智能分注分层流量测量与自动校准技术研究应用

牛云鹏，刘宇光，柴金勇，兰孟平

（西安洛科电子科技股份有限公司，西安 710065）

0 引言

水驱开发是中国油田的主要开发方式，是补充地层能量，提高采收率最有效的方法之一。由于油田非均质性普遍，开发对象物性差异大，平面和层间矛盾突出，为了实现稳油控水，多采用分层注水方式[1-3]。与传统分注工艺相比，智能分注工艺系统包含井下智能分注仪、地面智能管控仪、远程水井智能测控软件等3 部分，实现了远程-地面-井下数字立体化协同测控。该工艺技术能够全自动对井下各分层注入流量进行实时监测，并实时掌握井下各层吸水状况以及随地质、压力、系统压力等的变化规律及时动态调整分层注入流量，实现加强对中、低渗透层的注入量，对高渗透层进行控制，防止注水层的单层突进，实现均匀推进，精细分注，提高注水合格率。

智能分注工艺技术的核心是对水井分层注水量进行及时调控，调控的成功率、合格率依赖于井下分层流量测量的准确性，提高测量准确性的关键在于流量计的选型设计与流量解释算法的实现。

同时分注井井下为高温、高压、高腐蚀，高冲蚀的复杂环境，而井下智能分注仪需在复杂环境下持续工作3 年以上。为了满足井下复杂的工作环境，井下智能分注仪选择具备耐高温高压，耐腐蚀、耐冲蚀，无运动部件的孔板式差压流量计。随着井下工作时间的延长，受注入水质、井下工作环境的影响，孔板式差压流量计测量流道、孔板尺寸均会发生改变，从而造成流量漂移，测量误差偏大，无法满足精细分注要求。针对此情况开展不动管柱地面与井下仪器协调控制，进行井下分层流量自动校准技术研究，提高了井下分层流量计长期工作的可靠性与持续测量的准确性。

1 孔板式差压流量计原理

孔板式流量计的工作原理属于差压流量计的一种，在流体管道上安装一个节流装置，其内部装有一个孔板，流体流过孔板时由于孔径变小，截面积收缩，速度加快，在孔板前后产生压力降落即差压，通过测量孔板前后的压差，而计算取得流量数据的方法[3,4]。

井下孔板式差压流量计选用高硬度、耐冲蚀的陶瓷作为节流孔板，选用两个高精度耐高温的压力传感器分别测量节流孔板前后压力，通过计算两个压力传感器的压力差来测得流量。

孔板式差压流量计结构模型如图1 所示。

图1 孔板式差压流量计结构模型Fig.1 Structural model of orifice plate differential pressure flowmeter

其流量理论计算公式为

其中：ΔP——孔口前后差压（Pa）；A——孔口面积（㎡）；ρ——流体的密度（kg/m3）；Cd——仪表系数；qv——流量（m3/s）。

2 流量测量电路设计

根据孔板式差压流量计的工作原理，首先对孔板前后压力进行检测，同时考虑井下高温工作环境对流量测量的影响需要对井下温度进行采集，对流量测量进行温度补偿，以提高流量测量准确性。流量测量电路包含恒流激励电路、压力温度采集电路、主控处理器，如图2 所示。

图2 流量测量电路Fig.2 Flow measurement circuit

其中，U1,U2 选用低失调电压，低输入偏置电流，高增益共模抑制比的轨至轨集成运放芯片，U3 选用低噪声、可编辑增益的24 位高精度AD 采集芯片，U4 为高性能16位数字信号控制器，R1,R2,R3 为耐高温、低温漂、高精度的电阻，Vref 为基准芯片输出的基准电源。

依据集成运放的基本原理，两个输入端的净输入电压和净输入电流均为零，即集成运放两输入端电压相等，集成运放U1A 与电阻R1 构成恒流电路给孔前压力传感器提供恒流激励信号，同理U1B 与电阻R2，U2 与电阻R3，构成恒流激励电路分别给孔口压力P2，温度传感器提供恒流激励信号。压力温度传感器输出信号通过24 位高精度AD采集芯片采集后传输到MCU 中，通过测量压力传感器与温度传感器输出的信号来测量压力与温度，MCU 依据流量解释算法以及温度补偿算法，进行分层注入流量计算[5,6]。

3 流量计算算法优化

公式（1）为孔板差压流量计的理论公式，而在实际应用中采用工程方法进行流量的计算，即先在标定台上进行流量标定，建立压差值与流量值的数据表，即流量刻度数据。根据刻度数据进行差压值-流量值曲线拟合得出数学模型，进行流量计算[7,8]。

具体实施过程为把井下智能分注仪安装在标定台上，根据设定的流量台阶进行标定，得出压差值与流量值的对应关系，刻度数据见表1。

表1 流量刻度数据Table 1 Flow scale data

根据流量全刻度数据进行曲线拟合如图3 所示。

图3 全刻度差压-流量曲线拟合Fig.3 Full scale differential pressure flow curve fitting

根据全刻度差压-流量曲线拟合，生成流量计算数学表达式如下：

由于结构设计、机械加工、实验设备等因素的影响，从图3 可知数学表达式（2）在流量为0m3/d、5m3/d、10m3/d 时，流量计算误差偏大，最大流量误差3.28m3/d，流量测量精度为8.2%。采用全刻度数据生产的数学表达式无法适用于全量程流量测量，为了提高流量测量精度，需对数据拟合方式进行进一步优化。

为了提高流量计算的精度，减少误差，采用分段差压-流量数据曲线拟合，把全刻度数据分为0m3/d、5m3/d、10m3/d 和15m3/d、20m3/d、25m3/d、30m3/d、35m3/d、40m3/d 两部分，分段数据曲线拟合如图4 所示。

图4 分段刻度差压-流量曲线拟合Fig.4 Segmental scale differential pressure flow curve fitting

根据分段刻度差压-流量曲线拟合，生成流量计算数学表达式如下：

从图4 中差压-流量曲线拟合可知，数学表达式计算的流量值与标准流量值基本吻合，采用差压-流量曲线拟合方法能够有效提高流量测量精度，减少流量测量误差，最大流量误差为0.31m3/d，流量测量精度提高到1%。

流量计算算法优化前后数据见表2。

表2 流量算法优化前后数据对比Table 2 Comparison of data before and after traffic algorithm optimization

4 井下分层流量自动校准

4.1 分层流量自动校准原理

智能分注仪长期工作于井下，当测量通道、孔板结垢时会造成流量测量流道与孔板尺寸发生改变，依据公式（1）可知，原刻度数据生成的分段流量计算数学表达式（3）、（4）计算出的流量误差变大，发生井下流量漂移现象。为了提高井下分层流量测量的准确性，需定期对井下分层流量进行自动校准，重新生成分段流量计算数学表达式。

井下分层流量自动校准工艺原理：水井地面智能管控仪具备恒流控制以及井下分注仪水嘴开关的自动控制功能，通过轮注制度，逐层对比目标层位流量值与地面智能管控仪的流量值。当流量差值超出误差范围后，地面智能管控仪依据预设恒流台阶自动对分层流量数据进行标定，生成新的差压值与流量值数据表，依据新的压力-流量数据模型自动生成新流量计算表达式完成流量自动校准[4]。

4.2 分层流量自动校准开发与实施

井下分层流量自动校准由地面智能管控仪自动执行，从启动到校准，流量算法的更新直至结束，整个过程无需人工干预，自动完成。

井下分层流量自动校准工作流程如图5 所示。

图5 分层流量自动校准流程图Fig.5 Layered flow automatic calibration flowchart

井下分层流量自动校准详细实施步骤如下：

1）明确流量自动校准自动启动的两个限制条件，一是流量自动校准启动周期与时间节点，二是地面智能管控仪流量与目标层流量误差值。这两个限制条件根据施工井井况、地质要求，可远程调整。

2）当达到预设的流量自动校准时间节点时，地面智能管控仪启动井下分层流量校准功能，从第一层开始进行流量自动校准。

3）地面智能管控仪向井下各层智能分注仪发送水嘴开关指令，打开目标层智能分注仪水嘴，关闭其他层智能分注仪水嘴。

4）地面智能管控仪自动进入恒流工作模式，读取地面智能管控仪测得的流量数据与井下目标层流量数据，进行误差计算。当流量误差大于设定误差时，启动目标层流量自动校准功能。

5）地面智能管控仪控制的恒流值作为流量标定值（流量标定值根据流量测量范围设置为8 个流量台阶，每个台阶稳定5min），每个恒定流量台阶下读取目标层仪器孔前压力与孔后压力，并自动存入数据库中，生成差压流量刻度数据表，依据“流量计算算法优化”方法生成差压-流量分段数学表达式，地面智能管控仪依据新的数学表达式自动更新算法程序。完成目标层流量自动校准后，调整下一层为目标层位进行流量自动校准，直至完成全井所有层位的流量校准。

6）当地面智能管控仪测得的流量数据与井下目标层流量数据误差符合设定误差要求时，自动结束该目标层流量校准功能，调整下一层为目标层位进行流量自动校准，直至完成全井所有层位的流量校准。

5 现场应用

截至2023 年6 月，智能分注工艺在新疆油田共实施60余口，单井分注层数多为2 ～4 层，全井注入量103/d～50m3/d，单层最小配注量5m3/d，井口最大注入压力20MPa，平均井深2000m，智能分注井下流量自动校准设定周期为3 个月，流量校准启动误差设定为±2%。

智能分注现场应用通过采用差压-流量分段曲线拟合数学模型提高了孔板式差压流量计算精度，精度可达1%；通过定期执行的井下分层流量自动校准技术，提高了智能分注仪井下流量长期测量的准确性与可靠性，误差在2%以内。井下分层注入流量的准确性、可靠性确保了分层流量调控的准确性，使注水合格率达95%以上。

智能分注工艺不但实现了注水井地面注入信息与井下分层注入信息的实时监测与控制，同时实现了井下与地面的立体化协同控制。特别是自动校准技术的实现，有效提高了智能分注工艺长期工作的可靠性与适用性，通过地面智能管控仪的流量与井下分层流量对比测试，在无需起井作业的情况下完成了井下流量的现场标定校准，有效解决了智能分层注水流量的误差问题，提高了长期工作的可靠性，在现场应用中取得了较好的效果。

智能分注系统根据预设流量自动校准周期与流量误差值自动进行井下分层流量校准，解释算法程序自动更新，整个过程不受时间、人员、环境等因素的影响，在提高智能分层注水准确性的同时，降低了人力、物力。

6 结论

1）智能分注工艺技术实现了远程-地面-井下数字化协同控制，能够全自动对井下各分层注入流量进行实时监测，并根据地质需求及时调控，实现精细分注。

2）智能分注井下流量计算，采用分段压力-流量拟合数学模型，提高了流量测量的准确性，保障分层注水的准确度。

3）智能分注井下分层流量自动校准技术，解决了井下长期工作流量漂移的问题，保障了分层注水长期测调的准确性与可靠性，提高了分注合格率与油田开发效果，为油藏的分析评价提供准确的数据支撑。

4）井下分层流量自动校准，流量算法模型自动建立，解释算法自动更新，无需人工操作，在提高智能分层注水准确性的同时，提高了工作效率，降低了运维成本，促进油田数智化的发展。