一種改進型壓控智能配水器的設計

屈瑞娜，王偉濤

（西安思源學院，陜西西安，710038）

0 引言

油田投入開發后，隨著開采時間的增長，油層壓力不斷下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產量大大減小，甚至會停噴停產，造成地下殘留大量死油開采不出來。為了彌補原油開采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，實現油田高產穩產，并獲得較高的采收率，必須對油田進行注水。

目前石油領域常用的配水器工具主要分為傳統的投撈式配水器、邊測邊調配水器、有纜自動測調配水器、無纜測調配水器和壓控智能配水器等幾種。

（1）偏心鋼絲投撈固定水嘴式配水器：主要是通過鋼絲等對偏心配水器水嘴進行投撈，滿足地層配水量。缺點：①精度差，固定水嘴無法對水量精細調節，誤差大。②無法實現水量實時監測。③現場測調時間長、作業時間長，投撈成功率低。

（2）邊測邊調配水器：電纜連接流量測調儀，通過流量計實時測量水量大小，判斷水嘴開度是否合適。缺點：①無法實現長期監測。②長期配水精度差，無法實現精細分注。③測調作業時間長，工藝復雜。

（3）有纜自動測調配水器具備自動測調與測試功能，且下井作業完成后，后續操作和維護簡便，且后期無成本，長時間作業時成本較低，同時可實時傳輸數據。缺點是：在油田生產過程中，由于儀器須采用電纜進行信號的傳輸，所以下井前須選用不同規格電纜并在下井時對其進行保護。同時要求井場有外接電源，這樣不但增加儀器成本，而且下井作業比較費時費力。

（4）無纜自動測調配水器也局部自動測調和測試功能，同時下井作業過程較為簡單，成本低，對井場要求比較低。缺點是：在油田生產過程，對井下儀器數據傳輸時，須用測井車進行作業，后期累計作業費較高。

（5）壓控智能配水器主要使用在注水井中，由于井下的壓力、溫度較高而且注水過程中配水器會隨著油管柱產生振動，可能存在儀器內部有少量水汽的風險。在流量測調過程中發現水嘴開度在80%～100%時，水嘴開度的變化對通過的流量幾乎無影響。壓控配水器的流量計是通過壓差來計算相應的流量，所以根據壓力傳感器的特點，需定期對壓差傳感器的零點進行校正。針對以上幾點，在現有的壓控智能配水器上進行了優化、改進。

1 技術分析

壓控配水器主要包括驗封短節、流量計、水嘴短節、電池電源和防返吐裝置等?，F有儀器的結構圖如圖1所示。

圖1 壓控配水器結構圖

優化改進后的配水器結構圖如圖2所示。

圖2 優化改進配水器結構圖

2 配水器優化、改進措施

在原有壓控智能配水器的基礎上，對其進行了優化，主要表現在對儀器內部結構進行了二次密封結構；對儀器的流量調節部分進行了優化；差壓流量計采用傳感器自校準功能。主要表現在以下幾個方面：

（1）二次密封結構主要是對儀器內部的元器件和各個模塊增加密封外殼，避免凝結水蒸氣和其他氣體對元器件的影響。

（2）流量調節部分是對流體的出口形狀進行了更改，保證小方量的調節精度和大方量的調節要求。

（3）傳感器自校準功能是對儀器在井下長時間工作后出現零點漂移，通過配合流量調節裝置，進行差壓零點校準。

（4）基于井下多級壓損的流量測量技術，由原來的單級孔板流量計優化為多級孔板流量計，實現了4-40m3/d流量精準測量，且有效降低了孔板堵塞的風險。

3 儀器的具體改進實施方案

儀器整體優化如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 配水器整體結構圖

圖4 水嘴結構圖

圖5 配水器內部結構圖

圖3中編號表示為：1下接頭，2差壓流量計，3驗封短節，4流量調節裝置，5控制電路，6供電部分，7上接頭，8中心管，9外護管，10入水口，11過流通道，12出水口。

如圖3中所示，儀器的結構為：下接頭1連接下行的油管管柱，上接頭7連接同時連接著上行管柱。下接頭1和上接頭7之間，內部用中心管8密封連接，外部用外護管9密封連接。上述幾個零部件之間的環空內腔安裝著儀器的各個模塊和元器件。

驗封短節3安裝有壓力傳感器，分別測量油管內壓力和油管外壓力；該短節安裝于下接頭1上，并與控制電路5通過線路進行數據通信?？刂齐娐?和驗封短節3利用外殼進行密封保護，隔絕外界水汽、凝結液及其他氣體對元器件的腐蝕短路。

如圖3所示，流量調節裝置4包含電機驅動部分及調節開關控制部分，利用護管將整個電子元器件及驅動電機進行包裹，提高其防護等級。流量調節裝置4通過驅動中間活塞桿，來改變圖4中所示的出水截面積大小，進而改變流量的大小。而出水口形狀如圖4所示，為梯形形狀，當活塞桿以勻速向下運動時，小方量時出水面積變化慢，方量變大時出水口面積變化快，起到小方量時調節精度高，大方量時滿足要求的目的。

如圖4所示，流體從油管內經過上接頭7的入水口10進入差壓流量計2，然后從差壓流量計2通過下接頭1的過流通道11進入流量調節裝置4，最后從流量調節裝置4流出后，經過下接頭1的出水口12流出，達到油管外到達地層。

圖5所示，差壓流量計2主要是測量從儀器流出并進入地層流體的方量。當差壓流量計2的傳感器經過長時間使用后，會出現零點漂移。所以一段時間后需要將差壓流量計進行校準。校準時，先將流量調節裝置4關閉，此時通過差壓流量計2的流體方量為零，差壓流量計2的差壓為零。然后通過對差壓傳感器2的值進行采集，最后計算流量時對差壓傳感器的進行零點補償，這樣就能消除流量計2的偏移誤差。

多級壓損孔板流量計結構圖如圖6所示：

圖6 多級壓損孔板流量計結構圖

多級壓損的流量測量技術是在傳統的孔板流量計的基礎上，利用多個孔板串聯的辦法，將流體進行多次節流，進而產生多個壓損疊加的效果，最終獲得較大的壓損結果。這樣能夠提高流量計的測量精度及測量下限，滿足測量小方量的需求，同時，相比單級孔板的孔徑增大，能夠有效降低孔板堵塞的風險。

表1 壓控智能配水器原理

技術結果單一孔板壓損-流量對應關系n個孔板壓損-流量對應關系。k≥1為補償系數最小壓力測量范圍下，流量測量下限變化。