井下永置式測調(diào)技術(shù)流量計研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

鄒劍 劉長龍 鄭靈蕓 陳征 張倫瑋

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

基金項目：“十四五”重大科技項目“海上高含水油田提高注采效率關(guān)鍵采油工藝技術(shù)”（KJGG2021-0502）資助的課題。

作者簡介：鄒劍（1969-），高級工程師，從事采油工藝技術(shù)研究及管理工作，zoujian@cnooc.com.cn。

引用本文：鄒劍，劉長龍，鄭靈蕓，等.井下永置式測調(diào)技術(shù)流量計研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].化工自動化及儀表，2023，50（6）：000-000.

鄒劍 劉長龍? 鄭靈蕓 陳征 張倫瑋

摘? 要? 綜述了井下永置式測調(diào)技術(shù)流量計量技術(shù)的類型、技術(shù)特點及現(xiàn)場應(yīng)用等情況。針對目前海上油田注水井存在的測試精度和準(zhǔn)確度待提高、寬量程測試、小排量測試等技術(shù)難題進(jìn)行了探索，為井下流量計的持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)提出了解決思路，助力電纜永置測調(diào)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和海上油田智能化油田建設(shè)，為海上油田精細(xì)化智能注水開發(fā)提供借鑒。

關(guān)鍵詞? 井下流量計? 海上油田? 大斜度井? 電纜永置測調(diào)注水

中圖分類號? TE937? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼? A? ? ? 文章編號? 1000-3932（2023）06-0000-00

目前，海上油田開發(fā)進(jìn)入了中后期，面臨油田非均質(zhì)強(qiáng)、分段層數(shù)多、層間矛盾大等問題。分層注水技術(shù)是解決層間矛盾，維持油田長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要手段。以渤海油田為例，截至2021年底，共有注水井988口，其中分注率達(dá)到95%以上。分層注水的效果直接影響注水開發(fā)油田的整體采收率。

目前廣泛使用的分層注水方式有：同心分層注水技術(shù)、空心集成分層注水技術(shù)、邊測邊調(diào)分層注水技術(shù)等，在測調(diào)與作業(yè)過程中要與鋼絲、電纜等工具密切配合使用。在一定程度上，測調(diào)和分層注水的精度與效率受到海上油田作業(yè)窗口、井斜角度及作業(yè)空間等的影響。

海上油田注水技術(shù)經(jīng)歷了3代的發(fā)展，目前發(fā)展出電纜永置測調(diào)注水技術(shù)，該技術(shù)提高了海上油田大斜度井的測調(diào)效率，為智能化油田建設(shè)提供了底層基礎(chǔ)。井下流量計量作為電纜永置測調(diào)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點，在技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用過程中，學(xué)者們進(jìn)行了多種探索和研究。

1? 電纜永置測調(diào)分層注水技術(shù)簡介

自2012年以來，海上油田逐步發(fā)展了電纜永置測調(diào)分層注水技術(shù)，如圖1所示，在每個注入層位下入一套電纜測調(diào)工作筒，在工作筒內(nèi)集成流量計、溫度計、壓力計及可調(diào)水嘴等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)注入量的實時調(diào)整與井下關(guān)鍵參數(shù)的讀取，為海上智能化油田建設(shè)提供技術(shù)支持[1～4]，其中井下分層流量，作為井下分層注水最重要的參數(shù)，需要進(jìn)行精確測試。

2? 海上油田注水井流量測試技術(shù)發(fā)展

作為海上油田智能化建設(shè)技術(shù)中重要的一環(huán)，智能注水技術(shù)發(fā)揮著重要作用，而井下流量計計量監(jiān)測的準(zhǔn)確性直接影響注水開發(fā)效果。

海上油田注水流量計經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：

a. 機(jī)械式測調(diào)+鋼絲吊測方式，通過鋼絲攜帶存儲式流量計進(jìn)行流量測試，取出地面后，通過數(shù)據(jù)回讀獲取井下流量數(shù)據(jù)。

b. 邊測邊調(diào)直讀式測試+調(diào)節(jié)。調(diào)配時，通過電纜攜帶流量計+測調(diào)儀器進(jìn)行實時流量直讀測試+調(diào)配，逐層調(diào)配完成后，取出測試儀器。

c. 存儲式流量計和邊測邊調(diào)直讀式流量計，主要分為渦輪式流量計、渦街式流量計和超聲流量計，其主要技術(shù)特點匯總于表1。兩種流量計在長期使用計量過程中暴露出一些不足，如在分層測調(diào)時需頻繁投撈配水器，不但占用井口還會產(chǎn)生流量和壓力波動，并且對流量計產(chǎn)生沖擊和附加壓力損失，影響監(jiān)測流量計量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[5，6]。

3? 電纜永置測調(diào)井下流量計

在存儲式、邊測邊調(diào)直讀流量計的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了第3代井下流量測試技術(shù)——電纜永置測調(diào)井下流量測試技術(shù)，該技術(shù)將流量計集成在電纜測調(diào)工作筒內(nèi)，永久安裝在井下，通過預(yù)置電纜實時實現(xiàn)井下流量的測試和調(diào)節(jié)。目前，海上油田在用的井下永置式測調(diào)流量計主要分為3種：電磁流量計、差壓流量計和超聲流量計，實現(xiàn)了井下注水井流量的實時監(jiān)測。

3.1? 電磁式測調(diào)流量計

電磁流量計式測調(diào)工作筒主要由上下流量計、流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、上下接頭、中心過流通道等部件組成（圖2）。采用安裝在主通道的兩臺電磁流量計進(jìn)行流量測試，出水口位于兩臺電磁流量計間，測試時通過兩臺流量計的流量差確定當(dāng)前層流量[7，8]。

圖2? 電磁流量計式測調(diào)工作筒示意圖

3.1.1? 測試原理

電磁流量計是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，把流體流速轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過測試感應(yīng)電動勢計算流量。如圖3所示，導(dǎo)電流體流過傳感器產(chǎn)生電動勢，電動勢與過流管的直徑和流速成正比。在管徑確定的情況下，通過測試電極間的電動勢，進(jìn)而測試得到管內(nèi)流量。

由法拉第電磁感應(yīng)定律知：

其中，E為感應(yīng)電動勢；K是儀表常數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為過流管直徑；V為平均流速。

3.1.2? 電磁式測調(diào)流量計結(jié)構(gòu)

電磁式測調(diào)流量計主要由線圈、電極、外殼、襯里及轉(zhuǎn)換器等部分組成，如圖4所示。電磁流量計安裝在電纜測調(diào)工作筒主通道，流量計內(nèi)徑和工作筒整體內(nèi)徑一致，不占用測試中心通道。在一套工作筒安裝有兩套電磁流量計，分別安裝在水嘴前、后，分別測試流入、流出當(dāng)前工作筒流量，通過兩套流量計的流量差值，得到當(dāng)前層的注入量。

3.1.3? 技術(shù)特點

電磁式測調(diào)流量計具有如下技術(shù)特點：

電磁流量計無可動部件且安裝在中心通道，具有壽命長、測試流量大及節(jié)流壓差小等特點。

流量計電極采用特殊材質(zhì)，耐酸化的同時，避免電極沾污，保障測試精度。

當(dāng)前層位的下部流量計與下層上部流量計測試流量相同，兩者可以相互校正、備份，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

3.1.4? 現(xiàn)場應(yīng)用

2015年以來，應(yīng)用電磁流量計的電纜測調(diào)工藝在渤海油田應(yīng)用30余井次，初期受電極腐蝕影響發(fā)生工作筒短路故障，經(jīng)過電極材質(zhì)升級，滿足了井下測試、酸化等環(huán)境。目前，電磁流量計最大測試流量達(dá)到1 500 m3/d，流量測試誤差小于±3%。該技術(shù)為單層大排量的注水井提供了技術(shù)支撐。

3.2? 差壓式測調(diào)流量計

差壓流量計測調(diào)工作筒主要由差壓流量計、流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、上下接頭、中心過流通道等部件組成，如圖5所示。差壓流量計安裝在主通道外部，當(dāng)前層注水經(jīng)過差壓流量計后，進(jìn)入到水嘴短節(jié)，進(jìn)行當(dāng)前層流量的測試和調(diào)節(jié)。

3.2.1? 測試原理

差壓流量計是根據(jù)安裝于管道中的流量檢測器件產(chǎn)生的壓差、已知流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。節(jié)流式差壓流量計應(yīng)用范圍廣泛，已有百余年的發(fā)展歷史，在國際上作為通用流量計互為認(rèn)可。流體通過孔板時，流速分布如圖6所示，根據(jù)伯努利方程，流體通過孔板后，其速度先升高后降低，對應(yīng)的管道壓力先降低后升高，通過監(jiān)測節(jié)流孔板前后的壓差，計算得到流量。對于不可壓縮流體，有：

其中，為體積流量；為流出系數(shù)；為孔板開孔面積；為孔板開孔面積； 為被測流體密度；為節(jié)流裝置取壓差處壓差。

3.2.2? 差壓式井下流量計結(jié)構(gòu)

如圖7所示，差壓式井下流量計主要由節(jié)流孔板、差壓傳感器和配套保護(hù)裝置3部分組成，主體節(jié)流裝置和差壓傳感器安裝于注水工作筒注水管道中，電纜連接井下主體部分和地面的流量顯示儀。差壓傳感器是差壓流量計的核心部件，要適用于高溫、高壓及狹長節(jié)流通道等特殊井下工況，并保持不低于3%FS的測量精度工作一定時間。

井下電纜測調(diào)工作筒采用孔板式差壓流量計，在當(dāng)前層位注入通道安裝差壓流量計，測試當(dāng)前層流量。壓差測量通常采用兩種方式：

a. 采用差壓傳感器測壓差。差壓傳感器具有測試精度高，節(jié)流壓差小等優(yōu)點，但在使用時由于沖擊、振動，容易造成差壓傳感器的損壞，其井下可靠性受到限制。為提高差壓傳感器壽命，需要在差壓傳感器周邊安裝過流保護(hù)機(jī)構(gòu)、沖擊保護(hù)機(jī)構(gòu)等，造成整體流量計體積大，影響主通道過流面積。

b. 采用兩只壓力傳感器測壓差。通過在節(jié)流孔板前后各安裝一支高精度壓力傳感器，通過兩只傳感器的差值，得到孔板節(jié)流壓差，從而計算流量值。與差壓傳感器方式相比，該方式的流量計壽命長，抗沖擊能力強(qiáng)。但受限于壓力傳感器測試精度，要求起排量孔板前后壓差需要大于0.5 MPa，在測試大排量時，節(jié)流壓差會超過2 MPa，造成整體節(jié)流壓差過大。同時節(jié)流壓差與成正相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)致差壓流量計量程比小的問題，單臺差壓傳感器無法滿足寬量程測試需求。為解決此問題，井下電纜測調(diào)工作筒采用流量系列化技術(shù)，目前常用的流量范圍是30～120 m3/d，80～320 m3/d，200～800 m3/d。

3.2.3? 技術(shù)特點

差壓流量計結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件，整機(jī)功率低；

受限于量程比，在電纜測調(diào)工作筒中應(yīng)用時，需要通過系列化流量計進(jìn)行全量程覆蓋；

采用兩臺絕對壓力傳感器測壓差方式，目前整體故障率較低，適用于電纜測調(diào)注水技術(shù)。

3.2.4? 現(xiàn)場應(yīng)用

2018年以來，應(yīng)用差壓流量計的電纜測調(diào)工作筒發(fā)展出了3個系列化流量范圍，覆蓋范圍為30-800 m3/d。目前現(xiàn)場已經(jīng)施工100余井次，整機(jī)故障率降低至5%以下，推動了海上油田智能注水技術(shù)的發(fā)展。

3.3? 超聲式測調(diào)流量計

井下超聲流量計起步較晚，從20世紀(jì)70年代開始嶄露頭角，并逐步應(yīng)用到井下大流量高精度流量測計量工作中。常用超聲流量計主要技術(shù)分為兩種：時間傳輸法和多普勒法，其中時間傳輸法可以實現(xiàn)較高的準(zhǔn)確度，目前使用較為廣泛[9～12]。

3.3.1? 測試原理

如圖8所示，在電纜測調(diào)工作筒中，超聲波探頭被安裝在進(jìn)水口和出水口兩側(cè)，順流方向上探頭發(fā)出的信號到達(dá)下探頭的時間為，逆流方向下探頭發(fā)出至上探頭的時間為，通過與的時間差Δt，可得水的平均流速：

因值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于值，故有：

其中，表示兩個傳感器之間的距離；表示靜止?fàn)顟B(tài)下超聲波在介質(zhì)中的速度。

3.3.2? 井下超聲流量計結(jié)構(gòu)

超聲流量計布置在中心管側(cè)面，通過流量計進(jìn)液口進(jìn)入該層位的流量通道，通過上下探頭進(jìn)行流速的計量，如圖9所示。在流量計出液口注入水進(jìn)入到流量調(diào)節(jié)通道，通過水嘴調(diào)節(jié)裝置到達(dá)配水器出液口，從而完成該層位的流量計量與調(diào)整。

3.3.3? 技術(shù)特點

超聲流量計通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，安裝在中心管側(cè)壁，在保證測試精度的同時，對當(dāng)前層注水不產(chǎn)生壓力損失，具有壽命長、準(zhǔn)確率高、能夠?qū)崿F(xiàn)雙向計量等優(yōu)點，具體如下：

a. 超聲流量計采用無接觸式測量，測試精度高，對測試介質(zhì)無導(dǎo)電要求，適用于含油介質(zhì)。

b. 通過軸向安裝明顯提高了聲程，進(jìn)而提高了測量精度。

c. 超聲流量計整機(jī)功率較低，有利于降低電纜測調(diào)工作筒的整機(jī)功率。

d. 超聲波傳輸速度在不同密度流體中速度會發(fā)生明顯變化，對介質(zhì)密度變化敏感。

3.3.4? 現(xiàn)場應(yīng)用

2020年以來，應(yīng)用超聲波流量計的電纜測調(diào)工作筒，已經(jīng)能完成樣機(jī)試制、試驗井試驗等，覆蓋了116、95、73 mm尺寸，流量測試范圍50～800 m3/d。目前現(xiàn)場應(yīng)用1井次，應(yīng)用效果良好。

4? 電纜永置測調(diào)井下流量計量面臨的挑戰(zhàn)及攻關(guān)方向

面對智慧油田建設(shè)需求，電纜永置測調(diào)技術(shù)正在渤海進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。伴隨低滲油田開發(fā)、精細(xì)化測試等特殊需求，對井下流量計測試精度、測試量程、小排量測試技術(shù)等性能提出了更高要求。

4.1? 提高井下流量計測試精度

井下電磁流量計。電磁流量計因其結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械活動部件和較高的量程比，較多地應(yīng)用于注水和注聚工作筒中，受外界擾動和流速分布的影響，電磁流量計在進(jìn)行流量測量過程中仍然存在測量精度不高的問題。為提高測試精度，需要對電磁流量計結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：一是增加電磁流量計的電極數(shù)量，提高對小流量產(chǎn)生微小電勢的敏感性，通過增加電極對數(shù)，由常用的2電極，升級為4電極、6電極，通過修正流量計算法，提高測試精度，在量程比1：10的條件下，其基本誤差為±1%；二是改進(jìn)電磁流量計勵磁線圈結(jié)構(gòu)，該方法是提高精度的重要手段之一，選用正八邊形線圈磁場具有良好的均勻性，流體測試結(jié)果表明，當(dāng)流量在0.743～2.582 m/s時，單點相對示值誤差最大僅0.950%，系統(tǒng)重復(fù)性誤差在1.034%以下[13]。通過電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠有效提高電磁流量計的測試精度。

井下差壓流量計。通過優(yōu)化流量計保護(hù)結(jié)構(gòu)，減小保護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸，在保證可靠性的前提下，選用高精度差壓傳感器，從而提高差壓傳感器在井下的適用性。

4.2? 寬量程測調(diào)工作筒研制

差壓流量計是目前井下工作筒應(yīng)用井次最多，使用最廣泛的流量計。使用3個系列化流量范圍注水工作筒，造成備料、施工等復(fù)雜。因此，考慮在現(xiàn)有工具設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計研發(fā)雙通道差壓流量測試技術(shù)。在注水工作筒中，設(shè)計兩個通道，并聯(lián)安裝小量程差壓流量計（如30～210 m?/d）和大量程差壓流量計（如180～900 m?/d），如圖10所示，兩個流量通道分別對應(yīng)水嘴的前后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過水嘴的調(diào)節(jié)，靈活切換流量計量通道，將量程比由原來的1：7或1：5提高到1：30，大幅提高了測量范圍，利用單套測調(diào)工作筒，滿足了現(xiàn)場寬量程的應(yīng)用條件，同時也提高了大排量條件下流量計的測試精度。目前該工具已經(jīng)完成樣機(jī)組裝，待進(jìn)行可靠性驗證后可應(yīng)用于現(xiàn)場。

4.3? 研發(fā)小排量精細(xì)測量技術(shù)

目前海上油田注入量普遍較大，集中在單層30 m?/d以上，井下注入測試工藝的研究也集中在大排量的測試。伴隨低滲油田注水開發(fā)，單層注水排量較小，目前主要集中在30 m?/d以內(nèi)。目前井下流量計對30 m?/d以下的小排量的流量計量敏感度不好，且測量準(zhǔn)確度不高，因此可以從降低啟動排量方向入手，攻關(guān)小排量精細(xì)測量技術(shù)。

海上油田應(yīng)針對小排量注水進(jìn)行測試技術(shù)研究，主要突破方向為2個方面：

a. 小排量電磁流量測試技術(shù)。通過優(yōu)化電纜測調(diào)工作筒結(jié)構(gòu)，通過單臺流量計實現(xiàn)單層流量的測量。減小測試流道直徑，增加中心管流速，達(dá)到最佳測試流速，從而實現(xiàn)單層小排量的精確測試。

b. 小排量渦輪流量計測試技術(shù)。在大排量測試中，渦輪流量計因轉(zhuǎn)速過高造成壽命過低。在小排量測試中，降低渦輪轉(zhuǎn)速，利用渦輪流量計測試準(zhǔn)確特點的同時，提高了小排量測試精度及提升渦輪流量計壽命。

5? 結(jié)束語

井下永置式測調(diào)技術(shù)有效的提高了注水井測調(diào)效率，實現(xiàn)了井下注入量的實時監(jiān)測和調(diào)整，保障了精細(xì)注水效果。為渤海油田注水井的數(shù)字化、精細(xì)化注水管理及數(shù)字油田、智能油田建設(shè)提供技術(shù)支持。井下流量計的精確計量是影響電纜永置分層測調(diào)技術(shù)發(fā)展的一大重要因素，目前在用流量計在現(xiàn)場應(yīng)用過程中存在部分問題，隨著開發(fā)深入，提出井下流量計寬量程，小排量，高精度測試需求。通過技術(shù)攻關(guān)、升級，滿足多場景流量測試需求，助力電纜永置測調(diào)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和海上油田智能化油田建設(shè)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-03-15，修回日期：2023-09-06）