勝利油田針對(duì)分層注水井測(cè)調(diào)工藝繁瑣、工作量大[1]、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分層注水量并根據(jù)總注水量的變化對(duì)井下分層水嘴進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等問(wèn)題, 開(kāi)展了免投撈實(shí)時(shí)測(cè)控注水技術(shù)研究。井下分層注水量的自動(dòng)監(jiān)測(cè), 通過(guò)將流量計(jì)安裝在配注裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn), 流量計(jì)有小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、穩(wěn)定可靠等基本要求。目前用來(lái)在地面上實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的流量計(jì)有幾十種之多, 但大多不適合在井下長(zhǎng)期使用, 一方面由于地面和井下的環(huán)境差異 (溫度、壓力) , 另一方面是目前的流量計(jì)的體積、安裝方式無(wú)法直接用于配注裝置上, 因此需要根據(jù)現(xiàn)有流量測(cè)量原理, 設(shè)計(jì)適合于井下流量測(cè)量的小型流量計(jì)。

對(duì)井下分層注水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)使用的流量計(jì)有以下要求:

(1) 長(zhǎng)期使用的可靠性。目前井下常用流量計(jì)的使用僅限于測(cè)試, 測(cè)試后即可進(jìn)行維護(hù)、標(biāo)定。文中所述的流量計(jì), 在井下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用, 其可靠性要求遠(yuǎn)大于目前使用的流量計(jì)。

(2) 結(jié)構(gòu)緊湊。文中所述的流量計(jì)安裝于配注裝置的環(huán)空內(nèi), 空間位置有限, 流量計(jì)的直徑受到限制, 其直徑小于30 mm。

(3) 具備抗堵塞能力。分層計(jì)量流量計(jì)的通道較小, 容易產(chǎn)生堵塞, 需保持流道通暢。

結(jié)合上述需求進(jìn)行流量測(cè)量方式的選取。電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜[2-3], 小型化則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難;渦街流量計(jì)怕震動(dòng)[4], 不利于井下長(zhǎng)期使用;靶式流量計(jì)對(duì)流體的要求較高[5], 不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量, 且流體必須充滿流量計(jì)的測(cè)量管;標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)采用圓形薄壁孔板, 性能穩(wěn)定可靠, 使用壽命長(zhǎng)[6], 常用來(lái)做污水計(jì)量, 此外孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 易于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì), 因此流量測(cè)量方式選用孔板式。

按照配注裝置整體結(jié)構(gòu)排布 (截面如圖1所示) , 流量計(jì)測(cè)量通道的***大外徑為26 mm。由于配注裝置結(jié)構(gòu)緊湊, 按照標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)法蘭夾持孔板的結(jié)構(gòu)形式無(wú)法實(shí)現(xiàn), 因此在小型化的設(shè)計(jì)上, 取消了法蘭連接, 大大縮小了外徑尺寸, 如圖2所示。

孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)保證流道內(nèi)的流體處于紊流狀態(tài), 避免流態(tài)變化引起流量測(cè)量誤差。由于結(jié)構(gòu)約束關(guān)系, 孔板流量計(jì)的流道直徑設(shè)計(jì)為14~22mm, 單層注水量取Q=2~20 m3/d。計(jì)算孔板流量計(jì)的雷諾數(shù)與流道直徑和單層注水量之間的關(guān)系, 結(jié)果見(jiàn)圖3。

流道直徑減小, 有利于提高測(cè)量精度, 但流道過(guò)小會(huì)增大沿程阻力。流道直徑為14~22 mm, 單層注水量取Q=5~50 m3/d, 按照達(dá)西-韋斯巴赫公式 (1) 與布拉修斯公式 (2) [7]計(jì)算流量計(jì)流道內(nèi)的壓力損失。從圖4可以看出:隨著流道直徑的增加, 流阻明顯下降, 若要減小壓力損失, 流道直徑應(yīng)盡量大。

式中:hf為沿程阻力損失;λ為沿程阻力系數(shù);L為流道長(zhǎng)度;v為平均流速;D為流道直徑;g為重力加速度;Re為雷諾數(shù)。

綜合考慮流態(tài)、結(jié)構(gòu)尺寸約束和壓力損失等因素, 小型流量計(jì)流道直徑取值范圍為14~22 mm。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的直徑比一般在0.2~0.75之間[8]。根據(jù)以上分析取流道直徑的1/3~1/2作為孔板直徑較為合適。孔板直徑越小, 流量計(jì)靈敏度會(huì)越高, 有利于傳感器檢測(cè), 但也會(huì)引起壓力損失的增加, 如果孔板直徑過(guò)小, 也存在孔板被堵塞的危險(xiǎn)。綜合考慮各因素, 流量計(jì)孔板直徑取值范圍為5~16 mm。

運(yùn)用FLUENT軟件與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)流量-壓差計(jì)算公式 (3) , 對(duì)量程為3~30 m3/d的流量計(jì)對(duì)應(yīng)的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬, 繪制的流量與壓差關(guān)系曲線如圖5—6所示?？装鍍啥?**高壓差為0.2 MPa時(shí), 對(duì)應(yīng)流量計(jì)的流道尺寸為:流道直徑14 mm, 孔板直徑5.1 mm。

式中:qv為體積流量;C為修正系數(shù);β為流量計(jì)的直徑比;A0為流道橫截面積;Δp為流道出口與入口處的壓差;ρ為流體密度。

在3~30 m3/d流量計(jì)設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)上, 利用FLUENT軟件對(duì)量程分別為15~150 m3/d、30~400m3/d的流量計(jì)對(duì)應(yīng)流道進(jìn)行了模擬, 繪制流量與壓差關(guān)系曲線如圖7—8所示。

可以看出:孔板兩端***高壓差為0.2 MPa時(shí), 量程15~150 m3/d對(duì)應(yīng)流量計(jì)的流道尺寸為:流道直徑18 mm, 孔板直徑10.3 mm;量程30~400 m3/d對(duì)應(yīng)流量計(jì)的流道尺寸為:流道直徑20 mm, 孔板直徑15 mm。

差壓傳感器的選型原則:流量測(cè)量通道壓差損失小, 滿足配注器的結(jié)構(gòu)尺寸要求, 測(cè)量精度高以及耐高溫高壓。選擇的差壓傳感器性能參數(shù)如下:差壓0~0.2 MPa、精度0.1%、耐溫-40℃~125℃、外形尺寸19 mm×35 mm。

選用該差壓傳感器, 承受的壓力可以滿足設(shè)計(jì)要求, 傳感器綜合精度為0.1%, 流量分辨率較高、可區(qū)分0.5 m3, 40 m3的水流沖擊為0.19 MPa (<0.2 MPa) , 不易損壞。

差壓傳感器承受的壓差不能超過(guò)工作壓差的3倍, 為防止高壓差或尖峰壓力脈沖對(duì)傳感器的損壞, 設(shè)計(jì)了單向閥和波紋管保護(hù)組件, 與流量計(jì)共同夠成流量計(jì)短節(jié), 如圖9所示。其中單向閥保護(hù)組件主要是用來(lái)防止長(zhǎng)時(shí)間的高壓差對(duì)傳感器造成損害;波紋管保護(hù)組件采用低剛度金屬片, 迅速做出緩沖壓力較大的脈沖, 主要是用來(lái)吸收快速的尖峰壓力脈沖, 防止尖峰壓力脈沖損壞。單向閥與波紋管相輔相成可以有效地保護(hù)傳感器不被損壞。

在室溫25℃, 流量0~300 m3/d對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定, 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的量程范圍1.5~450 m3/d, 精度0.1%。在圖10所示的流量計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上, 分別進(jìn)行正行程和反行程流量測(cè)試, 流量標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)論:試驗(yàn)流量***小為2.6 m3/d, ***大為286.1 m3/d, 流量標(biāo)定***大誤差正行程為3.9%, 反行程為3.7%, 流量與壓力計(jì)數(shù)呈拋物線關(guān)系。將正行程和反行程的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 擬合結(jié)果如圖11所示, 曲線基本重合, 誤差很小, 說(shuō)明流量計(jì)重復(fù)性高。

在室內(nèi)試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上, 在GD2-22-24井上進(jìn)行了首次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井上層配注30 m3/d, 下層配注20 m3/d, 井下小型孔板流量計(jì)測(cè)量值在多功能配注裝置上顯示上層注水量32.3 m3/d, 下層注水量19.4 m3/d, 地面水表顯示50 m3/d。為驗(yàn)證分層流量調(diào)配結(jié)果是否準(zhǔn)確進(jìn)行了超聲波流量計(jì)測(cè)試驗(yàn)證, 分層水量調(diào)配結(jié)果、超聲波流量計(jì)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果與地面水表計(jì)量結(jié)果3個(gè)參數(shù)吻合度達(dá)到95%以上。

該井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)9個(gè)月以來(lái), 不斷跟蹤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)試情況, 超聲波流量計(jì)分層測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果顯示:井下小型孔板流量計(jì)測(cè)量值在多功能配注裝置上顯示的測(cè)試誤差仍小于3%。目前已開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)6口井, 測(cè)試誤差均小于5%, 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好。

(1) 小型孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件, 安裝于配注裝置內(nèi), 與配注裝置在井下長(zhǎng)期使用, 進(jìn)行井下分層注水量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

(2) 試驗(yàn)結(jié)果顯示, 小型孔板流量計(jì)測(cè)量值較為準(zhǔn)確, 計(jì)量誤差小于5%。

(3) 單向閥和波紋管保護(hù)組件有效防止高壓差或尖峰壓力脈沖對(duì)傳感器的損壞, 提高了流量計(jì)的工作可靠性。