無纜智能配水器流量測試系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)

孟祥海，陳 征，藍(lán) 飛，張 樂，張志熊，趙廣淵

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

分層注水已經(jīng)成為國內(nèi)海上油田的主要開發(fā)方式。由于海上油田對于分層注水的精細(xì)化和測調(diào)效率的要求越來越高，近年來，以有纜智能分層注水技術(shù)和無纜智能分層注水技術(shù)為主體的智能注水技術(shù)逐漸發(fā)展起來[1-5]。其中，無纜智能分層注水技術(shù)因其無需井下電纜、適用于小尺寸防砂內(nèi)通徑等優(yōu)勢，在海上油田開展了較多應(yīng)用。無纜智能配水器可將井下各注水層位的流量、壓力、溫度等參數(shù)回傳至地面，提高測調(diào)效率，實(shí)現(xiàn)油田對注水的精細(xì)化、智能化管理[6-8]。

流量測試模塊是無纜智能配水器的主要模塊之一，現(xiàn)有的流量測試方式主要有差壓式流量測量、電磁流量測量和超聲流量測量等。電磁流量測量法因測量范圍廣、測量精度高且不受介質(zhì)的密度、黏度、溫度、壓力影響等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于注水流量測試中[9-12]。

筆者所用無纜智能配水器采用電磁流量測試方法，為了驗(yàn)證配水器流量測試性能，首先對流量測試效果進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，建立管道流動(dòng)模擬仿真模型，通過配水器內(nèi)部流態(tài)模擬驗(yàn)證并發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的原因，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)的配水器可滿足大流量測試要求。

1 技術(shù)原理

無纜智能配水器是將機(jī)械結(jié)構(gòu)、測試控制系統(tǒng)、電子電路等高度一體化集成的井下注水調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，其控制原理是通過地面控制系統(tǒng)向井下發(fā)送壓力脈沖信號，井下配水器接收地面信號、測試井下注水動(dòng)態(tài)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)控制、調(diào)節(jié)和采集上傳測試數(shù)據(jù)的功能。

井下配水器主要包括供電模塊、中控模塊、數(shù)據(jù)測試采集與控制模塊，各模塊技術(shù)原理如下：

(1)供電模塊：由井下耐高溫、高壓電池短節(jié)供電，通過DC/DC電壓變換，為調(diào)節(jié)電機(jī)、測控電路和各類傳感器等提供不同的供電需求。

(2)中控模塊：通過RS485通信協(xié)議與井口信號發(fā)生器進(jìn)行雙向通信，接收地面控制系統(tǒng)指令，上傳實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)測試采集模塊：測試并采集井下流量、溫度、注水壓力和地層壓力等數(shù)據(jù)，通過中控模塊上傳至地面控制系統(tǒng)。

(4)控制模塊：中控模塊通過電機(jī)調(diào)節(jié)水嘴開度調(diào)控目的注入層的注水量大小；如果需要人為改變分層注入量或進(jìn)行其他設(shè)置時(shí)，可以由地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過地面控制器與井下配水器進(jìn)行雙向通信完成?？刹捎镁麻]環(huán)控制、井上閉環(huán)控制、井上開環(huán)控制等靈活多樣的控制方式，同時(shí)具有限時(shí)控制、閾值控制、定時(shí)控制等功能。

2 流量測試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證無纜智能配水器流量測試精度、加工工具工裝，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測試流程和實(shí)驗(yàn)方案，通過對比配水器測試流量與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)數(shù)據(jù)，分析配水器流量測試精度。

2.1 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

流量測試實(shí)驗(yàn)采用酸化PSS911柱塞泵，通過2寸高壓軟管連接至配水器，配水器水嘴出口連接定制的夾具，水嘴出水通過2寸高壓軟管線回流至儲(chǔ)液罐。在該實(shí)驗(yàn)流程中，由于數(shù)據(jù)和指令無法像實(shí)際注水井中使用地面控制系統(tǒng)通過注入水的壓力脈沖發(fā)送和接收，設(shè)計(jì)制造了通訊儀，與配水器數(shù)據(jù)測試采集模塊實(shí)現(xiàn)非接觸式通信，通過通信線纜與控制器和計(jì)算機(jī)終端連接，實(shí)現(xiàn)在線流量測試。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 無纜智能配水器流量測試實(shí)驗(yàn)流程

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)結(jié)果，考慮配水器前后端穩(wěn)流段、通訊儀對配水器內(nèi)部流態(tài)的影響，設(shè)計(jì)了4種實(shí)驗(yàn)方案：(1)前后端均無緩沖容器，在線流量測試；(2)前后端均無緩沖容器，存儲(chǔ)式流量測試；(3)前端接套管緩沖容器，在線流量測試；(4)后端接套管緩沖容器，存儲(chǔ)式流量測試。其中，緩沖容器采用6 m的5-1/2in套管，存儲(chǔ)式流量測試方式無需通訊儀插入到配水器內(nèi)部，測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于配水器數(shù)據(jù)采集模塊中，測試過程完成后通過計(jì)算機(jī)讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過方案(1)與方案(2)對比，消除通訊儀對配水器內(nèi)部流態(tài)產(chǎn)生的影響；方案(1)與方案(3)對比，消除柱塞泵對配水器內(nèi)部流態(tài)產(chǎn)生的影響；方案(2)與方案(4)對比，消除配水器后端緩沖容器對配水器內(nèi)部流態(tài)的影響。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在4種實(shí)驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，采用階梯流量測試，將配水器流量測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 4種實(shí)驗(yàn)方案不同流量測試數(shù)據(jù)對比

從圖2中可以看出，當(dāng)注水流量小于300 m3/d時(shí)，無纜智能配水器的測試流量比較平穩(wěn)，且與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測得的流量基本一致，配水器流量測試精度較高；當(dāng)注水流量大于300 m3/d時(shí)，無纜智能配水器的測試流量出現(xiàn)較大波動(dòng)，相比標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測得的流量相差較大，配水器流量測試精度不能滿足要求。

對比方案(1)與方案(2)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明通訊儀對配水器內(nèi)部流態(tài)產(chǎn)生無明顯影響；對比方案(1)與方案(3)、方案(2)與方案(4)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明配水器前端和后端的緩沖容器對配水器內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)未產(chǎn)生明顯影響。綜合分析認(rèn)為，當(dāng)注水流量大于300 m3/d時(shí)，由于無纜配水器流量測試通道的結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致測試部位的流動(dòng)形態(tài)紊亂，造成電磁流量測得的流量波動(dòng)較大、精度較低。

3 配水器流態(tài)仿真模擬

根據(jù)配水器結(jié)構(gòu)，利用仿真模擬軟件建立管道流動(dòng)三維模擬仿真模型，模型選取標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，并采用六面體網(wǎng)格劃分，考慮流體在邊界處的流動(dòng)狀態(tài)，在配水器內(nèi)壁面設(shè)置4層邊界層，提高模擬精度，加速收斂速度。根據(jù)模擬方案設(shè)置不同的入口流速，出口壓力設(shè)為大氣壓，采用SIMPLE算法，模擬4種實(shí)驗(yàn)方案中不同流量下的配水器內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)。選取流量為100 m3/d和400 m3/d的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真模型模擬結(jié)果

方案(1)和方案(2)仿真模型的結(jié)構(gòu)相近，且模擬結(jié)果相近，方案(3)和方案(4)仿真模型的結(jié)構(gòu)類似，模擬結(jié)果相近，故文中展示方案(1)和方案(4)的模擬結(jié)果。從圖3中可以看出，當(dāng)流量為100 m3/d時(shí)，配水器水嘴出口處流態(tài)較為平穩(wěn)；當(dāng)流量為400 m3/d時(shí)，配水器水嘴出口處流態(tài)較為紊亂，靠近水嘴中心位置流速最大，靠近水嘴邊緣處流速較小。

該智能配水器測試位置位于水嘴出口處，采用電磁流量測量方式，通過測量管內(nèi)流體電動(dòng)勢強(qiáng)度計(jì)算得到流量，電動(dòng)勢強(qiáng)度與垂直于磁感線方向的流體流速有直接關(guān)系；當(dāng)流量較大時(shí)，中心通道的流體先通過環(huán)形空間，然后經(jīng)過水嘴出口流出，流經(jīng)水嘴出口時(shí)，流動(dòng)方向發(fā)生急劇變化且流動(dòng)通道尺寸急劇縮小，所以水嘴出口處的磁場中流體流速分布不均勻，產(chǎn)生了測試流量數(shù)值劇烈波動(dòng)，因此出現(xiàn)測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。

4 配水器流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.1 流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

模擬結(jié)果表明，智能配水器在大流量測試時(shí)出現(xiàn)的波動(dòng)主要由配水器測試流道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，因此，提出優(yōu)化流量測試位置的改進(jìn)思路。考慮環(huán)形空間流動(dòng)段流態(tài)較為平穩(wěn)，將流量測試位置選取在環(huán)形空間，設(shè)計(jì)流量測試通道，并將電磁流量測試模塊的勵(lì)磁線圈放置于流量測試通道外壁。

4.2 流態(tài)仿真模擬

對改進(jìn)后的配水器建立三維模擬仿真模型，驗(yàn)證改進(jìn)后的配水器內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)。當(dāng)流量低于300 m3/d時(shí)，配水器內(nèi)部流態(tài)較為平穩(wěn)，測試數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確、平穩(wěn)，因此，主要考察大流量條件下的配水器內(nèi)部流態(tài)。流量為500 m3/d時(shí)配水器內(nèi)部流態(tài)模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的智能配水器流態(tài)模擬結(jié)果(流量為500 m3/d)

從圖4中可以看出，改進(jìn)后的配水器結(jié)構(gòu)在流量為500 m3/d時(shí)，環(huán)形空間流速仍分布較為均勻，因此，流量測試模塊設(shè)計(jì)在該位置處，具體測試結(jié)果進(jìn)一步通過地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3 流量測試實(shí)驗(yàn)

針對優(yōu)化改進(jìn)流量測試結(jié)構(gòu)的配水器加工制造了樣機(jī)，在原流量測試實(shí)驗(yàn)流程上進(jìn)行了地面實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，將不同排量下配水器測得的流量與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)流量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后配水器流量測試與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)數(shù)據(jù)對比

從圖5中可以看出，改進(jìn)后的智能配水器不僅在流量較小時(shí)測試數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性，在流量≥300 m3/d時(shí)，也具有較好的穩(wěn)定性，且流量測試精度高于95%，滿足工程精度要求，改進(jìn)后的無纜智能配水器在流量測試性能方面可以滿足使用要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了智能配水器流量測試實(shí)驗(yàn)流程，通過地面實(shí)驗(yàn)說明配水器流量測試模塊滿足小排量流量測試要求，但在大排量流量測試時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)大、測試精度低的問題。

(2)通過建立管道流動(dòng)仿真模型，模擬得到不同流量下配水器內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)，表明流量測試部分流速分布不均勻是測試精度低的根源。

(3)改進(jìn)后的智能配水器流量測試穩(wěn)定性好、精度高，改進(jìn)思路對配水器流量測試模塊設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。