新型分層注水測調一體化系統的研制與應用

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(1.華北油田公司工程技術研究院 河北 任丘 062552；2.華北油田公司勘探開發研究院 河北 任丘 062552；3.華北油田公司第一采油廠 河北 任丘 062552)

0 引 言

在油田開發工作中，注水是補充地層能量，改善開發效果的重要措施。由于我國多數是陸相儲層，非均質性強，籠統注水的效果較差，所以分層注水是實現油田開發長期高產穩產的重要技術手段[1]。以前油田注水普遍采用的工藝是封隔器驗封和水量調配分開進行，分次下井實施，注水量的調配需要多次起下配水工具，不但工藝繁瑣、效率低、工作量大，而且調配成功率低、誤差大、調配成本大，影響了注水對油田開發作用的發揮。為更好地改善分層注水效果，研究成功了分層注水測調一體化系統，實現測調儀一次下井即可完成驗封、測調兩種功能。分層注水測調一體化系統集成了原同心測調儀、同心電動驗封儀、橋式同心可調配水器的優點，簡化了施工工藝，降低了調配成本，應用效果良好。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

分層注水測調一體化系統主要由地面控制器、地面微機、一體化測調儀、橋式同心可調配水器等組成。

1.2 工作原理

分層注水測調一體化系統利用機電一體化原理，采用邊測試邊調整的方式實現對注水井分層注水的測試與調配。測調儀通過單芯電纜給地面控制系統發送測量數據，同時地面控制器通過發送不同的控制命令來控制測調儀，測調儀通過其下端的調節頭帶動同心配水器的轉動，從而調節配水器的開度大小，進而對不同層位的流量進行調節以達到配注要求。測調儀測得的信號通過測試電纜傳輸到地面，通過控制柜信號轉換，在地面上可以實時直觀觀察到井底流量、壓力和溫度的變化情況。圖1是分層注水測調一體化系統的示意圖。

圖1 測調一體化系統示意圖

2 技術特點

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

2)配水器出水口為細長型，配合大扭矩低轉速進口電機減速機構，可以實現高分辨率、高精度注水調節，尤其對低注入量的水井調配優點更大。根據注入水量大小，可以配不同規格的陶瓷芯體；

3)支撐臂可以電動收回，做到對任何一個配水器進行調配；

4)測調動作切換全程有傳感器監測，工作可靠。

3 同心可調配水器

3.1 工作原理

同心配水器由上下接頭、外筒、本體、活動水嘴和固定水嘴組成。其結構如圖2所示。工作筒主體結構分布有多個橋式通道，使在本層段進行流量壓力測試時，其它層段依然可以通過橋式通道正常注水，不改變其它層段的工作狀態，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配效率及分層測壓效率。

圖2 同心可調配水器結構圖

同心配水工作筒通過改變出水孔的開度，實現對注水量的調節[2]。由于采用了特殊的陶瓷材料，可調水嘴具有耐磨性高、耐蝕性強和流通截面積穩定性好、可防砂卡等特性。

測調儀器在井下與其他井下工具的對接采用不旋轉、不導向的傻瓜方式，這樣能保證在斜度比較大的井中或因各種原因導致的井況不好的情況下，對接成功率仍然很高。

3.2 技術指標

最大外徑：Φ114 mm;

內孔最小通徑：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;

調節行程：40 mm;

4 井下測調儀

井下測調儀的作用是測試實際注入的水量。地面控制系統將實際注入量與設定值比較，調整配水器的開度。采用超聲波井下測調儀的優點是無可動部件，儀器系數穩定，水中的雜質對測量的影響較小。

4.1 工作原理

超聲波流量計的原理是：利用超聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比[3]得到被測流體的流速，進而換算成流量。流體流速變化引起的超聲波速度變化非常微小，極不容易檢測出來。為此，解決的辦法有兩個，一是采用兩個換能器雙向發射，逆流和順流時間差可以使變化量增加一倍；二是采用頻率差法，累計多次的逆流和順流傳播時間差。經推導可以得到公式(1)，利用標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為兩個換能器之間的距離；t2為順流時超聲波傳播時間；t1為逆流時超聲波傳播時間；f2為順流時超聲波發射頻率；f1為逆流時超聲波發射頻率。

圖3 是超聲波井下測調儀工作原理框圖

4.2 電路可靠性設計

1)提高元器件的可靠性

超聲波流量測調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，先經過常溫篩選，選出時漂較小的電容，然后再進行高溫測試，選出溫漂較小的電容。所有器件都要經過老化篩選，經高、低溫測試合格后再使用。線路板上除CPU、存儲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象。采用各種可編程邏輯器件，盡量減少元器件的數量，提高系統工作的可靠性。

2)優化印刷電路板的設計

根據超聲波流量計測量原理，因為流量變化引起的聲速變化量很小，這就對測量電路提出了很高的要求。超聲波流量測調儀的工作頻率較高，電路設計不僅原理要合理，印刷電路板也必須設計得當，否則會對流量測試結果造成很大影響。采用數模混合電路中常用的抗干擾措施[4,5]，采用正確的布線策略，盡量采用井字形網狀布線結構，電路印刷板的正面橫向布線，背面縱向布線，盡量避免平行走線，地線盡量短而粗，這些做法都有利于抑制高頻干擾。

4.3 標定試驗

超聲波測調儀在華北油田計量中心站的油氣水三相流模擬試驗裝置進行了精度測試和標定校檢研究。因注水井注入介質可視為單相流，故標定介質采用自來水，標定環境為常溫、常壓，改變模擬試驗裝置(標準表)的流量，記錄不同流量下的儀器響應值，試驗數據見表1，儀器的標定曲線如圖4所示。

表1 1#儀器標定實驗數據

圖4 1#儀器流量標定曲線

對1#儀器標定的數據點進行線性擬合，得到以下關系式：

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)。

根據式(2)和式(3)計算標準偏差σ

(3)

將有關數據代入，得標準偏差σ=2.237 92。

根據公式(4)計算精度

(4)

式(4)中，δ為精度；t為分布系數；Q為實測流量最大值。

顯著度取0.01，標定點數n為10時，分布系數t取3.17，將有關數據代入，計算得精度δ=3.54%，達到流量測量4%的精度要求。

5 現場應用

5.1 操作流程

1)預調水嘴開度

根據每口注水井不同的注水量，用程序計算出水嘴的大致開度，這樣做的好處是可以減少測調時間。

2)投放可調水嘴，可調水嘴的對接

只有在測調儀和可調水嘴可靠對接后，流量計的測量才是準確的，才能進行水嘴的調整操作。

3)第一層的測調

第一層是指最底下一層，在軟件的主界面下，增大或減小可調水嘴開度，使實際注水量和預期值一致。

4)第二層的測調

上提測調儀至第二層上方，增大或減小可調水嘴開度，此時流量計顯示值為第一、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)更多層的測調

重復第4)步，分別測調各層的注水量值，注意流量計顯示值是下面各層流量的總和。

5.2 技術優勢

分注井同心測調一體化井的現場試驗充分說明了一體化測調技術的優勢。

1)提高了測調效率：一是由井下存儲發展到地面直讀；二是由地面回放發展到邊測邊調；三是由多次投撈發展到一次下井完成多層測調，大大提高了測調效率。

2)提高了調配準確性：將原來的分級水嘴改變為無級連續可調水嘴，使單層合格配水量誤差由20%降低到10%以內。

3)測試過程可視化：可直觀判斷井下儀器的工作狀態，避免無效測試。可直觀觀察調配過程中水量變化趨勢，對調配過程起到指導作用，有效地提高了調配成功率。

4)提高了測調適應性：一是測試過程可直接讀取數據，嚴格按照配注量進行單層調配，對于新井初次測調成功率較高；二是采用的超聲波流量計精度較高，適用于單層低配注量井的測試；三是一次下井可實現多層重復性調節，對于層間矛盾較大的井，可最大程度減緩層間干擾。

6 結 論

分層注水測調一體化系統經室內和現場試驗，得出以下結論：

1)該系統能可靠實現一次下井完成多層注水量調配，簡化了調配工藝，提高了工作效率，降低了作業成本。

2)該系統采用超聲波一體化測調儀，解決了渦輪流量計因水中雜質造成調配失敗或誤差較大的問題，提高了調配成功率和調配精度。

3)該系統已在現場推廣應用600余井次，施工成功率達到98%，應用效果良好。