智能分注分層流量測量與自動校準技術研究應用

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

水驅開發是中國油田的主要開發方式，是補充地層能量，提高采收率最有效的方法之一。由于油田非均質性普遍，開發對象物性差異大，平面和層間矛盾突出，為了實現穩油控水，多采用分層注水方式[1-3]。與傳統分注工藝相比，智能分注工藝系統包含井下智能分注儀、地面智能管控儀、遠程水井智能測控軟件等3 部分，實現了遠程-地面-井下數字立體化協同測控。該工藝技術能夠全自動對井下各分層注入流量進行實時監測，并實時掌握井下各層吸水狀況以及隨地質、壓力、系統壓力等的變化規律及時動態調整分層注入流量，實現加強對中、低滲透層的注入量，對高滲透層進行控制，防止注水層的單層突進，實現均勻推進，精細分注，提高注水合格率。

智能分注工藝技術的核心是對水井分層注水量進行及時調控，調控的成功率、合格率依賴于井下分層流量測量的準確性，提高測量準確性的關鍵在于流量計的選型設計與流量解釋算法的實現。

同時分注井井下為高溫、高壓、高腐蝕，高沖蝕的復雜環境，而井下智能分注儀需在復雜環境下持續工作3 年以上。為了滿足井下復雜的工作環境，井下智能分注儀選擇具備耐高溫高壓，耐腐蝕、耐沖蝕，無運動部件的孔板式差壓流量計。隨著井下工作時間的延長，受注入水質、井下工作環境的影響，孔板式差壓流量計測量流道、孔板尺寸均會發生改變，從而造成流量漂移，測量誤差偏大，無法滿足精細分注要求。針對此情況開展不動管柱地面與井下儀器協調控制，進行井下分層流量自動校準技術研究，提高了井下分層流量計長期工作的可靠性與持續測量的準確性。

1 孔板式差壓流量計原理

孔板式流量計的工作原理屬于差壓流量計的一種，在流體管道上安裝一個節流裝置，其內部裝有一個孔板，流體流過孔板時由于孔徑變小，截面積收縮，速度加快，在孔板前后產生壓力降落即差壓，通過測量孔板前后的壓差，而計算取得流量數據的方法[3,4]。

井下孔板式差壓流量計選用高硬度、耐沖蝕的陶瓷作為節流孔板，選用兩個高精度耐高溫的壓力傳感器分別測量節流孔板前后壓力，通過計算兩個壓力傳感器的壓力差來測得流量。

孔板式差壓流量計結構模型如圖1 所示。

圖1 孔板式差壓流量計結構模型Fig.1 Structural model of orifice plate differential pressure flowmeter

其流量理論計算公式為

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；qv——流量（m3/s）。

2 流量測量電路設計

根據孔板式差壓流量計的工作原理，首先對孔板前后壓力進行檢測，同時考慮井下高溫工作環境對流量測量的影響需要對井下溫度進行采集，對流量測量進行溫度補償，以提高流量測量準確性。流量測量電路包含恒流激勵電路、壓力溫度采集電路、主控處理器，如圖2 所示。

圖2 流量測量電路Fig.2 Flow measurement circuit

其中，U1,U2 選用低失調電壓，低輸入偏置電流，高增益共模抑制比的軌至軌集成運放芯片，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位數字信號控制器，R1,R2,R3 為耐高溫、低溫漂、高精度的電阻，Vref 為基準芯片輸出的基準電源。

依據集成運放的基本原理，兩個輸入端的凈輸入電壓和凈輸入電流均為零，即集成運放兩輸入端電壓相等，集成運放U1A 與電阻R1 構成恒流電路給孔前壓力傳感器提供恒流激勵信號，同理U1B 與電阻R2，U2 與電阻R3，構成恒流激勵電路分別給孔口壓力P2，溫度傳感器提供恒流激勵信號。壓力溫度傳感器輸出信號通過24 位高精度AD采集芯片采集后傳輸到MCU 中，通過測量壓力傳感器與溫度傳感器輸出的信號來測量壓力與溫度，MCU 依據流量解釋算法以及溫度補償算法，進行分層注入流量計算[5,6]。

3 流量計算算法優化

公式（1）為孔板差壓流量計的理論公式，而在實際應用中采用工程方法進行流量的計算，即先在標定臺上進行流量標定，建立壓差值與流量值的數據表，即流量刻度數據。根據刻度數據進行差壓值-流量值曲線擬合得出數學模型，進行流量計算[7,8]。

具體實施過程為把井下智能分注儀安裝在標定臺上，根據設定的流量臺階進行標定，得出壓差值與流量值的對應關系，刻度數據見表1。

表1 流量刻度數據Table 1 Flow scale data

根據流量全刻度數據進行曲線擬合如圖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

根據全刻度差壓-流量曲線擬合，生成流量計算數學表達式如下：

由于結構設計、機械加工、實驗設備等因素的影響，從圖3 可知數學表達式（2）在流量為0m3/d、5m3/d、10m3/d 時，流量計算誤差偏大，最大流量誤差3.28m3/d，流量測量精度為8.2%。采用全刻度數據生產的數學表達式無法適用于全量程流量測量，為了提高流量測量精度，需對數據擬合方式進行進一步優化。

為了提高流量計算的精度，減少誤差，采用分段差壓-流量數據曲線擬合，把全刻度數據分為0m3/d、5m3/d、10m3/d 和15m3/d、20m3/d、25m3/d、30m3/d、35m3/d、40m3/d 兩部分，分段數據曲線擬合如圖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

根據分段刻度差壓-流量曲線擬合，生成流量計算數學表達式如下：

從圖4 中差壓-流量曲線擬合可知，數學表達式計算的流量值與標準流量值基本吻合，采用差壓-流量曲線擬合方法能夠有效提高流量測量精度，減少流量測量誤差，最大流量誤差為0.31m3/d，流量測量精度提高到1%。

流量計算算法優化前后數據見表2。

表2 流量算法優化前后數據對比Table 2 Comparison of data before and after traffic algorithm optimization

4 井下分層流量自動校準

4.1 分層流量自動校準原理

智能分注儀長期工作于井下，當測量通道、孔板結垢時會造成流量測量流道與孔板尺寸發生改變，依據公式（1）可知，原刻度數據生成的分段流量計算數學表達式（3）、（4）計算出的流量誤差變大，發生井下流量漂移現象。為了提高井下分層流量測量的準確性，需定期對井下分層流量進行自動校準，重新生成分段流量計算數學表達式。

井下分層流量自動校準工藝原理：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關的自動控制功能，通過輪注制度，逐層對比目標層位流量值與地面智能管控儀的流量值。當流量差值超出誤差范圍后，地面智能管控儀依據預設恒流臺階自動對分層流量數據進行標定，生成新的差壓值與流量值數據表，依據新的壓力-流量數據模型自動生成新流量計算表達式完成流量自動校準[4]。

4.2 分層流量自動校準開發與實施

井下分層流量自動校準由地面智能管控儀自動執行，從啟動到校準，流量算法的更新直至結束，整個過程無需人工干預，自動完成。

井下分層流量自動校準工作流程如圖5 所示。

圖5 分層流量自動校準流程圖Fig.5 Layered flow automatic calibration flowchart

井下分層流量自動校準詳細實施步驟如下：

1）明確流量自動校準自動啟動的兩個限制條件，一是流量自動校準啟動周期與時間節點，二是地面智能管控儀流量與目標層流量誤差值。這兩個限制條件根據施工井井況、地質要求，可遠程調整。

2）當達到預設的流量自動校準時間節點時，地面智能管控儀啟動井下分層流量校準功能，從第一層開始進行流量自動校準。

3）地面智能管控儀向井下各層智能分注儀發送水嘴開關指令，打開目標層智能分注儀水嘴，關閉其他層智能分注儀水嘴。

4）地面智能管控儀自動進入恒流工作模式，讀取地面智能管控儀測得的流量數據與井下目標層流量數據，進行誤差計算。當流量誤差大于設定誤差時，啟動目標層流量自動校準功能。

5）地面智能管控儀控制的恒流值作為流量標定值（流量標定值根據流量測量范圍設置為8 個流量臺階，每個臺階穩定5min），每個恒定流量臺階下讀取目標層儀器孔前壓力與孔后壓力，并自動存入數據庫中，生成差壓流量刻度數據表，依據“流量計算算法優化”方法生成差壓-流量分段數學表達式，地面智能管控儀依據新的數學表達式自動更新算法程序。完成目標層流量自動校準后，調整下一層為目標層位進行流量自動校準，直至完成全井所有層位的流量校準。

6）當地面智能管控儀測得的流量數據與井下目標層流量數據誤差符合設定誤差要求時，自動結束該目標層流量校準功能，調整下一層為目標層位進行流量自動校準，直至完成全井所有層位的流量校準。

5 現場應用

截至2023 年6 月，智能分注工藝在新疆油田共實施60余口，單井分注層數多為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校準設定周期為3 個月，流量校準啟動誤差設定為±2%。

智能分注現場應用通過采用差壓-流量分段曲線擬合數學模型提高了孔板式差壓流量計算精度，精度可達1%；通過定期執行的井下分層流量自動校準技術，提高了智能分注儀井下流量長期測量的準確性與可靠性，誤差在2%以內。井下分層注入流量的準確性、可靠性確保了分層流量調控的準確性，使注水合格率達95%以上。

智能分注工藝不但實現了注水井地面注入信息與井下分層注入信息的實時監測與控制，同時實現了井下與地面的立體化協同控制。特別是自動校準技術的實現，有效提高了智能分注工藝長期工作的可靠性與適用性，通過地面智能管控儀的流量與井下分層流量對比測試，在無需起井作業的情況下完成了井下流量的現場標定校準，有效解決了智能分層注水流量的誤差問題，提高了長期工作的可靠性，在現場應用中取得了較好的效果。

智能分注系統根據預設流量自動校準周期與流量誤差值自動進行井下分層流量校準，解釋算法程序自動更新，整個過程不受時間、人員、環境等因素的影響，在提高智能分層注水準確性的同時，降低了人力、物力。

6 結論

1）智能分注工藝技術實現了遠程-地面-井下數字化協同控制，能夠全自動對井下各分層注入流量進行實時監測，并根據地質需求及時調控，實現精細分注。

2）智能分注井下流量計算，采用分段壓力-流量擬合數學模型，提高了流量測量的準確性，保障分層注水的準確度。

3）智能分注井下分層流量自動校準技術，解決了井下長期工作流量漂移的問題，保障了分層注水長期測調的準確性與可靠性，提高了分注合格率與油田開發效果，為油藏的分析評價提供準確的數據支撐。

4）井下分層流量自動校準，流量算法模型自動建立，解釋算法自動更新，無需人工操作，在提高智能分層注水準確性的同時，提高了工作效率，降低了運維成本，促進油田數智化的發展。