注水井智能分注工具新型流量測量技術(shù)研究

宋興良, 王 敏, 周宇鵬, 王 超, 佟 音, 張偉超

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院, 黑龍江 大慶 163453; 2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點試驗室, 黑龍江 大慶 163453)

大慶油田進入特高含水后期,驅(qū)替流場參數(shù)變化頻繁,導(dǎo)致分層注水效果沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo),故需長期監(jiān)測注入流量、地層壓力等,并調(diào)整注水井分注方案[1-4]。此外,隨著注水井?dāng)?shù)量逐年增加、單井層段越來越精細(xì)、密井網(wǎng)測試周期不斷縮短,水井分層測試工作量逐年加大,現(xiàn)有的測試隊伍、設(shè)備無法滿足控制含水、減緩產(chǎn)油量遞減等生產(chǎn)要求。鑒于此,大慶油田積極發(fā)展智能分注技術(shù)。智能分注技術(shù)是利用機電一體化技術(shù),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,可對層段注入流量、累積注入液量實時監(jiān)控,實現(xiàn)井下各層的流量實時測試和自動調(diào)配。智能分注技術(shù)使得分層注水工藝的測調(diào)效率大幅度提高,極大地緩解工作量和測試能力之間的矛盾。由于智能分注工具涉及參數(shù)采集系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)等多系統(tǒng)組合和多學(xué)科應(yīng)用,且完井作業(yè)涉及電纜連接及保護等,平均單層工藝成本約為￥4.5萬元,不具備工業(yè)化推廣應(yīng)用條件。本文在不改變智能配水器功能的前提下,進行降成本工藝研究。

1 智能配水器

智能配水器由機械結(jié)構(gòu)、電磁流量計、壓力傳感器、流量控制閥、上電纜接頭、下電纜接頭等組成,如圖1所示。智能配水器由地面控制箱供電,經(jīng)電纜傳輸,到達(dá)智能配水器內(nèi)部各用電單元。同時,接收來自地面的操作指令,根據(jù)測控指令進行測量和控制,實現(xiàn)注水井分層流量手動或自動調(diào)配[5-8]。

1-上電纜接頭;2-電磁流量計;3-流量控制閥;4-壓力測量電路密封艙;5-下電纜接頭。

其中,電磁流量計在智能配水器成本中的占比為38%,如能實現(xiàn)流量測量的無流量計化,將極大降低智能配水器的成本。因此,利用無量綱分析方法,構(gòu)建智能配水器水嘴前后壓差與流量和水嘴開度的經(jīng)驗計算準(zhǔn)測方程,通過室內(nèi)試驗獲取方程經(jīng)驗參數(shù)。利用智能配水器現(xiàn)有的壓力傳感器測量水嘴的前后壓差,并計算流經(jīng)水嘴的水流量,取消流量計,不增加其他附件,實現(xiàn)注水井分層流量測量的目的。

2 無流量計流量測量理論分析

2.1 量綱分析

量綱分析理論對于科學(xué)研究和工程問題分析均具有極其重要的作用。特別是對于流體力學(xué)的非線性問題,很難從理論出發(fā)給出解析解。通過量綱分析,可以正確分析各變量之間的關(guān)系。一個完整正確的物理方程式,應(yīng)是用無量綱項組成的方程式。能夠很大程度上簡化問題,建立科學(xué)準(zhǔn)確的相似模型。

物理量的量綱可分為基本量綱(長度L、質(zhì)量M、時間T)和導(dǎo)出量綱。基本量綱具有獨立性,如果某物理量的量綱可簡化為零,即

[x]=[L0T0M0]

(1)

稱x為無量綱量,它具有數(shù)值的特性,不受運動規(guī)模影響,可進行超越函數(shù)運算的特點[10]。

2.2 經(jīng)驗計算準(zhǔn)則方程

無流量計智能配水器結(jié)構(gòu)如圖2所示。環(huán)形密封艙中有嘴前壓力傳感器、嘴后壓力傳感器。一是可以對油管和地層壓力變化進行驗封測調(diào)。二是為控制系統(tǒng)提供嘴前、嘴后壓差值,根據(jù)目標(biāo)測調(diào)流量,控制系統(tǒng)自動計算并調(diào)節(jié)流量控制閥的開度,調(diào)節(jié)注水量。

圖2 無流量計智能配水器結(jié)構(gòu)

影響無流量計智能配水器水嘴前后液體流動的因素有:水的密度ρ、智能配水器注入的平均速度v、水嘴開度α(為水嘴打開體積與設(shè)計最大體積之比)、水嘴前注入流道直徑D、水的動力黏度μ。

影響無流量計智能配水器水嘴前后流動壓降Δp的物理參量可由下列5個獨立量組成,可寫成:

f1(v,ρ,D,α,Δp,μ)=0

(2)

在上述6個物理量中選取3個基本物理量D、v、ρ,這涉及[M,L,T]3個基本量綱。經(jīng)計算驗證,這3個基本物理量的量綱是獨立的,它們不能組成無量綱量。根據(jù)π定理可以寫出3個無量綱π項。則可得到其準(zhǔn)則方程:

f(π1,π2,π4)=0

(3)

其中,

π1=αρa1Da2va3

(4)

π2=Δpρb1Db2vb3

(5)

π3=μρc1Dc2vc3

(6)

根據(jù)量綱和諧原理求得

(7)

式中,μ/(ρvD)是雷諾數(shù)Re的倒數(shù),故可以得到

(8)

由于

ρ=γ/g

(9)

hf=Δp/γ

(10)

式中:γ為水的重度;g重力加速度;hf沿程水頭損失。

(11)

式(11)可簡化為

(12)

其中,無量綱量λ=2f2(α,Re),即摩阻系數(shù),可由試驗數(shù)據(jù)回歸分析得到,再代入式(8)中,進一步轉(zhuǎn)化為流經(jīng)水嘴前后流量和壓差及水嘴開度的關(guān)系式。

3 室內(nèi)試驗

3.1 室內(nèi)檢驗標(biāo)定系統(tǒng)

室內(nèi)檢驗標(biāo)定系統(tǒng)流程如圖3所示。由注入系統(tǒng)、試驗自動控制、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、油水自動計量系統(tǒng)、回壓系統(tǒng)、配套輔助系統(tǒng)等組成。

圖3 智能分注工具的室內(nèi)檢驗標(biāo)定系統(tǒng)流程

該系統(tǒng)能夠模擬現(xiàn)場實際工況,并對井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測,可以直觀評價智能分注工具在井下的工作性能。將無流量計智能配水器安裝到試驗系統(tǒng)中,獲取不同水嘴開度下,水流經(jīng)水嘴前后的壓差與流量的試驗數(shù)據(jù),回歸計算摩阻系數(shù)。

3.2 試驗數(shù)據(jù)

利用室內(nèi)檢驗標(biāo)定系統(tǒng)進行無流量計智能配水器試驗,獲得了智能配水器在35%～100%中所選10個水嘴開度下水流經(jīng)水嘴前后壓差與流量的試驗數(shù)據(jù)。利用軟件對處理后的數(shù)據(jù)進行回歸分析,計算不同開度下摩阻系數(shù),得到的流量和壓差及水嘴開度關(guān)系的基本表達(dá)式為Q=kΔpd/αf。式中系數(shù)k、d、f為摩阻系數(shù)的回歸系數(shù),可由式(8)計算得出。部分回歸計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分試驗數(shù)據(jù)

為了提高井下水嘴的防砂堵性能,智能配水器水嘴出口設(shè)計為細(xì)長矩形連接大矩形的結(jié)構(gòu),如圖4所示。水嘴前部的細(xì)長矩形出口的通流量基本涵蓋了注水井分層注水的常用流量。水嘴后部的大矩形出口打開時,水嘴的通流量會突然增加,利用水量突增的沖擊力清除水嘴砂堵。水嘴大矩形出口開始通流時水嘴開度約為80%,故把試驗數(shù)據(jù)按照水嘴開度分為35%～70%和80%～100% 2個部分進行回歸分析處理。

圖4 水嘴出口形狀示意圖

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

按照流體理論分析可得,流經(jīng)水嘴的流體流量和水嘴前后壓差開方成線性關(guān)系,按此規(guī)律進行數(shù)據(jù)分析。圖5為無流量計智能配水器水嘴開度35%～70%的試驗結(jié)果。圖6為水嘴開度80%～100%的試驗結(jié)果。圖5～6中,點數(shù)據(jù)代表室內(nèi)檢驗標(biāo)定系統(tǒng)中流量計測量的流經(jīng)水嘴的標(biāo)準(zhǔn)水流量,數(shù)據(jù)線代表根據(jù)經(jīng)驗計算準(zhǔn)則方程回歸計算的流經(jīng)水嘴的計算水流量。從圖5中可以看出,水嘴開度35%～70%時,水嘴前后壓差開方與水流量成很好的線性關(guān)系,計算流量和標(biāo)定流量重合度較好。圖7為所有開度下計算流量和標(biāo)定流量的相對誤差匯總圖。從圖7中可以看出,相對誤差12%以內(nèi)的占比為92.52%,其中5%以內(nèi)的低相對誤差占比為64.49%。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),相對誤差大于12%的試驗數(shù)據(jù)基本是在水嘴開度80%～100%工作狀況下測取的。35%～70%水嘴開度的注水流量基本覆蓋了分層注水實際測調(diào)時常用的注入流量,說明經(jīng)驗計算準(zhǔn)則方程可用于無流量計智能配水器的分層流量計算。從圖6可得,計算流量和標(biāo)定流量的偏差度很大,且相對誤差大于12%,主要原因是水嘴開度80%以上時水嘴開度突增,降低了水嘴通流量的線性度,如需要應(yīng)用此范圍的流量,需優(yōu)化設(shè)計水嘴出口形狀。

圖5 水嘴開度35%～70%試驗結(jié)果

圖6 水嘴開度80%～100%試驗結(jié)果

圖7 相對誤差值所占百分比

4 結(jié)論

1) 構(gòu)建了智能配水器水嘴前后壓差與流量和水嘴開度經(jīng)驗計算準(zhǔn)測方程。通過室內(nèi)試驗獲取方程的經(jīng)驗參數(shù)。利用智能配水器現(xiàn)有的壓力傳感器測量水嘴前后壓差值,并利用經(jīng)驗計算準(zhǔn)測方程計算流經(jīng)水嘴的水流量。試驗結(jié)果表明,該流量測量技術(shù)可以實現(xiàn)智能配水器在無流量計的情況下進行注水井分層流量測量。

2) 采用無流量計流量測量技術(shù),可大幅度降低智能分注工藝的成本,實現(xiàn)精細(xì)分層智能注水的低成本、多層段、連續(xù)實時監(jiān)測,為智能分注技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用提供技術(shù)支持。

3) 依據(jù)室內(nèi)檢驗標(biāo)定系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)獲取的摩阻系數(shù)與注水井中的實際參數(shù)存在差異,會影響回歸經(jīng)驗參數(shù)值,不會影響基本表達(dá)式的形式。在后續(xù)工作中會根據(jù)實際井況對回歸經(jīng)驗參數(shù)進行實時修正,提高流量測量的準(zhǔn)確性。