智能分注分層流量測(cè)量與自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)研究應(yīng)用

牛云鵬，劉宇光，柴金勇，蘭孟平

（西安洛科電子科技股份有限公司，西安 710065）

0 引言

水驅(qū)開(kāi)發(fā)是中國(guó)油田的主要開(kāi)發(fā)方式，是補(bǔ)充地層能量，提高采收率最有效的方法之一。由于油田非均質(zhì)性普遍，開(kāi)發(fā)對(duì)象物性差異大，平面和層間矛盾突出，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水，多采用分層注水方式[1-3]。與傳統(tǒng)分注工藝相比，智能分注工藝系統(tǒng)包含井下智能分注儀、地面智能管控儀、遠(yuǎn)程水井智能測(cè)控軟件等3 部分，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程-地面-井下數(shù)字立體化協(xié)同測(cè)控。該工藝技術(shù)能夠全自動(dòng)對(duì)井下各分層注入流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)掌握井下各層吸水狀況以及隨地質(zhì)、壓力、系統(tǒng)壓力等的變化規(guī)律及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整分層注入流量，實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)對(duì)中、低滲透層的注入量，對(duì)高滲透層進(jìn)行控制，防止注水層的單層突進(jìn)，實(shí)現(xiàn)均勻推進(jìn)，精細(xì)分注，提高注水合格率。

智能分注工藝技術(shù)的核心是對(duì)水井分層注水量進(jìn)行及時(shí)調(diào)控，調(diào)控的成功率、合格率依賴(lài)于井下分層流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，提高測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵在于流量計(jì)的選型設(shè)計(jì)與流量解釋算法的實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)分注井井下為高溫、高壓、高腐蝕，高沖蝕的復(fù)雜環(huán)境，而井下智能分注儀需在復(fù)雜環(huán)境下持續(xù)工作3 年以上。為了滿足井下復(fù)雜的工作環(huán)境，井下智能分注儀選擇具備耐高溫高壓，耐腐蝕、耐沖蝕，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的孔板式差壓流量計(jì)。隨著井下工作時(shí)間的延長(zhǎng)，受注入水質(zhì)、井下工作環(huán)境的影響，孔板式差壓流量計(jì)測(cè)量流道、孔板尺寸均會(huì)發(fā)生改變，從而造成流量漂移，測(cè)量誤差偏大，無(wú)法滿足精細(xì)分注要求。針對(duì)此情況開(kāi)展不動(dòng)管柱地面與井下儀器協(xié)調(diào)控制，進(jìn)行井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)研究，提高了井下分層流量計(jì)長(zhǎng)期工作的可靠性與持續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 孔板式差壓流量計(jì)原理

孔板式流量計(jì)的工作原理屬于差壓流量計(jì)的一種，在流體管道上安裝一個(gè)節(jié)流裝置，其內(nèi)部裝有一個(gè)孔板，流體流過(guò)孔板時(shí)由于孔徑變小，截面積收縮，速度加快，在孔板前后產(chǎn)生壓力降落即差壓，通過(guò)測(cè)量孔板前后的壓差，而計(jì)算取得流量數(shù)據(jù)的方法[3,4]。

井下孔板式差壓流量計(jì)選用高硬度、耐沖蝕的陶瓷作為節(jié)流孔板，選用兩個(gè)高精度耐高溫的壓力傳感器分別測(cè)量節(jié)流孔板前后壓力，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)壓力傳感器的壓力差來(lái)測(cè)得流量。

孔板式差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 孔板式差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of orifice plate differential pressure flowmeter

其流量理論計(jì)算公式為

其中：ΔP——孔口前后差壓（Pa）；A——孔口面積（㎡）；ρ——流體的密度（kg/m3）；Cd——儀表系數(shù)；qv——流量（m3/s）。

2 流量測(cè)量電路設(shè)計(jì)

根據(jù)孔板式差壓流量計(jì)的工作原理，首先對(duì)孔板前后壓力進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)考慮井下高溫工作環(huán)境對(duì)流量測(cè)量的影響需要對(duì)井下溫度進(jìn)行采集，對(duì)流量測(cè)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高流量測(cè)量準(zhǔn)確性。流量測(cè)量電路包含恒流激勵(lì)電路、壓力溫度采集電路、主控處理器，如圖2 所示。

圖2 流量測(cè)量電路Fig.2 Flow measurement circuit

其中，U1,U2 選用低失調(diào)電壓，低輸入偏置電流，高增益共模抑制比的軌至軌集成運(yùn)放芯片，U3 選用低噪聲、可編輯增益的24 位高精度AD 采集芯片，U4 為高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，R1,R2,R3 為耐高溫、低溫漂、高精度的電阻，Vref 為基準(zhǔn)芯片輸出的基準(zhǔn)電源。

依據(jù)集成運(yùn)放的基本原理，兩個(gè)輸入端的凈輸入電壓和凈輸入電流均為零，即集成運(yùn)放兩輸入端電壓相等，集成運(yùn)放U1A 與電阻R1 構(gòu)成恒流電路給孔前壓力傳感器提供恒流激勵(lì)信號(hào)，同理U1B 與電阻R2，U2 與電阻R3，構(gòu)成恒流激勵(lì)電路分別給孔口壓力P2，溫度傳感器提供恒流激勵(lì)信號(hào)。壓力溫度傳感器輸出信號(hào)通過(guò)24 位高精度AD采集芯片采集后傳輸?shù)組CU 中，通過(guò)測(cè)量壓力傳感器與溫度傳感器輸出的信號(hào)來(lái)測(cè)量壓力與溫度，MCU 依據(jù)流量解釋算法以及溫度補(bǔ)償算法，進(jìn)行分層注入流量計(jì)算[5,6]。

3 流量計(jì)算算法優(yōu)化

公式（1）為孔板差壓流量計(jì)的理論公式，而在實(shí)際應(yīng)用中采用工程方法進(jìn)行流量的計(jì)算，即先在標(biāo)定臺(tái)上進(jìn)行流量標(biāo)定，建立壓差值與流量值的數(shù)據(jù)表，即流量刻度數(shù)據(jù)。根據(jù)刻度數(shù)據(jù)進(jìn)行差壓值-流量值曲線擬合得出數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行流量計(jì)算[7,8]。

具體實(shí)施過(guò)程為把井下智能分注儀安裝在標(biāo)定臺(tái)上，根據(jù)設(shè)定的流量臺(tái)階進(jìn)行標(biāo)定，得出壓差值與流量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，刻度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 流量刻度數(shù)據(jù)Table 1 Flow scale data

根據(jù)流量全刻度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合如圖3 所示。

圖3 全刻度差壓-流量曲線擬合Fig.3 Full scale differential pressure flow curve fitting

根據(jù)全刻度差壓-流量曲線擬合，生成流量計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等因素的影響，從圖3 可知數(shù)學(xué)表達(dá)式（2）在流量為0m3/d、5m3/d、10m3/d 時(shí)，流量計(jì)算誤差偏大，最大流量誤差3.28m3/d，流量測(cè)量精度為8.2%。采用全刻度數(shù)據(jù)生產(chǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式無(wú)法適用于全量程流量測(cè)量，為了提高流量測(cè)量精度，需對(duì)數(shù)據(jù)擬合方式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

為了提高流量計(jì)算的精度，減少誤差，采用分段差壓-流量數(shù)據(jù)曲線擬合，把全刻度數(shù)據(jù)分為0m3/d、5m3/d、10m3/d 和15m3/d、20m3/d、25m3/d、30m3/d、35m3/d、40m3/d 兩部分，分段數(shù)據(jù)曲線擬合如圖4 所示。

圖4 分段刻度差壓-流量曲線擬合Fig.4 Segmental scale differential pressure flow curve fitting

根據(jù)分段刻度差壓-流量曲線擬合，生成流量計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

從圖4 中差壓-流量曲線擬合可知，數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算的流量值與標(biāo)準(zhǔn)流量值基本吻合，采用差壓-流量曲線擬合方法能夠有效提高流量測(cè)量精度，減少流量測(cè)量誤差，最大流量誤差為0.31m3/d，流量測(cè)量精度提高到1%。

流量計(jì)算算法優(yōu)化前后數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 流量算法優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of data before and after traffic algorithm optimization

4 井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)

4.1 分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)原理

智能分注儀長(zhǎng)期工作于井下，當(dāng)測(cè)量通道、孔板結(jié)垢時(shí)會(huì)造成流量測(cè)量流道與孔板尺寸發(fā)生改變，依據(jù)公式（1）可知，原刻度數(shù)據(jù)生成的分段流量計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式（3）、（4）計(jì)算出的流量誤差變大，發(fā)生井下流量漂移現(xiàn)象。為了提高井下分層流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，需定期對(duì)井下分層流量進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，重新生成分段流量計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式。

井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)工藝原理：水井地面智能管控儀具備恒流控制以及井下分注儀水嘴開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制功能，通過(guò)輪注制度，逐層對(duì)比目標(biāo)層位流量值與地面智能管控儀的流量值。當(dāng)流量差值超出誤差范圍后，地面智能管控儀依據(jù)預(yù)設(shè)恒流臺(tái)階自動(dòng)對(duì)分層流量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，生成新的差壓值與流量值數(shù)據(jù)表，依據(jù)新的壓力-流量數(shù)據(jù)模型自動(dòng)生成新流量計(jì)算表達(dá)式完成流量自動(dòng)校準(zhǔn)[4]。

4.2 分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)開(kāi)發(fā)與實(shí)施

井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)由地面智能管控儀自動(dòng)執(zhí)行，從啟動(dòng)到校準(zhǔn)，流量算法的更新直至結(jié)束，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，自動(dòng)完成。

井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)工作流程如圖5 所示。

圖5 分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)流程圖Fig.5 Layered flow automatic calibration flowchart

井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)詳細(xì)實(shí)施步驟如下：

1）明確流量自動(dòng)校準(zhǔn)自動(dòng)啟動(dòng)的兩個(gè)限制條件，一是流量自動(dòng)校準(zhǔn)啟動(dòng)周期與時(shí)間節(jié)點(diǎn)，二是地面智能管控儀流量與目標(biāo)層流量誤差值。這兩個(gè)限制條件根據(jù)施工井井況、地質(zhì)要求，可遠(yuǎn)程調(diào)整。

2）當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的流量自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，地面智能管控儀啟動(dòng)井下分層流量校準(zhǔn)功能，從第一層開(kāi)始進(jìn)行流量自動(dòng)校準(zhǔn)。

3）地面智能管控儀向井下各層智能分注儀發(fā)送水嘴開(kāi)關(guān)指令，打開(kāi)目標(biāo)層智能分注儀水嘴，關(guān)閉其他層智能分注儀水嘴。

4）地面智能管控儀自動(dòng)進(jìn)入恒流工作模式，讀取地面智能管控儀測(cè)得的流量數(shù)據(jù)與井下目標(biāo)層流量數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差計(jì)算。當(dāng)流量誤差大于設(shè)定誤差時(shí)，啟動(dòng)目標(biāo)層流量自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

5）地面智能管控儀控制的恒流值作為流量標(biāo)定值（流量標(biāo)定值根據(jù)流量測(cè)量范圍設(shè)置為8 個(gè)流量臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階穩(wěn)定5min），每個(gè)恒定流量臺(tái)階下讀取目標(biāo)層儀器孔前壓力與孔后壓力，并自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成差壓流量刻度數(shù)據(jù)表，依據(jù)“流量計(jì)算算法優(yōu)化”方法生成差壓-流量分段數(shù)學(xué)表達(dá)式，地面智能管控儀依據(jù)新的數(shù)學(xué)表達(dá)式自動(dòng)更新算法程序。完成目標(biāo)層流量自動(dòng)校準(zhǔn)后，調(diào)整下一層為目標(biāo)層位進(jìn)行流量自動(dòng)校準(zhǔn)，直至完成全井所有層位的流量校準(zhǔn)。

6）當(dāng)?shù)孛嬷悄芄芸貎x測(cè)得的流量數(shù)據(jù)與井下目標(biāo)層流量數(shù)據(jù)誤差符合設(shè)定誤差要求時(shí)，自動(dòng)結(jié)束該目標(biāo)層流量校準(zhǔn)功能，調(diào)整下一層為目標(biāo)層位進(jìn)行流量自動(dòng)校準(zhǔn)，直至完成全井所有層位的流量校準(zhǔn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2023 年6 月，智能分注工藝在新疆油田共實(shí)施60余口，單井分注層數(shù)多為2 ～4 層，全井注入量103/d～50m3/d，單層最小配注量5m3/d，井口最大注入壓力20MPa，平均井深2000m，智能分注井下流量自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)定周期為3 個(gè)月，流量校準(zhǔn)啟動(dòng)誤差設(shè)定為±2%。

智能分注現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用通過(guò)采用差壓-流量分段曲線擬合數(shù)學(xué)模型提高了孔板式差壓流量計(jì)算精度，精度可達(dá)1%；通過(guò)定期執(zhí)行的井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，提高了智能分注儀井下流量長(zhǎng)期測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性，誤差在2%以?xún)?nèi)。井下分層注入流量的準(zhǔn)確性、可靠性確保了分層流量調(diào)控的準(zhǔn)確性，使注水合格率達(dá)95%以上。

智能分注工藝不但實(shí)現(xiàn)了注水井地面注入信息與井下分層注入信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了井下與地面的立體化協(xié)同控制。特別是自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，有效提高了智能分注工藝長(zhǎng)期工作的可靠性與適用性，通過(guò)地面智能管控儀的流量與井下分層流量對(duì)比測(cè)試，在無(wú)需起井作業(yè)的情況下完成了井下流量的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定校準(zhǔn)，有效解決了智能分層注水流量的誤差問(wèn)題，提高了長(zhǎng)期工作的可靠性，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了較好的效果。

智能分注系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)流量自動(dòng)校準(zhǔn)周期與流量誤差值自動(dòng)進(jìn)行井下分層流量校準(zhǔn)，解釋算法程序自動(dòng)更新，整個(gè)過(guò)程不受時(shí)間、人員、環(huán)境等因素的影響，在提高智能分層注水準(zhǔn)確性的同時(shí)，降低了人力、物力。

6 結(jié)論

1）智能分注工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程-地面-井下數(shù)字化協(xié)同控制，能夠全自動(dòng)對(duì)井下各分層注入流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)地質(zhì)需求及時(shí)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)精細(xì)分注。

2）智能分注井下流量計(jì)算，采用分段壓力-流量擬合數(shù)學(xué)模型，提高了流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，保障分層注水的準(zhǔn)確度。

3）智能分注井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，解決了井下長(zhǎng)期工作流量漂移的問(wèn)題，保障了分層注水長(zhǎng)期測(cè)調(diào)的準(zhǔn)確性與可靠性，提高了分注合格率與油田開(kāi)發(fā)效果，為油藏的分析評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

4）井下分層流量自動(dòng)校準(zhǔn)，流量算法模型自動(dòng)建立，解釋算法自動(dòng)更新，無(wú)需人工操作，在提高智能分層注水準(zhǔn)確性的同時(shí)，提高了工作效率，降低了運(yùn)維成本，促進(jìn)油田數(shù)智化的發(fā)展。