注水井智能分注工具新型流量測量技術研究

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,驅替流場參數變化頻繁,導致分層注水效果沒有達到預期目標,故需長期監測注入流量、地層壓力等,并調整注水井分注方案[1-4]。此外,隨著注水井數量逐年增加、單井層段越來越精細、密井網測試周期不斷縮短,水井分層測試工作量逐年加大,現有的測試隊伍、設備無法滿足控制含水、減緩產油量遞減等生產要求。鑒于此,大慶油田積極發展智能分注技術。智能分注技術是利用機電一體化技術,將流量監測、通信及自動控制系統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控,實現井下各層的流量實時測試和自動調配。智能分注技術使得分層注水工藝的測調效率大幅度提高,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采集系統、電源管理系統、通訊系統及自動控制系統等多系統組合和多學科應用,且完井作業涉及電纜連接及保護等,平均單層工藝成本約為￥4.5萬元,不具備工業化推廣應用條件。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構、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,經電纜傳輸,到達智能配水器內部各用電單元。同時,接收來自地面的操作指令,根據測控指令進行測量和控制,實現注水井分層流量手動或自動調配[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,構建智能配水器水嘴前后壓差與流量和水嘴開度的經驗計算準測方程,通過室內試驗獲取方程經驗參數。利用智能配水器現有的壓力傳感器測量水嘴的前后壓差,并計算流經水嘴的水流量,取消流量計,不增加其他附件,實現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的非線性問題,很難從理論出發給出解析解。通過量綱分析,可以正確分析各變量之間的關系。一個完整正確的物理方程式,應是用無量綱項組成的方程式。能夠很大程度上簡化問題,建立科學準確的相似模型。

物理量的量綱可分為基本量綱(長度L、質量M、時間T)和導出量綱?；玖烤V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,它具有數值的特性,不受運動規模影響,可進行超越函數運算的特點[10]。

2.2 經驗計算準則方程

無流量計智能配水器結構如圖2所示。環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。二是為控制系統提供嘴前、嘴后壓差值,根據目標測調流量,控制系統自動計算并調節流量控制閥的開度,調節注水量。

圖2 無流量計智能配水器結構

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π定理可以寫出3個無量綱π項。則可得到其準則方程:

f(π1,π2,π4)=0

(3)

其中,

π1=αρa1Da2va3

(4)

π2=Δpρb1Db2vb3

(5)

π3=μρc1Dc2vc3

(6)

根據量綱和諧原理求得

(7)

式中,μ/(ρvD)是雷諾數Re的倒數,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,可由試驗數據回歸分析得到,再代入式(8)中,進一步轉化為流經水嘴前后流量和壓差及水嘴開度的關系式。

3 室內試驗

3.1 室內檢驗標定系統

室內檢驗標定系統流程如圖3所示。由注入系統、試驗自動控制、數據采集處理系統、油水自動計量系統、回壓系統、配套輔助系統等組成。

圖3 智能分注工具的室內檢驗標定系統流程

該系統能夠模擬現場實際工況,并對井下生產數據進行實時監測,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中,獲取不同水嘴開度下,水流經水嘴前后的壓差與流量的試驗數據,回歸計算摩阻系數。

3.2 試驗數據

利用室內檢驗標定系統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水嘴前后壓差與流量的試驗數據。利用軟件對處理后的數據進行回歸分析,計算不同開度下摩阻系數,得到的流量和壓差及水嘴開度關系的基本表達式為Q=kΔpd/αf。式中系數k、d、f為摩阻系數的回歸系數,可由式(8)計算得出。部分回歸計算數據如表1所示。

表1 部分試驗數據

為了提高井下水嘴的防砂堵性能,智能配水器水嘴出口設計為細長矩形連接大矩形的結構,如圖4所示。水嘴前部的細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%,故把試驗數據按照水嘴開度分為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 試驗數據分析

按照流體理論分析可得,流經水嘴的流體流量和水嘴前后壓差開方成線性關系,按此規律進行數據分析。圖5為無流量計智能配水器水嘴開度35%～70%的試驗結果。圖6為水嘴開度80%～100%的試驗結果。圖5～6中,點數據代表室內檢驗標定系統中流量計測量的流經水嘴的標準水流量,數據線代表根據經驗計算準則方程回歸計算的流經水嘴的計算水流量。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系,計算流量和標定流量重合度較好。圖7為所有開度下計算流量和標定流量的相對誤差匯總圖。從圖7中可以看出,相對誤差12%以內的占比為92.52%,其中5%以內的低相對誤差占比為64.49%。經比較發現,相對誤差大于12%的試驗數據基本是在水嘴開度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時常用的注入流量,說明經驗計算準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,如需要應用此范圍的流量,需優化設計水嘴出口形狀。

圖5 水嘴開度35%～70%試驗結果

圖6 水嘴開度80%～100%試驗結果

圖7 相對誤差值所占百分比

4 結論

1) 構建了智能配水器水嘴前后壓差與流量和水嘴開度經驗計算準測方程。通過室內試驗獲取方程的經驗參數。利用智能配水器現有的壓力傳感器測量水嘴前后壓差值,并利用經驗計算準測方程計算流經水嘴的水流量。試驗結果表明,該流量測量技術可以實現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,可大幅度降低智能分注工藝的成本,實現精細分層智能注水的低成本、多層段、連續實時監測,為智能分注技術規?；瘧锰峁┘夹g支持。

3) 依據室內檢驗標定系統的試驗數據獲取的摩阻系數與注水井中的實際參數存在差異,會影響回歸經驗參數值,不會影響基本表達式的形式。在后續工作中會根據實際井況對回歸經驗參數進行實時修正,提高流量測量的準確性。