智能配注井井下監(jiān)測電磁流量計的設計及應用

張玉輝,潘嘯天,張野,劉艷玲,李軍,郭振雷

(1.大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司,黑龍江大慶163453;2.大慶油田有限責任公司試油試采分公司,黑龍江大慶163412;3.大慶油田有限責任公司第三采油廠,黑龍江大慶163000)

0 引 言

當油田開發(fā)進入中后期,分層注水驅(qū)油成為重要的開采手段。針對不同井況,采用分層開采技術,根據(jù)需要對多個油層同時注水,對不同的油層進行定量的配注。在現(xiàn)有的采油技術中,偏心注水是目前油田采用的最主要方法,雖然偏心注水工藝可以解決多級分層注水的問題,但傳統(tǒng)的測調(diào)工藝方法工作量大、效率低,已經(jīng)嚴重制約了注水技術的發(fā)展。智能配注是利用機電一體化技術,將流量監(jiān)測、通信及自動控制系統(tǒng)置于井下智能配水器中,可對層段注入量、累積注入量實時監(jiān)控,將注入量測試和調(diào)整結(jié)合起來,實現(xiàn)井下各層流量測試和自動調(diào)配[1-2]。井下各層流量的精確測量是實現(xiàn)科學調(diào)配的關鍵。

近年來電子流量計的推廣使用,使注水井的分層測試效率、測試資料的準確性等都有很大提高。相對于其他的電子流量計,電磁流量計結(jié)構(gòu)簡單、無機械活動部件、無節(jié)流部件、測量范圍寬、測量結(jié)果準確度高[3-4]。在油田生產(chǎn)中,電磁流量計被廣泛應用于注水井、注聚井的注入剖面測井,目前,電磁流量計也被用于油水兩相流產(chǎn)出剖面測井,儀器工作穩(wěn)定,測量數(shù)據(jù)重復性好、測量結(jié)果準確可靠[5]。因此,研制應用于油田智能配注井流量測試的電磁流量計尤為重要,可為智能調(diào)配提供可靠的流量數(shù)據(jù)。本文研制了一種可長期放置于智能配注井中的電磁流量計,該流量計能進行注入量測量,對其工作性能進行室內(nèi)檢測并進行水域中的標定。室內(nèi)檢測及現(xiàn)場應用試驗表明,所研制的智能配注井電磁流量計具有良好的穩(wěn)定性、重復性,線性響應好,可以長期置于井下定時的監(jiān)測注水情況。

1 儀器結(jié)構(gòu)設計及測調(diào)工藝

1.1 總體方案設計及測調(diào)工藝

在油田井下流體流量測量中,由于井下注入流體復雜,管壁結(jié)垢現(xiàn)象嚴重,外流式電磁流量計受井壁變徑影響,因此,儀器設計為內(nèi)流式的電磁流量計結(jié)構(gòu)[6],整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。將儀器與電纜相連接,電纜與井下管柱固定,儀器坐入配水器中,整體跟隨管柱下入井下指定位置,通過配水器閥門開度調(diào)節(jié)注入量大小。對注水井進行測調(diào)時,給儀器供電,注水井中流體通過進液口流入儀器測量通道內(nèi),流經(jīng)電磁流量傳感器,電磁流量傳感器隨流量不同有相應的頻率輸出,流體經(jīng)電磁流量傳感器檢測后,通過配水器水嘴流入地層。電磁流量計的測量信號經(jīng)由測量電路處理,再通過電纜傳入地面采集系統(tǒng)中,經(jīng)地面采集軟件處理可以直接讀出流量測量結(jié)果。

圖1 內(nèi)流式電磁流量計結(jié)構(gòu)設計圖

儀器進液口采用防護網(wǎng)設計,目的是防止井下雜物進入測量通道,可以避免大塊雜物堵塞調(diào)節(jié)水嘴,同時消除雜物對感應電極的磨損,保證測量結(jié)果的準確性?？紤]儀器需要長期放置于井下,為適應井下惡劣的條件,儀器外殼及感應電極等部件選用耐腐蝕材質(zhì),以提高井下儀器長期工作的穩(wěn)定性,保證測量精度。

1.2 測量傳感器結(jié)構(gòu)設計

通過建立仿真模型,利用測量區(qū)域的樣本平均值、樣本標準差、變異系數(shù)、磁場均勻長度和均勻區(qū)域等相關概念對電磁流量計內(nèi)部磁場分布情況進行分析,對傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與內(nèi)部磁場的關系進行研究,確定傳感器的優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)[7-8]。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,傳感器采用雙發(fā)射磁極與雙測量電極的結(jié)構(gòu)。測量電極與發(fā)射磁極兩兩相對均勻分布在管道圓周上,測量電極與儀器外殼相絕緣,與流體直接接觸,磁極的勵磁線圈內(nèi)部包裹鐵芯,用來產(chǎn)生交變磁場,導電流體從傳感器測量通道內(nèi)流過時切割磁力線并產(chǎn)生感應電動勢[9]。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 流道內(nèi)徑優(yōu)化設計

電磁流量計測量范圍大,對于地面用電磁流量計(相同直徑的傳感器),滿量程流速為0.3～15.0 m/s,推薦的最佳測量速度為1～5 m/s。計算不同管徑電磁流量計測量的流量范圍,根據(jù)計算結(jié)果選定合適的電磁流量計設計管徑,電磁流量計管徑、流速與流量關系計算結(jié)果見表1。由表1可見,為滿足1～100 m3/d流量測量范圍要求,較佳的電磁流量計流道管徑應該選擇為10 mm。為擴大流量測量范圍,此次流道內(nèi)徑設計為12 mm。根據(jù)流量的測量范圍優(yōu)化電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu),保證傳感器的穩(wěn)流長度。

表1 電磁流量計管徑、流速與流量關系

1.4 主要技術指標與性能特點

電磁流量計的主要技術指標:外徑28 mm,長度650 mm,耐溫80 ℃,耐壓35 MPa,流量測量范圍為0.5～120.0 m3/d、精度為±3%。電磁流量計的主要性能特點:①采用內(nèi)流式結(jié)構(gòu)設計,不受井壁結(jié)垢及變徑影響,測試結(jié)果更準確可靠;②電磁流量計電極采用防腐設計,可以提高井下儀器長期工作的穩(wěn)定性,保證測量精度;③進液口采用防護網(wǎng)設計,防止異物進入測量通道對測量結(jié)果的影響,提高測量可靠性;④充分考慮測量電極前后的穩(wěn)流段長度,避免流體流態(tài)對測量結(jié)果造成影響。

2 室內(nèi)檢測及標定結(jié)果

2.1 測量穩(wěn)定性檢測

為了檢測儀器工作性能,在現(xiàn)場應用前對儀器進行水域的標定及檢測。將經(jīng)過耐壓檢測后的儀器傳感器全部浸入水中,通過室內(nèi)給儀器供電,間隔10 min記錄儀器輸出頻率。儀器工作穩(wěn)定性檢測結(jié)果見表2,儀器在水中輸出頻率穩(wěn)定,工作狀態(tài)良好。

表2 儀器工作穩(wěn)定性檢測結(jié)果

2.2 儀器在室內(nèi)水域中標定結(jié)果

將儀器連接封隔裝置放入標定井筒中,封隔裝置密封儀器外壁與井筒內(nèi)壁形成的環(huán)形空間,保證流體完全進入測量通道。給儀器供電進行流量調(diào)節(jié),流量調(diào)節(jié)為0.5、1.0、3.0、5.0、8.0、10.0、20.0、40.0、60.0、70.0、80.0、100.0、120.0 m3/d,記錄每一流量點時的儀器輸出頻率,記錄時間為2 min。計算每一流量點時的儀器輸出頻率平均值,將數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到儀器的標定檢測結(jié)果圖見圖3,儀器的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果(見表3)。由圖3可見,隨著流量的增大,儀器輸出頻率線性增加,線性相關系數(shù)為0.999 979,顯示出儀器具有良好的線性響應。由表3可見,在0.5～120.0 m3/d流量范圍內(nèi),儀器測量誤差在±1%之內(nèi)。

圖3 儀器標定結(jié)果圖

表3 檢測數(shù)據(jù)結(jié)果

2.3 儀器在室內(nèi)水域重復性檢測

記錄每一流量點時的儀器輸出頻率,在水中進行3次測量,儀器測量重復性結(jié)果見圖4。由圖4可見,3次測量結(jié)果基本重復。計算重復性誤差,對同一流量點的3次測量儀器輸出頻率取平均值,以各流量點的平均輸出頻率值為橫坐標,以流量為縱坐標進行線性擬合,得到線性擬合結(jié)果,將每一次各流量點的輸出頻率代入擬合公式中進行測量流量的計算,將測量的流量與標準流量對比,計算滿量程誤差,得到誤差分布(見圖5)。最大重復性誤差為0.65%,顯示清水中3次測量結(jié)果具有良好的重復性。

圖4 儀器測量重復性結(jié)果

圖5 重復性測量誤差分布

3 現(xiàn)場試驗應用

將儀器置入配水器中跟隨管柱下入井下指定位置。注水井測調(diào)時,根據(jù)電磁流量計給出的實時測量結(jié)果調(diào)節(jié)注水井各層段的配注量。在大慶油田進行了現(xiàn)場測調(diào)試驗,表4、表5分別為高XX-YY井、高AA-BB井7個層段的測調(diào)試驗結(jié)果。表4中,高XX-YY井單層測調(diào)流量相對誤差最大為5.25%,全井流量相對誤差為4.13%;表5中,高AA-BB井單層測調(diào)流量相對誤差最大為6.70%,全井流量相對誤差為2.50%。2口井單層測調(diào)誤差和合層誤差均滿足測調(diào)要求。

表4 高XX-YY井測調(diào)結(jié)果

表5 高AA-BB井測調(diào)結(jié)果

儀器于2017年6月隨井下工具下井進行注入量調(diào)配測量,2018年5月22日從井下提出儀器,儀器在井下歷經(jīng)近1年時間,工作狀態(tài)穩(wěn)定,測量數(shù)據(jù)可靠,表明智能注入井電磁流量計可以長期放置于井下配水器中,對注水情況進行實時監(jiān)測。流量測量結(jié)果可以真實反應井下流量情況,準確度高,可以配合注入井測調(diào)實現(xiàn)智能配注。

4 結(jié) 論

(1)實驗表明,智能配注井井下電磁流量計在清水中具有很好的線性響應,儀器輸出穩(wěn)定、重復性好,測量結(jié)果準確,滿量程誤差在±1%之內(nèi)。

(2)應用電磁流量計進行智能配注井配注量監(jiān)測,可以真實反應井下情況,測量結(jié)果準確且測試精度高,可以滿足測試需求。

(3)現(xiàn)場試驗中,電磁流量計在井下穩(wěn)定工作時間1年左右,初步達到設計要求。需要繼續(xù)進行現(xiàn)場試驗,進一步驗證電磁流量計在井下穩(wěn)定工作的時間,研究井下環(huán)境對電磁流量計的影響。