一种改进型压控智能配水器的设计

屈瑞娜，王伟涛

（西安思源学院，陕西西安，710038）

0 引言

油田投入开发后，随着开采时间的增长，油层压力不断下降，地下原油大量脱气，粘度增加，油井产量大大减小，甚至会停喷停产，造成地下残留大量死油开采不出来。为了弥补原油开采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，并获得较高的采收率，必须对油田进行注水。

目前石油领域常用的配水器工具主要分为传统的投捞式配水器、边测边调配水器、有缆自动测调配水器、无缆测调配水器和压控智能配水器等几种。

（1）偏心钢丝投捞固定水嘴式配水器：主要是通过钢丝等对偏心配水器水嘴进行投捞，满足地层配水量。缺点：①精度差，固定水嘴无法对水量精细调节，误差大。②无法实现水量实时监测。③现场测调时间长、作业时间长，投捞成功率低。

（2）边测边调配水器：电缆连接流量测调仪，通过流量计实时测量水量大小，判断水嘴开度是否合适。缺点：①无法实现长期监测。②长期配水精度差，无法实现精细分注。③测调作业时间长，工艺复杂。

（3）有缆自动测调配水器具备自动测调与测试功能，且下井作业完成后，后续操作和维护简便，且后期无成本，长时间作业时成本较低，同时可实时传输数据。缺点是：在油田生产过程中，由于仪器须采用电缆进行信号的传输，所以下井前须选用不同规格电缆并在下井时对其进行保护。同时要求井场有外接电源，这样不但增加仪器成本，而且下井作业比较费时费力。

（4）无缆自动测调配水器也局部自动测调和测试功能，同时下井作业过程较为简单，成本低，对井场要求比较低。缺点是：在油田生产过程，对井下仪器数据传输时，须用测井车进行作业，后期累计作业费较高。

（5）压控智能配水器主要使用在注水井中，由于井下的压力、温度较高而且注水过程中配水器会随着油管柱产生振动，可能存在仪器内部有少量水汽的风险。在流量测调过程中发现水嘴开度在80%～100%时，水嘴开度的变化对通过的流量几乎无影响。压控配水器的流量计是通过压差来计算相应的流量，所以根据压力传感器的特点，需定期对压差传感器的零点进行校正。针对以上几点，在现有的压控智能配水器上进行了优化、改进。

1 技术分析

压控配水器主要包括验封短节、流量计、水嘴短节、电池电源和防返吐装置等。现有仪器的结构图如图1所示。

图1 压控配水器结构图

优化改进后的配水器结构图如图2所示。

图2 优化改进配水器结构图

2 配水器优化、改进措施

在原有压控智能配水器的基础上，对其进行了优化，主要表现在对仪器内部结构进行了二次密封结构；对仪器的流量调节部分进行了优化；差压流量计采用传感器自校准功能。主要表现在以下几个方面：

（1）二次密封结构主要是对仪器内部的元器件和各个模块增加密封外壳，避免凝结水蒸气和其他气体对元器件的影响。

（2）流量调节部分是对流体的出口形状进行了更改，保证小方量的调节精度和大方量的调节要求。

（3）传感器自校准功能是对仪器在井下长时间工作后出现零点漂移，通过配合流量调节装置，进行差压零点校准。

（4）基于井下多级压损的流量测量技术，由原来的单级孔板流量计优化为多级孔板流量计，实现了4-40m3/d流量精准测量，且有效降低了孔板堵塞的风险。

3 仪器的具体改进实施方案

仪器整体优化如图3、图4、图5所示。

图3 配水器整体结构图

图4 水嘴结构图

图5 配水器内部结构图

图3中编号表示为：1下接头，2差压流量计，3验封短节，4流量调节装置，5控制电路，6供电部分，7上接头，8中心管，9外护管，10入水口，11过流通道，12出水口。

如图3中所示，仪器的结构为：下接头1连接下行的油管管柱，上接头7连接同时连接着上行管柱。下接头1和上接头7之间，内部用中心管8密封连接，外部用外护管9密封连接。上述几个零部件之间的环空内腔安装着仪器的各个模块和元器件。

验封短节3安装有压力传感器，分别测量油管内压力和油管外压力；该短节安装于下接头1上，并与控制电路5通过线路进行数据通信。控制电路5和验封短节3利用外壳进行密封保护，隔绝外界水汽、凝结液及其他气体对元器件的腐蚀短路。

如图3所示，流量调节装置4包含电机驱动部分及调节开关控制部分，利用护管将整个电子元器件及驱动电机进行包裹，提高其防护等级。流量调节装置4通过驱动中间活塞杆，来改变图4中所示的出水截面积大小，进而改变流量的大小。而出水口形状如图4所示，为梯形形状，当活塞杆以匀速向下运动时，小方量时出水面积变化慢，方量变大时出水口面积变化快，起到小方量时调节精度高，大方量时满足要求的目的。

如图4所示，流体从油管内经过上接头7的入水口10进入差压流量计2，然后从差压流量计2通过下接头1的过流通道11进入流量调节装置4，最后从流量调节装置4流出后，经过下接头1的出水口12流出，达到油管外到达地层。

图5所示，差压流量计2主要是测量从仪器流出并进入地层流体的方量。当差压流量计2的传感器经过长时间使用后，会出现零点漂移。所以一段时间后需要将差压流量计进行校准。校准时，先将流量调节装置4关闭，此时通过差压流量计2的流体方量为零，差压流量计2的差压为零。然后通过对差压传感器2的值进行采集，最后计算流量时对差压传感器的进行零点补偿，这样就能消除流量计2的偏移误差。

多级压损孔板流量计结构图如图6所示：

图6 多级压损孔板流量计结构图

多级压损的流量测量技术是在传统的孔板流量计的基础上，利用多个孔板串联的办法，将流体进行多次节流，进而产生多个压损叠加的效果，最终获得较大的压损结果。这样能够提高流量计的测量精度及测量下限，满足测量小方量的需求，同时，相比单级孔板的孔径增大，能够有效降低孔板堵塞的风险。

表1 压控智能配水器原理

技术结果单一孔板压损-流量对应关系n个孔板压损-流量对应关系。k≥1为补偿系数最小压力测量范围下，流量测量下限变化。