存儲式智能堵塞器設計研究

尤 波，于大孚，賈德利

（1.哈爾濱理工大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院，北京 100083）

1 引言

隨著油田開發難度的不斷增加，常規分層注水工藝已不能完全滿足油田開發的需要。國外將智能堵塞器作為智能井技技術的一部分，在流量控制方面更傾向于電機控制，然而在空間機構受到限制的情況下，球閥等微執行器將起到作用，這一方面將是目前研究的熱點。而鋼絲投撈測調工藝是目前我國應用規模最廣泛、最成熟、適應性較強的測調方式[1-2]。但是反復投撈測調工藝測調作業工作量仍然很大，投撈試湊調節水量精度也不是很高。鋼絲投撈測調工藝測試過程采用存儲式地面回放獲得測試結果，井下儀器多次反復提出防噴管，不能做到實時監測調控，測調時需要測試車來配合，測試時工作量很大[3-4]。針對以上問題提出一種智能存儲式堵塞器，具有定周期單片機喚醒后實時監測，根據壓差與流量的關系進行調配，避免了測試時需要測試車的龐大工作量，同時加密了測調周期，保障了注水合格率。

2 系統功能與技術指標分析

2.1 系統功能結構

為了實現對水嘴開度大小的自動調配以及歷史數據的實時監測的功能該堵塞器采用了以下部件，包括球閥，傳感器，電機，電池，插接頭，對接頭，打撈頭，殼體，凸輪，傳動軸，單片機存儲芯片等部件組成，如圖1所示。球閥與閥芯采用活塞式結構設計，通過球閥上下做活塞運動改變與水面的壓差來調節開口流通大小或關閉，從而達到調節水量的目的。前后兩個壓力傳感器檢測出井管與地面的壓差，將兩個不同的壓差通過電路部分傳輸到單片機芯片當中，壓力傳感器所測量的數值通過單片機將信號傳輸傳送到井上上位機，上位機通過數據處理后將適合該層段的注入壓力與流量的相應數值傳送回主控芯片，單片機發送終端控制命令來調節水嘴開度，通過控制水嘴開度的調節進而將流量進行控制，形成一套閉環的反饋系統，做到實時監測調控。

圖1 存儲式智能堵塞器結構Fig.1 Structure of Storage Type Intelligent Plugging Device

2.2 技術手段分析

利用兩個壓力傳感器測出的井管和地層的壓差，根據流量壓差的關系公式換算出流量，由先檢測出來的水嘴開度的大小，根據不同的開度和壓差，利用數據辨識可標定出流量，在系統中建立數據庫，實現壓力監測和定周期自動調配，加密了調配周期，嚴格保障了注水合格率。在井上完成儀器的標定，通過投撈儀放置到配水器內，存儲式智能堵塞器就可自己獨立工作，根據設定的程序，定時開、關機，根據壓差調整閥的開度，達到控制流量的目的[5-6]。從而在調配過程中脫離了測試車的綁定，大大減少了工作量。

2.3 系統技術指標

智能存儲式堵塞器的各個部件的技術參數以及規格，如表1所示。

表1 堵塞器技術指標的參數Tab.1 Parameters ofthe TechnicalParameters ofthe Stopper

2.4 系統工作原理及組成

2.4.1 閥芯結構及工作原理

球閥結構示意由步進電機，減速機構，緩沖桿，球閥構成，如圖2所示。當步進電機接收到流量變化信號時，步進電機驅動減速機構正反轉，通過緩沖桿上下提拉球閥，增大或者減小球閥與安裝在主體上的閥座之間的間隙。自動調節注水量，從而達到配注水量的精確完成[7-9]。

圖2 閥芯結構Fig.2 Spool Structure

2.4.2 堵塞器核心部件的結構參數及計算

（1）結構設計。結構采用螺紋、密封圈連接?；钊麠U密封采用車氏滑環密封，工作壓力（0～70）Mpa、溫度（-55～250）℃。軸最小直徑6.0mm，傳感器外殼直徑12.6mm。（2）電機選用設計計算。螺紋直徑為8mm，螺距1mm。當環境壓力最大為P1=40Mpa時，閥芯調節桿直徑 6mm，軸所受軸向 M=1/2×d2×F3×tanλ=0.5×6×1130.4×0.0629=0.213N.m（λ=3.6，tanλ=0.0629）F3=P1×S3=1130.4 故所以選取電機為12V，轉矩2.5N.m，轉速2r/min。（3）電池選用設計計算。活塞最大工作行程為15mm。電機每分鐘轉兩圈，在井下一次最長工作時間預計10min。電池電壓為14.4V，電容量為1.5Ah。工作時總電流約為500mA。作業一次需約83mAh電量，最多可使電機運轉18次。去除電路、芯片、待機等消耗，電機可工作15次，按每10天調試一次，可工作150天（5個月）。

3 系統辨識

3.1 壓差與流量的關系

管道是一個柱椎體，斷面處A-A在該管道的中心線上，液體的流動速度是VA，液體的密度是ρA，D是管道直徑，SA表示斷面面積，液體在斷面B-B處流體流速為VB，密度為ρB，該環形斷面的面積為SB，其椎體直徑d用來表示。根據伯努利定律，在一個密閉的空間內其流動的液體的總量始終保持一個定值[10]。伯努利方程為：

3.2 水嘴流量特性數值仿真

根據球閥內流體復雜的流動情況分析，實驗的準確性和可行性難以得到保證，為此做如下假設：（1）球閥內流體假設密度為998kg/m3；的不可壓縮牛頓液體；（2）流場內無流體的熱傳導現象發生；（3）流體在流場中只沿單方向流動。

關于流場的邊界條件設定：（1）壓力邊界作為流場的入口條件；（2）流體與壁面接觸邊界假設靜止，且壁面無滑移；（3）壓力邊界出口作為出口條件。不同開度的條件下球閥的截面形狀會產生變化，因為球閥的過流面積寬泛，所以流量系數不是一個固定值，與開度有關。根據流體力學可知：

式中：Cd—流量系數；

Q—流量，L/s；

A（x）—閥口過流面積，mm2；

ρ—液流密度，kg/m3；

Δp—壓力差，MPa。

通過給定流量來測入口和出口壓力的方式進行的壓力測量，如圖3所示。通過對壓力進行測量可以得出水嘴在不同開度下和不同的壓差下的水嘴的流量。通過MTALAB系統仿真計算可以計算出在不同開度和不同壓差下的流量Q，將其帶入式（6）得到流量Q與球閥開度值x的相互關系，通過流量Q與球閥開度值x的相互關系計算出x與其相對應的關系，圖3分別為25%、40%和60%時的流量系數曲線。流量系數曲線在水嘴開度25%到40%的時候是上移的，而流量系數曲線下移是在開度為60%以后隨著球閥壓差的增大逐漸趨于平緩，如圖4所示。將水嘴不同開度的大小與水嘴液體流量之間的關系整合得到的數值分析曲線，如圖5所示。根據圖5可知，在水嘴開度為25%時，水嘴的流量是最大值。

圖3 智能調配下恒流非等壓狀態實驗Fig.3 The Intelligent Deployment Under Constant Current Non Isobaric State Experiment

圖4 球閥仿真流量數據曲線Fig.4 Simulation Flow Data for Ball Valve

圖5 水嘴開度與流量數據曲線Fig.5 The Nozzle Opening and Flow Curve Data

在室內進行試驗數據仿真得出了水嘴開度在25%時的不同壓差下的數據，如表2所示。水嘴流量先增大后減小的原因是根據公式（6）可知：水嘴的流量大小與水嘴兩端前后的壓差的大小是非線性變化的。球閥的流量特性在啟閉階段可以看作為直線，但在中間開度的時候轉變為百分比特性。對于液體介質而言，在上游壓力一定的情況下，閥門的流量是受到一個臨界壓差的限制，當閥門上下游的壓差到達臨界壓差值的時候，液體介質會發生氣蝕，產生大量的氣泡，對閥門管道產生阻塞，從而限制閥門的流量。在水嘴開度的流量特性過程中達到臨界壓差之前是隨著壓力的增大而增大，達到臨界點之后流量受限而逐漸減小。水嘴開度25%時的仿真曲線高于試驗的曲線，如圖6所示。在壓差小的情況下誤差比較大，產生誤差的原因是由于將數控水嘴近似于薄壁小孔進行仿真而引起的誤差。在增大水嘴的壓差后，仿真的曲線與試驗的曲線幾乎吻合，誤差低于5%。證明了仿真與試驗的結果的一致性。并得出開度和與流量之間的系數關系，采用四次插值算法得出開度與流量的關系式，如式（7）所示。

表2 水嘴開度25%時的嘴損數據Tab.2 The Tap Open Pressure Data at 25%Degrees

圖6 水嘴不同開度的嘴損曲線Fig.6 Shows the Different Degrees of Water Pressure Curve

已知注水量Q就可以通過公式得出水嘴壓差：

4 結論

（1）球閥開度在45%時水嘴的流量最大，水嘴的流量與球閥開度的大小關系是非線性的。

（2）基于球閥在不同開度下的流量系數和內外壓差，利用數據辨識可標定出流量，將數據存儲到芯片中，實現壓力和流量的歷史數據監測。通過單片機定周期喚醒監測，定時開、關機，根據壓差調整閥的開度，實現定周期實時調配。

（3）存儲式智能堵塞器解決了分注井投撈測試復雜的難題，擺脫了測試時必須有測試車的束縛，減少了工作量。具有良好的測試精度和較高的工作效率的優勢，能更好的適應油田分層注水高效測調技術的發展。

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