井下永置式測調技術流量計研究現狀及發展方向

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鍵采油工藝技術”（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.井下永置式測調技術流量計研究現狀及發展方向[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技術流量計量技術的類型、技術特點及現場應用等情況。針對目前海上油田注水井存在的測試精度和準確度待提高、寬量程測試、小排量測試等技術難題進行了探索，為井下流量計的持續優化和改進提出了解決思路，助力電纜永置測調技術的進一步發展和海上油田智能化油田建設，為海上油田精細化智能注水開發提供借鑒。

關鍵詞? 井下流量計? 海上油田? 大斜度井? 電纜永置測調注水

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

目前，海上油田開發進入了中后期，面臨油田非均質強、分段層數多、層間矛盾大等問題。分層注水技術是解決層間矛盾，維持油田長期穩產高產的重要手段。以渤海油田為例，截至2021年底，共有注水井988口，其中分注率達到95%以上。分層注水的效果直接影響注水開發油田的整體采收率。

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

海上油田注水技術經歷了3代的發展，目前發展出電纜永置測調注水技術，該技術提高了海上油田大斜度井的測調效率，為智能化油田建設提供了底層基礎。井下流量計量作為電纜永置測調技術發展的關鍵點，在技術發展和應用過程中，學者們進行了多種探索和研究。

1? 電纜永置測調分層注水技術簡介

自2012年以來，海上油田逐步發展了電纜永置測調分層注水技術，如圖1所示，在每個注入層位下入一套電纜測調工作筒，在工作筒內集成流量計、溫度計、壓力計及可調水嘴等結構，實現注入量的實時調整與井下關鍵參數的讀取，為海上智能化油田建設提供技術支持[1～4]，其中井下分層流量，作為井下分層注水最重要的參數，需要進行精確測試。

2? 海上油田注水井流量測試技術發展

作為海上油田智能化建設技術中重要的一環，智能注水技術發揮著重要作用，而井下流量計計量監測的準確性直接影響注水開發效果。

海上油田注水流量計經歷了3個發展階段：

a. 機械式測調+鋼絲吊測方式，通過鋼絲攜帶存儲式流量計進行流量測試，取出地面后，通過數據回讀獲取井下流量數據。

b. 邊測邊調直讀式測試+調節。調配時，通過電纜攜帶流量計+測調儀器進行實時流量直讀測試+調配，逐層調配完成后，取出測試儀器。

c. 存儲式流量計和邊測邊調直讀式流量計，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，如在分層測調時需頻繁投撈配水器，不但占用井口還會產生流量和壓力波動，并且對流量計產生沖擊和附加壓力損失，影響監測流量計量的穩定性和準確性[5，6]。

3? 電纜永置測調井下流量計

在存儲式、邊測邊調直讀流量計的基礎上，發展出了第3代井下流量測試技術——電纜永置測調井下流量測試技術，該技術將流量計集成在電纜測調工作筒內，永久安裝在井下，通過預置電纜實時實現井下流量的測試和調節。目前，海上油田在用的井下永置式測調流量計主要分為3種：電磁流量計、差壓流量計和超聲流量計，實現了井下注水井流量的實時監測。

3.1? 電磁式測調流量計

電磁流量計式測調工作筒主要由上下流量計、流量調節機構、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前層流量[7，8]。

圖2? 電磁流量計式測調工作筒示意圖

3.1.1? 測試原理

電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律，把流體流速轉換成電壓信號，通過測試感應電動勢計算流量。如圖3所示，導電流體流過傳感器產生電動勢，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，進而測試得到管內流量。

由法拉第電磁感應定律知：

其中，E為感應電動勢；K是儀表常數；B為磁感應強度；D為過流管直徑；V為平均流速。

3.1.2? 電磁式測調流量計結構

電磁式測調流量計主要由線圈、電極、外殼、襯里及轉換器等部分組成，如圖4所示。電磁流量計安裝在電纜測調工作筒主通道，流量計內徑和工作筒整體內徑一致，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、流出當前工作筒流量，通過兩套流量計的流量差值，得到當前層的注入量。

3.1.3? 技術特點

電磁式測調流量計具有如下技術特點：

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

流量計電極采用特殊材質，耐酸化的同時，避免電極沾污，保障測試精度。

當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，提高了數據的可靠性。

3.1.4? 現場應用

2015年以來，應用電磁流量計的電纜測調工藝在渤海油田應用30余井次，初期受電極腐蝕影響發生工作筒短路故障，經過電極材質升級，滿足了井下測試、酸化等環境。目前，電磁流量計最大測試流量達到1 500 m3/d，流量測試誤差小于±3%。該技術為單層大排量的注水井提供了技術支撐。

3.2? 差壓式測調流量計

差壓流量計測調工作筒主要由差壓流量計、流量調節機構、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，當前層注水經過差壓流量計后，進入到水嘴短節，進行當前層流量的測試和調節。

3.2.1? 測試原理

差壓流量計是根據安裝于管道中的流量檢測器件產生的壓差、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。節流式差壓流量計應用范圍廣泛，已有百余年的發展歷史，在國際上作為通用流量計互為認可。流體通過孔板時，流速分布如圖6所示，根據伯努利方程，流體通過孔板后，其速度先升高后降低，對應的管道壓力先降低后升高，通過監測節流孔板前后的壓差，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；為孔板開孔面積；為孔板開孔面積； 為被測流體密度；為節流裝置取壓差處壓差。

3.2.2? 差壓式井下流量計結構

如圖7所示，差壓式井下流量計主要由節流孔板、差壓傳感器和配套保護裝置3部分組成，主體節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。

井下電纜測調工作筒采用孔板式差壓流量計，在當前層位注入通道安裝差壓流量計，測試當前層流量。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，節流壓差小等優點，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機構、沖擊保護機構等，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。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，節流壓差會超過2 MPa，造成整體節流壓差過大。同時節流壓差與成正相關關系，導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，井下電纜測調工作筒采用流量系列化技術，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? 技術特點

差壓流量計結構簡單，無可動部件，整機功率低；

受限于量程比，在電纜測調工作筒中應用時，需要通過系列化流量計進行全量程覆蓋；

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，適用于電纜測調注水技術。

3.2.4? 現場應用

2018年以來，應用差壓流量計的電纜測調工作筒發展出了3個系列化流量范圍，覆蓋范圍為30-800 m3/d。目前現場已經施工100余井次，整機故障率降低至5%以下，推動了海上油田智能注水技術的發展。

3.3? 超聲式測調流量計

井下超聲流量計起步較晚，從20世紀70年代開始嶄露頭角，并逐步應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較高的準確度，目前使用較為廣泛[9～12]。

3.3.1? 測試原理

如圖8所示，在電纜測調工作筒中，超聲波探頭被安裝在進水口和出水口兩側，順流方向上探頭發出的信號到達下探頭的時間為，逆流方向下探頭發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：

因值遠遠大于值，故有：

其中，表示兩個傳感器之間的距離；表示靜止狀態下超聲波在介質中的速度。

3.3.2? 井下超聲流量計結構

超聲流量計布置在中心管側面，通過流量計進液口進入該層位的流量通道，通過上下探頭進行流速的計量，如圖9所示。在流量計出液口注入水進入到流量調節通道，通過水嘴調節裝置到達配水器出液口，從而完成該層位的流量計量與調整。

3.3.3? 技術特點

超聲流量計通過結構的優化設計，安裝在中心管側壁，在保證測試精度的同時，對當前層注水不產生壓力損失，具有壽命長、準確率高、能夠實現雙向計量等優點，具體如下：

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

b. 通過軸向安裝明顯提高了聲程，進而提高了測量精度。

c. 超聲流量計整機功率較低，有利于降低電纜測調工作筒的整機功率。

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

3.3.4? 現場應用

2020年以來，應用超聲波流量計的電纜測調工作筒，已經能完成樣機試制、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。目前現場應用1井次，應用效果良好。

4? 電纜永置測調井下流量計量面臨的挑戰及攻關方向

面對智慧油田建設需求，電纜永置測調技術正在渤海進行大規模推廣應用。伴隨低滲油田開發、精細化測試等特殊需求，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。電磁流量計因其結構簡單、無機械活動部件和較高的量程比，較多地應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構進行優化：一是增加電磁流量計的電極數量，提高對小流量產生微小電勢的敏感性，通過增加電極對數，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%；二是改進電磁流量計勵磁線圈結構，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，流體測試結果表明，當流量在0.743～2.582 m/s時，單點相對示值誤差最大僅0.950%，系統重復性誤差在1.034%以下[13]。通過電極結構優化，能夠有效提高電磁流量計的測試精度。

井下差壓流量計。通過優化流量計保護結構，減小保護結構尺寸，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? 寬量程測調工作筒研制

差壓流量計是目前井下工作筒應用井次最多，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、施工等復雜。因此，考慮在現有工具設計的基礎上，設計研發雙通道差壓流量測試技術。在注水工作筒中，設計兩個通道，并聯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水嘴的前后調節機構，通過水嘴的調節，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，利用單套測調工作筒，滿足了現場寬量程的應用條件，同時也提高了大排量條件下流量計的測試精度。目前該工具已經完成樣機組裝，待進行可靠性驗證后可應用于現場。

4.3? 研發小排量精細測量技術

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，單層注水排量較小，目前主要集中在30 m?/d以內。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，且測量準確度不高，因此可以從降低啟動排量方向入手，攻關小排量精細測量技術。

海上油田應針對小排量注水進行測試技術研究，主要突破方向為2個方面：

a. 小排量電磁流量測試技術。通過優化電纜測調工作筒結構，通過單臺流量計實現單層流量的測量。減小測試流道直徑，增加中心管流速，達到最佳測試流速，從而實現單層小排量的精確測試。

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

5? 結束語

井下永置式測調技術有效的提高了注水井測調效率，實現了井下注入量的實時監測和調整，保障了精細注水效果。為渤海油田注水井的數字化、精細化注水管理及數字油田、智能油田建設提供技術支持。井下流量計的精確計量是影響電纜永置分層測調技術發展的一大重要因素，目前在用流量計在現場應用過程中存在部分問題，隨著開發深入，提出井下流量計寬量程，小排量，高精度測試需求。通過技術攻關、升級，滿足多場景流量測試需求，助力電纜永置測調技術的進一步發展和海上油田智能化油田建設。

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（收稿日期：2023-03-15，修回日期：2023-09-06）