新型分层注水测调一体化系统的研制与应用

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(1.华北油田公司工程技术研究院 河北 任丘 062552；2.华北油田公司勘探开发研究院 河北 任丘 062552；3.华北油田公司第一采油厂 河北 任丘 062552)

0 引 言

在油田开发工作中，注水是补充地层能量，改善开发效果的重要措施。由于我国多数是陆相储层，非均质性强，笼统注水的效果较差，所以分层注水是实现油田开发长期高产稳产的重要技术手段[1]。以前油田注水普遍采用的工艺是封隔器验封和水量调配分开进行，分次下井实施，注水量的调配需要多次起下配水工具，不但工艺繁琐、效率低、工作量大，而且调配成功率低、误差大、调配成本大，影响了注水对油田开发作用的发挥。为更好地改善分层注水效果，研究成功了分层注水测调一体化系统，实现测调仪一次下井即可完成验封、测调两种功能。分层注水测调一体化系统集成了原同心测调仪、同心电动验封仪、桥式同心可调配水器的优点，简化了施工工艺，降低了调配成本，应用效果良好。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

分层注水测调一体化系统主要由地面控制器、地面微机、一体化测调仪、桥式同心可调配水器等组成。

1.2 工作原理

分层注水测调一体化系统利用机电一体化原理，采用边测试边调整的方式实现对注水井分层注水的测试与调配。测调仪通过单芯电缆给地面控制系统发送测量数据，同时地面控制器通过发送不同的控制命令来控制测调仪，测调仪通过其下端的调节头带动同心配水器的转动，从而调节配水器的开度大小，进而对不同层位的流量进行调节以达到配注要求。测调仪测得的信号通过测试电缆传输到地面，通过控制柜信号转换，在地面上可以实时直观观察到井底流量、压力和温度的变化情况。图1是分层注水测调一体化系统的示意图。

图1 测调一体化系统示意图

2 技术特点

1)新型桥式空心可调配水器的尺寸短小，不足0.8 m，这样使得分层配水的卡距较小时也可实现；

2)配水器出水口为细长型，配合大扭矩低转速进口电机减速机构，可以实现高分辨率、高精度注水调节，尤其对低注入量的水井调配优点更大。根据注入水量大小，可以配不同规格的陶瓷芯体；

3)支撑臂可以电动收回，做到对任何一个配水器进行调配；

4)测调动作切换全程有传感器监测，工作可靠。

3 同心可调配水器

3.1 工作原理

同心配水器由上下接头、外筒、本体、活动水嘴和固定水嘴组成。其结构如图2所示。工作筒主体结构分布有多个桥式通道，使在本层段进行流量压力测试时，其它层段依然可以通过桥式通道正常注水，不改变其它层段的工作状态，最大限度地减小各层之间的层间干扰，能有效提高分层流量调配效率及分层测压效率。

图2 同心可调配水器结构图

同心配水工作筒通过改变出水孔的开度，实现对注水量的调节[2]。由于采用了特殊的陶瓷材料，可调水嘴具有耐磨性高、耐蚀性强和流通截面积稳定性好、可防砂卡等特性。

测调仪器在井下与其他井下工具的对接采用不旋转、不导向的傻瓜方式，这样能保证在斜度比较大的井中或因各种原因导致的井况不好的情况下，对接成功率仍然很高。

3.2 技术指标

最大外径：Φ114 mm;

内孔最小通径：Φ46 mm;

工作温度范围：-30 ℃～+150 ℃;

工作压力：≤60 MPa;

流量范围：5～200 m3/d;

30～500 m3/d;

50～1000 m3/d;

调节行程：40 mm;

4 井下测调仪

井下测调仪的作用是测试实际注入的水量。地面控制系统将实际注入量与设定值比较，调整配水器的开度。采用超声波井下测调仪的优点是无可动部件，仪器系数稳定，水中的杂质对测量的影响较小。

4.1 工作原理

超声波流量计的原理是：利用超声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比[3]得到被测流体的流速，进而换算成流量。流体流速变化引起的超声波速度变化非常微小，极不容易检测出来。为此，解决的办法有两个，一是采用两个换能器双向发射，逆流和顺流时间差可以使变化量增加一倍；二是采用频率差法，累计多次的逆流和顺流传播时间差。经推导可以得到公式(1)，利用标定的方法可以把流体流速v换算成流量。

(1)

式(1)中，v为流体流速；L为两个换能器之间的距离；t2为顺流时超声波传播时间；t1为逆流时超声波传播时间；f2为顺流时超声波发射频率；f1为逆流时超声波发射频率。

图3 是超声波井下测调仪工作原理框图

4.2 电路可靠性设计

1)提高元器件的可靠性

超声波流量测调仪使用的元器件比较多，包括分立元件和集成块。分立元件包括电阻、电容、电感等，电阻选用高精度、低温漂的金属膜电阻，电容选用精度较高的校正电容，先经过常温筛选，选出时漂较小的电容，然后再进行高温测试，选出温漂较小的电容。所有器件都要经过老化筛选，经高、低温测试合格后再使用。线路板上除CPU、存储器等芯片考虑到更换的需要外，其余元件均直接焊接，以减少由于接触不良造成的不可靠现象。采用各种可编程逻辑器件，尽量减少元器件的数量，提高系统工作的可靠性。

2)优化印刷电路板的设计

根据超声波流量计测量原理，因为流量变化引起的声速变化量很小，这就对测量电路提出了很高的要求。超声波流量测调仪的工作频率较高，电路设计不仅原理要合理，印刷电路板也必须设计得当，否则会对流量测试结果造成很大影响。采用数模混合电路中常用的抗干扰措施[4,5]，采用正确的布线策略，尽量采用井字形网状布线结构，电路印刷板的正面横向布线，背面纵向布线，尽量避免平行走线，地线尽量短而粗，这些做法都有利于抑制高频干扰。

4.3 标定试验

超声波测调仪在华北油田计量中心站的油气水三相流模拟试验装置进行了精度测试和标定校检研究。因注水井注入介质可视为单相流，故标定介质采用自来水，标定环境为常温、常压，改变模拟试验装置(标准表)的流量，记录不同流量下的仪器响应值，试验数据见表1，仪器的标定曲线如图4所示。

表1 1#仪器标定实验数据

图4 1#仪器流量标定曲线

对1#仪器标定的数据点进行线性拟合，得到以下关系式：

Q=0.046 1×f+2.774 6

(2)

式(2)中，Q为流量(m3/d)；f为频差(0.001 Hz)。

根据式(2)和式(3)计算标准偏差σ

(3)

将有关数据代入，得标准偏差σ=2.237 92。

根据公式(4)计算精度

(4)

式(4)中，δ为精度；t为分布系数；Q为实测流量最大值。

显著度取0.01，标定点数n为10时，分布系数t取3.17，将有关数据代入，计算得精度δ=3.54%，达到流量测量4%的精度要求。

5 现场应用

5.1 操作流程

1)预调水嘴开度

根据每口注水井不同的注水量，用程序计算出水嘴的大致开度，这样做的好处是可以减少测调时间。

2)投放可调水嘴，可调水嘴的对接

只有在测调仪和可调水嘴可靠对接后，流量计的测量才是准确的，才能进行水嘴的调整操作。

3)第一层的测调

第一层是指最底下一层，在软件的主界面下，增大或减小可调水嘴开度，使实际注水量和预期值一致。

4)第二层的测调

上提测调仪至第二层上方，增大或减小可调水嘴开度，此时流量计显示值为第一、二层流量的总和，总流量减去第一层的注水量就是第二层的注水量。

5)更多层的测调

重复第4)步，分别测调各层的注水量值，注意流量计显示值是下面各层流量的总和。

5.2 技术优势

分注井同心测调一体化井的现场试验充分说明了一体化测调技术的优势。

1)提高了测调效率：一是由井下存储发展到地面直读；二是由地面回放发展到边测边调；三是由多次投捞发展到一次下井完成多层测调，大大提高了测调效率。

2)提高了调配准确性：将原来的分级水嘴改变为无级连续可调水嘴，使单层合格配水量误差由20%降低到10%以内。

3)测试过程可视化：可直观判断井下仪器的工作状态，避免无效测试。可直观观察调配过程中水量变化趋势，对调配过程起到指导作用，有效地提高了调配成功率。

4)提高了测调适应性：一是测试过程可直接读取数据，严格按照配注量进行单层调配，对于新井初次测调成功率较高；二是采用的超声波流量计精度较高，适用于单层低配注量井的测试；三是一次下井可实现多层重复性调节，对于层间矛盾较大的井，可最大程度减缓层间干扰。

6 结 论

分层注水测调一体化系统经室内和现场试验，得出以下结论：

1)该系统能可靠实现一次下井完成多层注水量调配，简化了调配工艺，提高了工作效率，降低了作业成本。

2)该系统采用超声波一体化测调仪，解决了涡轮流量计因水中杂质造成调配失败或误差较大的问题，提高了调配成功率和调配精度。

3)该系统已在现场推广应用600余井次，施工成功率达到98%，应用效果良好。