào)配周期，嚴(yán)格保障了注水合格率。在井上完成儀器的標(biāo)定，通過投撈儀放置到配水器內(nèi)，存儲(chǔ)式智能堵塞器就可自己獨(dú)立工作，根據(jù)設(shè)定的程序，定時(shí)開、關(guān)機(jī)，根據(jù)壓差調(diào)整閥的開度，達(dá)到控制流量的目的[5-6]。從而在調(diào)配過程中脫離了測試車的綁定，大大減少了工作量。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

智能存儲(chǔ)式堵塞器的各個(gè)部件的技術(shù)參數(shù)以及規(guī)格，如表1所示。

表1 堵塞器技術(shù)指標(biāo)的參數(shù)Tab.1 Parameters ofthe TechnicalParameters ofthe Stopper

2.4 系統(tǒng)工作原理及組成

2.4.1 閥芯結(jié)構(gòu)及工作原理

球閥結(jié)構(gòu)示意由步進(jìn)電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)，緩沖桿，球閥構(gòu)成，如圖2所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到流量變化信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)正反轉(zhuǎn)，通過緩沖桿上下提拉球閥，增大或者減小球閥與安裝在主體上的閥座之間的間隙。自動(dòng)調(diào)節(jié)注水量，從而達(dá)到配注水量的精確完成[7-9]。

圖2 閥芯結(jié)構(gòu)Fig.2 Spool Structure

2.4.2 堵塞器核心部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)采用螺紋、密封圈連接?；钊麠U密封采用車氏滑環(huán)密封，工作壓力（0～70）Mpa、溫度（-55～250）℃。軸最小直徑6.0mm，傳感器外殼直徑12.6mm。（2）電機(jī)選用設(shè)計(jì)計(jì)算。螺紋直徑為8mm，螺距1mm。當(dāng)環(huán)境壓力最大為P1=40Mpa時(shí)，閥芯調(diào)節(jié)桿直徑 6mm，軸所受軸向 M=1/2×d2×F3×tanλ=0.5×6×1130.4×0.0629=0.213N.m（λ=3.6，tanλ=0.0629）F3=P1×S3=1130.4 故所以選取電機(jī)為12V，轉(zhuǎn)矩2.5N.m，轉(zhuǎn)速2r/min。（3）電池選用設(shè)計(jì)計(jì)算?；钊畲蠊ぷ餍谐虨?5mm。電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)兩圈，在井下一次最長工作時(shí)間預(yù)計(jì)10min。電池電壓為14.4V，電容量為1.5Ah。工作時(shí)總電流約為500mA。作業(yè)一次需約83mAh電量，最多可使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)18次。去除電路、芯片、待機(jī)等消耗，電機(jī)可工作15次，按每10天調(diào)試一次，可工作150天（5個(gè)月）。

3 系統(tǒng)辨識(shí)

3.1 壓差與流量的關(guān)系

管道是一個(gè)柱椎體，斷面處A-A在該管道的中心線上，液體的流動(dòng)速度是VA，液體的密度是ρA，D是管道直徑，SA表示斷面面積，液體在斷面B-B處流體流速為VB，密度為ρB，該環(huán)形斷面的面積為SB，其椎體直徑d用來表示。根據(jù)伯努利定律，在一個(gè)密閉的空間內(nèi)其流動(dòng)的液體的總量始終保持一個(gè)定值[10]。伯努利方程為：

3.2 水嘴流量特性數(shù)值仿真

根據(jù)球閥內(nèi)流體復(fù)雜的流動(dòng)情況分析，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可行性難以得到保證，為此做如下假設(shè)：（1）球閥內(nèi)流體假設(shè)密度為998kg/m3；的不可壓縮牛頓液體；（2）流場內(nèi)無流體的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生；（3）流體在流場中只沿單方向流動(dòng)。

關(guān)于流場的邊界條件設(shè)定：（1）壓力邊界作為流場的入口條件；（2）流體與壁面接觸邊界假設(shè)靜止，且壁面無滑移；（3）壓力邊界出口作為出口條件。不同開度的條件下球閥的截面形狀會(huì)產(chǎn)生變化，因?yàn)榍蜷y的過流面積寬泛，所以流量系數(shù)不是一個(gè)固定值，與開度有關(guān)。根據(jù)流體力學(xué)可知：

式中：Cd—流量系數(shù)；

Q—流量，L/s；

A（x）—閥口過流面積，mm2；

ρ—液流密度，kg/m3；

Δp—壓力差，MPa。

通過給定流量來測入口和出口壓力的方式進(jìn)行的壓力測量，如圖3所示。通過對(duì)壓力進(jìn)行測量可以得出水嘴在不同開度下和不同的壓差下的水嘴的流量。通過MTALAB系統(tǒng)仿真計(jì)算可以計(jì)算出在不同開度和不同壓差下的流量Q，將其帶入式（6）得到流量Q與球閥開度值x的相互關(guān)系，通過流量Q與球閥開度值x的相互關(guān)系計(jì)算出x與其相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，圖3分別為25%、40%和60%時(shí)的流量系數(shù)曲線。流量系數(shù)曲線在水嘴開度25%到40%的時(shí)候是上移的，而流量系數(shù)曲線下移是在開度為60%以后隨著球閥壓差的增大逐漸趨于平緩，如圖4所示。將水嘴不同開度的大小與水嘴液體流量之間的關(guān)系整合得到的數(shù)值分析曲線，如圖5所示。根據(jù)圖5可知，在水嘴開度為25%時(shí)，水嘴的流量是最大值。

圖3 智能調(diào)配下恒流非等壓狀態(tài)實(shí)驗(yàn)Fig.3 The Intelligent Deployment Under Constant Current Non Isobaric State Experiment

圖4 球閥仿真流量數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Simulation Flow Data for Ball Valve

圖5 水嘴開度與流量數(shù)據(jù)曲線Fig.5 The Nozzle Opening and Flow Curve Data

在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真得出了水嘴開度在25%時(shí)的不同壓差下的數(shù)據(jù)，如表2所示。水嘴流量先增大后減小的原因是根據(jù)公式（6）可知：水嘴的流量大小與水嘴兩端前后的壓差的大小是非線性變化的。球閥的流量特性在啟閉階段可以看作為直線，但在中間開度的時(shí)候轉(zhuǎn)變?yōu)榘俜直忍匦?。?duì)于液體介質(zhì)而言，在上游壓力一定的情況下，閥門的流量是受到一個(gè)臨界壓差的限制，當(dāng)閥門上下游的壓差到達(dá)臨界壓差值的時(shí)候，液體介質(zhì)會(huì)發(fā)生氣蝕，產(chǎn)生大量的氣泡，對(duì)閥門管道產(chǎn)生阻塞，從而限制閥門的流量。在水嘴開度的流量特性過程中達(dá)到臨界壓差之前是隨著壓力的增大而增大，達(dá)到臨界點(diǎn)之后流量受限而逐漸減小。水嘴開度25%時(shí)的仿真曲線高于試驗(yàn)的曲線，如圖6所示。在壓差小的情況下誤差比較大，產(chǎn)生誤差的原因是由于將數(shù)控水嘴近似于薄壁小孔進(jìn)行仿真而引起的誤差。在增大水嘴的壓差后，仿真的曲線與試驗(yàn)的曲線幾乎吻合，誤差低于5%。證明了仿真與試驗(yàn)的結(jié)果的一致性。并得出開度和與流量之間的系數(shù)關(guān)系，采用四次插值算法得出開度與流量的關(guān)系式，如式（7）所示。

表2 水嘴開度25%時(shí)的嘴損數(shù)據(jù)Tab.2 The Tap Open Pressure Data at 25%Degrees

圖6 水嘴不同開度的嘴損曲線Fig.6 Shows the Different Degrees of Water Pressure Curve

已知注水量Q就可以通過公式得出水嘴壓差：

4 結(jié)論

（1）球閥開度在45%時(shí)水嘴的流量最大，水嘴的流量與球閥開度的大小關(guān)系是非線性的。

（2）基于球閥在不同開度下的流量系數(shù)和內(nèi)外壓差，利用數(shù)據(jù)辨識(shí)可標(biāo)定出流量，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到芯片中，實(shí)現(xiàn)壓力和流量的歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過單片機(jī)定周期喚醒監(jiān)測，定時(shí)開、關(guān)機(jī)，根據(jù)壓差調(diào)整閥的開度，實(shí)現(xiàn)定周期實(shí)時(shí)調(diào)配。

（3）存儲(chǔ)式智能堵塞器解決了分注井投撈測試復(fù)雜的難題，擺脫了測試時(shí)必須有測試車的束縛，減少了工作量。具有良好的測試精度和較高的工作效率的優(yōu)勢，能更好的適應(yīng)油田分層注水高效測調(diào)技術(shù)的發(fā)展。

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