新型分層注水測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

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(1.華北油田公司工程技術(shù)研究院 河北 任丘 062552；2.華北油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 河北 任丘 062552；3.華北油田公司第一采油廠(chǎng) 河北 任丘 062552)

0 引 言

在油田開(kāi)發(fā)工作中，注水是補(bǔ)充地層能量，改善開(kāi)發(fā)效果的重要措施。由于我國(guó)多數(shù)是陸相儲(chǔ)層，非均質(zhì)性強(qiáng)，籠統(tǒng)注水的效果較差，所以分層注水是實(shí)現(xiàn)油田開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)手段[1]。以前油田注水普遍采用的工藝是封隔器驗(yàn)封和水量調(diào)配分開(kāi)進(jìn)行，分次下井實(shí)施，注水量的調(diào)配需要多次起下配水工具，不但工藝繁瑣、效率低、工作量大，而且調(diào)配成功率低、誤差大、調(diào)配成本大，影響了注水對(duì)油田開(kāi)發(fā)作用的發(fā)揮。為更好地改善分層注水效果，研究成功了分層注水測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)調(diào)儀一次下井即可完成驗(yàn)封、測(cè)調(diào)兩種功能。分層注水測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)集成了原同心測(cè)調(diào)儀、同心電動(dòng)驗(yàn)封儀、橋式同心可調(diào)配水器的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了施工工藝，降低了調(diào)配成本，應(yīng)用效果良好。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

分層注水測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)主要由地面控制器、地面微機(jī)、一體化測(cè)調(diào)儀、橋式同心可調(diào)配水器等組成。

1.2 工作原理

分層注水測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)利用機(jī)電一體化原理，采用邊測(cè)試邊調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)注水井分層注水的測(cè)試與調(diào)配。測(cè)調(diào)儀通過(guò)單芯電纜給地面控制系統(tǒng)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)地面控制器通過(guò)發(fā)送不同的控制命令來(lái)控制測(cè)調(diào)儀，測(cè)調(diào)儀通過(guò)其下端的調(diào)節(jié)頭帶動(dòng)同心配水器的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)配水器的開(kāi)度大小，進(jìn)而對(duì)不同層位的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到配注要求。測(cè)調(diào)儀測(cè)得的信號(hào)通過(guò)測(cè)試電纜傳輸?shù)降孛妫ㄟ^(guò)控制柜信號(hào)轉(zhuǎn)換，在地面上可以實(shí)時(shí)直觀(guān)觀(guān)察到井底流量、壓力和溫度的變化情況。圖1是分層注水測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)的示意圖。

圖1 測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)示意圖

2 技術(shù)特點(diǎn)

1)新型橋式空心可調(diào)配水器的尺寸短小，不足0.8 m，這樣使得分層配水的卡距較小時(shí)也可實(shí)現(xiàn)；

2)配水器出水口為細(xì)長(zhǎng)型，配合大扭矩低轉(zhuǎn)速進(jìn)口電機(jī)減速機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度注水調(diào)節(jié)，尤其對(duì)低注入量的水井調(diào)配優(yōu)點(diǎn)更大。根據(jù)注入水量大小，可以配不同規(guī)格的陶瓷芯體；

3)支撐臂可以電動(dòng)收回，做到對(duì)任何一個(gè)配水器進(jìn)行調(diào)配；

4)測(cè)調(diào)動(dòng)作切換全程有傳感器監(jiān)測(cè)，工作可靠。

3 同心可調(diào)配水器

3.1 工作原理

同心配水器由上下接頭、外筒、本體、活動(dòng)水嘴和固定水嘴組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作筒主體結(jié)構(gòu)分布有多個(gè)橋式通道，使在本層段進(jìn)行流量壓力測(cè)試時(shí)，其它層段依然可以通過(guò)橋式通道正常注水，不改變其它層段的工作狀態(tài)，最大限度地減小各層之間的層間干擾，能有效提高分層流量調(diào)配效率及分層測(cè)壓效率。

圖2 同心可調(diào)配水器結(jié)構(gòu)圖

同心配水工作筒通過(guò)改變出水孔的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)注水量的調(diào)節(jié)[2]。由于采用了特殊的陶瓷材料，可調(diào)水嘴具有耐磨性高、耐蝕性強(qiáng)和流通截面積穩(wěn)定性好、可防砂卡等特性。

測(cè)調(diào)儀器在井下與其他井下工具的對(duì)接采用不旋轉(zhuǎn)、不導(dǎo)向的傻瓜方式，這樣能保證在斜度比較大的井中或因各種原因?qū)е碌木疀r不好的情況下，對(duì)接成功率仍然很高。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

最大外徑：Φ114 mm;

內(nèi)孔最小通徑：Φ46 mm;

工作溫度范圍：-30 ℃～+150 ℃;

工作壓力：≤60 MPa;

流量范圍：5～200 m3/d;

30～500 m3/d;

50～1000 m3/d;

調(diào)節(jié)行程：40 mm;

4 井下測(cè)調(diào)儀

井下測(cè)調(diào)儀的作用是測(cè)試實(shí)際注入的水量。地面控制系統(tǒng)將實(shí)際注入量與設(shè)定值比較，調(diào)整配水器的開(kāi)度。采用超聲波井下測(cè)調(diào)儀的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)可動(dòng)部件，儀器系數(shù)穩(wěn)定，水中的雜質(zhì)對(duì)測(cè)量的影響較小。

4.1 工作原理

超聲波流量計(jì)的原理是：利用超聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比[3]得到被測(cè)流體的流速，進(jìn)而換算成流量。流體流速變化引起的超聲波速度變化非常微小，極不容易檢測(cè)出來(lái)。為此，解決的辦法有兩個(gè)，一是采用兩個(gè)換能器雙向發(fā)射，逆流和順流時(shí)間差可以使變化量增加一倍；二是采用頻率差法，累計(jì)多次的逆流和順流傳播時(shí)間差。經(jīng)推導(dǎo)可以得到公式(1)，利用標(biāo)定的方法可以把流體流速v換算成流量。

(1)

式(1)中，v為流體流速；L為兩個(gè)換能器之間的距離；t2為順流時(shí)超聲波傳播時(shí)間；t1為逆流時(shí)超聲波傳播時(shí)間；f2為順流時(shí)超聲波發(fā)射頻率；f1為逆流時(shí)超聲波發(fā)射頻率。

圖3 是超聲波井下測(cè)調(diào)儀工作原理框圖

4.2 電路可靠性設(shè)計(jì)

1)提高元器件的可靠性

超聲波流量測(cè)調(diào)儀使用的元器件比較多，包括分立元件和集成塊。分立元件包括電阻、電容、電感等，電阻選用高精度、低溫漂的金屬膜電阻，電容選用精度較高的校正電容，先經(jīng)過(guò)常溫篩選，選出時(shí)漂較小的電容，然后再進(jìn)行高溫測(cè)試，選出溫漂較小的電容。所有器件都要經(jīng)過(guò)老化篩選，經(jīng)高、低溫測(cè)試合格后再使用。線(xiàn)路板上除CPU、存儲(chǔ)器等芯片考慮到更換的需要外，其余元件均直接焊接，以減少由于接觸不良造成的不可靠現(xiàn)象。采用各種可編程邏輯器件，盡量減少元器件的數(shù)量，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

2)優(yōu)化印刷電路板的設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波流量計(jì)測(cè)量原理，因?yàn)榱髁孔兓鸬穆曀僮兓亢苄?，這就對(duì)測(cè)量電路提出了很高的要求。超聲波流量測(cè)調(diào)儀的工作頻率較高，電路設(shè)計(jì)不僅原理要合理，印刷電路板也必須設(shè)計(jì)得當(dāng)，否則會(huì)對(duì)流量測(cè)試結(jié)果造成很大影響。采用數(shù)?；旌想娐分谐Ｓ玫目垢蓴_措施[4,5]，采用正確的布線(xiàn)策略，盡量采用井字形網(wǎng)狀布線(xiàn)結(jié)構(gòu)，電路印刷板的正面橫向布線(xiàn)，背面縱向布線(xiàn)，盡量避免平行走線(xiàn)，地線(xiàn)盡量短而粗，這些做法都有利于抑制高頻干擾。

4.3 標(biāo)定試驗(yàn)

超聲波測(cè)調(diào)儀在華北油田計(jì)量中心站的油氣水三相流模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行了精度測(cè)試和標(biāo)定校檢研究。因注水井注入介質(zhì)可視為單相流，故標(biāo)定介質(zhì)采用自來(lái)水，標(biāo)定環(huán)境為常溫、常壓，改變模擬試驗(yàn)裝置(標(biāo)準(zhǔn)表)的流量，記錄不同流量下的儀器響應(yīng)值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，儀器的標(biāo)定曲線(xiàn)如圖4所示。

表1 1#儀器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 1#儀器流量標(biāo)定曲線(xiàn)

對(duì)1#儀器標(biāo)定的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到以下關(guān)系式：

Q=0.046 1×f+2.774 6

(2)

式(2)中，Q為流量(m3/d)；f為頻差(0.001 Hz)。

根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

(3)

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=2.237 92。

根據(jù)公式(4)計(jì)算精度

(4)

式(4)中，δ為精度；t為分布系數(shù)；Q為實(shí)測(cè)流量最大值。

顯著度取0.01，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)n為10時(shí)，分布系數(shù)t取3.17，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得精度δ=3.54%，達(dá)到流量測(cè)量4%的精度要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 操作流程

1)預(yù)調(diào)水嘴開(kāi)度

根據(jù)每口注水井不同的注水量，用程序計(jì)算出水嘴的大致開(kāi)度，這樣做的好處是可以減少測(cè)調(diào)時(shí)間。

2)投放可調(diào)水嘴，可調(diào)水嘴的對(duì)接

只有在測(cè)調(diào)儀和可調(diào)水嘴可靠對(duì)接后，流量計(jì)的測(cè)量才是準(zhǔn)確的，才能進(jìn)行水嘴的調(diào)整操作。

3)第一層的測(cè)調(diào)

第一層是指最底下一層，在軟件的主界面下，增大或減小可調(diào)水嘴開(kāi)度，使實(shí)際注水量和預(yù)期值一致。

4)第二層的測(cè)調(diào)

上提測(cè)調(diào)儀至第二層上方，增大或減小可調(diào)水嘴開(kāi)度，此時(shí)流量計(jì)顯示值為第一、二層流量的總和，總流量減去第一層的注水量就是第二層的注水量。

5)更多層的測(cè)調(diào)

重復(fù)第4)步，分別測(cè)調(diào)各層的注水量值，注意流量計(jì)顯示值是下面各層流量的總和。

5.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

分注井同心測(cè)調(diào)一體化井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)充分說(shuō)明了一體化測(cè)調(diào)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1)提高了測(cè)調(diào)效率：一是由井下存儲(chǔ)發(fā)展到地面直讀；二是由地面回放發(fā)展到邊測(cè)邊調(diào)；三是由多次投撈發(fā)展到一次下井完成多層測(cè)調(diào)，大大提高了測(cè)調(diào)效率。

2)提高了調(diào)配準(zhǔn)確性：將原來(lái)的分級(jí)水嘴改變?yōu)闊o(wú)級(jí)連續(xù)可調(diào)水嘴，使單層合格配水量誤差由20%降低到10%以?xún)?nèi)。

3)測(cè)試過(guò)程可視化：可直觀(guān)判斷井下儀器的工作狀態(tài)，避免無(wú)效測(cè)試?？芍庇^(guān)觀(guān)察調(diào)配過(guò)程中水量變化趨勢(shì)，對(duì)調(diào)配過(guò)程起到指導(dǎo)作用，有效地提高了調(diào)配成功率。

4)提高了測(cè)調(diào)適應(yīng)性：一是測(cè)試過(guò)程可直接讀取數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照配注量進(jìn)行單層調(diào)配，對(duì)于新井初次測(cè)調(diào)成功率較高；二是采用的超聲波流量計(jì)精度較高，適用于單層低配注量井的測(cè)試；三是一次下井可實(shí)現(xiàn)多層重復(fù)性調(diào)節(jié)，對(duì)于層間矛盾較大的井，可最大程度減緩層間干擾。

6 結(jié) 論

分層注水測(cè)調(diào)一體化系統(tǒng)經(jīng)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)該系統(tǒng)能可靠實(shí)現(xiàn)一次下井完成多層注水量調(diào)配，簡(jiǎn)化了調(diào)配工藝，提高了工作效率，降低了作業(yè)成本。

2)該系統(tǒng)采用超聲波一體化測(cè)調(diào)儀，解決了渦輪流量計(jì)因水中雜質(zhì)造成調(diào)配失敗或誤差較大的問(wèn)題，提高了調(diào)配成功率和調(diào)配精度。

3)該系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用600余井次，施工成功率達(dá)到98%，應(yīng)用效果良好。