无缆智能配水器流量测试系统的优化与改进

2021-07-07孟祥海张志熊赵广渊

北京石油化工学院学报 2021年2期

孟祥海，陈征，蓝飞，张乐，张志熊，赵广渊

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459； 2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459)

分层注水已经成为国内海上油田的主要开发方式。由于海上油田对于分层注水的精细化和测调效率的要求越来越高，近年来，以有缆智能分层注水技术和无缆智能分层注水技术为主体的智能注水技术逐渐发展起来[1-5]。其中，无缆智能分层注水技术因其无需井下电缆、适用于小尺寸防砂内通径等优势，在海上油田开展了较多应用。无缆智能配水器可将井下各注水层位的流量、压力、温度等参数回传至地面，提高测调效率，实现油田对注水的精细化、智能化管理[6-8]。

流量测试模块是无缆智能配水器的主要模块之一，现有的流量测试方式主要有差压式流量测量、电磁流量测量和超声流量测量等。电磁流量测量法因测量范围广、测量精度高且不受介质的密度、黏度、温度、压力影响等特点，广泛应用于注水流量测试中[9-12]。

笔者所用无缆智能配水器采用电磁流量测试方法，为了验证配水器流量测试性能，首先对流量测试效果进行地面实验验证，针对实验中出现的问题，建立管道流动模拟仿真模型，通过配水器内部流态模拟验证并发现问题产生的原因，通过结构改进的配水器可满足大流量测试要求。

1 技术原理

无缆智能配水器是将机械结构、测试控制系统、电子电路等高度一体化集成的井下注水调节控制系统，其控制原理是通过地面控制系统向井下发送压力脉冲信号，井下配水器接收地面信号、测试井下注水动态参数，并实现控制、调节和采集上传测试数据的功能。

井下配水器主要包括供电模块、中控模块、数据测试采集与控制模块，各模块技术原理如下：

(1)供电模块：由井下耐高温、高压电池短节供电，通过DC/DC电压变换，为调节电机、测控电路和各类传感器等提供不同的供电需求。

(2)中控模块：通过RS485通信协议与井口信号发生器进行双向通信，接收地面控制系统指令，上传实时测试数据。

(3)数据测试采集模块：测试并采集井下流量、温度、注水压力和地层压力等数据，通过中控模块上传至地面控制系统。

(4)控制模块：中控模块通过电机调节水嘴开度调控目的注入层的注水量大小；如果需要人为改变分层注入量或进行其他设置时，可以由地面监控计算机通过地面控制器与井下配水器进行双向通信完成。可采用井下闭环控制、井上闭环控制、井上开环控制等灵活多样的控制方式，同时具有限时控制、阈值控制、定时控制等功能。

2 流量测试实验

为了验证无缆智能配水器流量测试精度、加工工具工装，设计了实验测试流程和实验方案，通过对比配水器测试流量与标准流量计数据，分析配水器流量测试精度。

2.1 实验流程设计

流量测试实验采用酸化PSS911柱塞泵，通过2寸高压软管连接至配水器，配水器水嘴出口连接定制的夹具，水嘴出水通过2寸高压软管线回流至储液罐。在该实验流程中，由于数据和指令无法像实际注水井中使用地面控制系统通过注入水的压力脉冲发送和接收，设计制造了通讯仪，与配水器数据测试采集模块实现非接触式通信，通过通信线缆与控制器和计算机终端连接，实现在线流量测试。实验流程如图1所示。

图1 无缆智能配水器流量测试实验流程

2.2 实验方案

根据实验流程设计结果，考虑配水器前后端稳流段、通讯仪对配水器内部流态的影响，设计了4种实验方案：(1)前后端均无缓冲容器，在线流量测试；(2)前后端均无缓冲容器，存储式流量测试；(3)前端接套管缓冲容器，在线流量测试；(4)后端接套管缓冲容器，存储式流量测试。其中，缓冲容器采用6 m的5-1/2in套管，存储式流量测试方式无需通讯仪插入到配水器内部，测试数据存储于配水器数据采集模块中，测试过程完成后通过计算机读取存储数据。

通过方案(1)与方案(2)对比，消除通讯仪对配水器内部流态产生的影响；方案(1)与方案(3)对比，消除柱塞泵对配水器内部流态产生的影响；方案(2)与方案(4)对比，消除配水器后端缓冲容器对配水器内部流态的影响。

2.3 实验结果分析

在4种实验方案基础上，采用阶梯流量测试，将配水器流量测试数据与标准流量计数据对比，结果如图2所示。

图2 4种实验方案不同流量测试数据对比

从图2中可以看出，当注水流量小于300 m3/d时，无缆智能配水器的测试流量比较平稳，且与标准流量计测得的流量基本一致，配水器流量测试精度较高；当注水流量大于300 m3/d时，无缆智能配水器的测试流量出现较大波动，相比标准流量计测得的流量相差较大，配水器流量测试精度不能满足要求。

对比方案(1)与方案(2)的实验结果，说明通讯仪对配水器内部流态产生无明显影响；对比方案(1)与方案(3)、方案(2)与方案(4)的实验结果，说明配水器前端和后端的缓冲容器对配水器内部流动形态未产生明显影响。综合分析认为，当注水流量大于300 m3/d时，由于无缆配水器流量测试通道的结构不合理，导致测试部位的流动形态紊乱，造成电磁流量测得的流量波动较大、精度较低。

3 配水器流态仿真模拟

根据配水器结构，利用仿真模拟软件建立管道流动三维模拟仿真模型，模型选取标准的k-ε模型，并采用六面体网格划分，考虑流体在边界处的流动状态，在配水器内壁面设置4层边界层，提高模拟精度，加速收敛速度。根据模拟方案设置不同的入口流速，出口压力设为大气压，采用SIMPLE算法，模拟4种实验方案中不同流量下的配水器内部流动形态。选取流量为100 m3/d和400 m3/d的模拟结果如图3所示。

图3 仿真模型模拟结果

方案(1)和方案(2)仿真模型的结构相近，且模拟结果相近，方案(3)和方案(4)仿真模型的结构类似，模拟结果相近，故文中展示方案(1)和方案(4)的模拟结果。从图3中可以看出，当流量为100 m3/d时，配水器水嘴出口处流态较为平稳；当流量为400 m3/d时，配水器水嘴出口处流态较为紊乱，靠近水嘴中心位置流速最大，靠近水嘴边缘处流速较小。

该智能配水器测试位置位于水嘴出口处，采用电磁流量测量方式，通过测量管内流体电动势强度计算得到流量，电动势强度与垂直于磁感线方向的流体流速有直接关系；当流量较大时，中心通道的流体先通过环形空间，然后经过水嘴出口流出，流经水嘴出口时，流动方向发生急剧变化且流动通道尺寸急剧缩小，所以水嘴出口处的磁场中流体流速分布不均匀，产生了测试流量数值剧烈波动，因此出现测试数据不准确的情况。