存储式智能堵塞器设计研究

尤 波，于大孚，贾德利

（1.哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083）

1 引言

随着油田开发难度的不断增加，常规分层注水工艺已不能完全满足油田开发的需要。国外将智能堵塞器作为智能井技技术的一部分，在流量控制方面更倾向于电机控制，然而在空间机构受到限制的情况下，球阀等微执行器将起到作用，这一方面将是目前研究的热点。而钢丝投捞测调工艺是目前我国应用规模最广泛、最成熟、适应性较强的测调方式[1-2]。但是反复投捞测调工艺测调作业工作量仍然很大，投捞试凑调节水量精度也不是很高。钢丝投捞测调工艺测试过程采用存储式地面回放获得测试结果，井下仪器多次反复提出防喷管，不能做到实时监测调控，测调时需要测试车来配合，测试时工作量很大[3-4]。针对以上问题提出一种智能存储式堵塞器，具有定周期单片机唤醒后实时监测，根据压差与流量的关系进行调配，避免了测试时需要测试车的庞大工作量，同时加密了测调周期，保障了注水合格率。

2 系统功能与技术指标分析

2.1 系统功能结构

为了实现对水嘴开度大小的自动调配以及历史数据的实时监测的功能该堵塞器采用了以下部件，包括球阀，传感器，电机，电池，插接头，对接头，打捞头，壳体，凸轮，传动轴，单片机存储芯片等部件组成，如图1所示。球阀与阀芯采用活塞式结构设计，通过球阀上下做活塞运动改变与水面的压差来调节开口流通大小或关闭，从而达到调节水量的目的。前后两个压力传感器检测出井管与地面的压差，将两个不同的压差通过电路部分传输到单片机芯片当中，压力传感器所测量的数值通过单片机将信号传输传送到井上上位机，上位机通过数据处理后将适合该层段的注入压力与流量的相应数值传送回主控芯片，单片机发送终端控制命令来调节水嘴开度，通过控制水嘴开度的调节进而将流量进行控制，形成一套闭环的反馈系统，做到实时监测调控。

图1 存储式智能堵塞器结构Fig.1 Structure of Storage Type Intelligent Plugging Device

2.2 技术手段分析

利用两个压力传感器测出的井管和地层的压差，根据流量压差的关系公式换算出流量，由先检测出来的水嘴开度的大小，根据不同的开度和压差，利用数据辨识可标定出流量，在系统中建立数据库，实现压力监测和定周期自动调配，加密了调配周期，严格保障了注水合格率。在井上完成仪器的标定，通过投捞仪放置到配水器内，存储式智能堵塞器就可自己独立工作，根据设定的程序，定时开、关机，根据压差调整阀的开度，达到控制流量的目的[5-6]。从而在调配过程中脱离了测试车的绑定，大大减少了工作量。

2.3 系统技术指标

智能存储式堵塞器的各个部件的技术参数以及规格，如表1所示。

表1 堵塞器技术指标的参数Tab.1 Parameters ofthe TechnicalParameters ofthe Stopper

2.4 系统工作原理及组成

2.4.1 阀芯结构及工作原理

球阀结构示意由步进电机，减速机构，缓冲杆，球阀构成，如图2所示。当步进电机接收到流量变化信号时，步进电机驱动减速机构正反转，通过缓冲杆上下提拉球阀，增大或者减小球阀与安装在主体上的阀座之间的间隙。自动调节注水量，从而达到配注水量的精确完成[7-9]。

图2 阀芯结构Fig.2 Spool Structure

2.4.2 堵塞器核心部件的结构参数及计算

（1）结构设计。结构采用螺纹、密封圈连接。活塞杆密封采用车氏滑环密封，工作压力（0～70）Mpa、温度（-55～250）℃。轴最小直径6.0mm，传感器外壳直径12.6mm。（2）电机选用设计计算。螺纹直径为8mm，螺距1mm。当环境压力最大为P1=40Mpa时，阀芯调节杆直径 6mm，轴所受轴向 M=1/2×d2×F3×tanλ=0.5×6×1130.4×0.0629=0.213N.m（λ=3.6，tanλ=0.0629）F3=P1×S3=1130.4 故所以选取电机为12V，转矩2.5N.m，转速2r/min。（3）电池选用设计计算。活塞最大工作行程为15mm。电机每分钟转两圈，在井下一次最长工作时间预计10min。电池电压为14.4V，电容量为1.5Ah。工作时总电流约为500mA。作业一次需约83mAh电量，最多可使电机运转18次。去除电路、芯片、待机等消耗，电机可工作15次，按每10天调试一次，可工作150天（5个月）。

3 系统辨识

3.1 压差与流量的关系

管道是一个柱椎体，断面处A-A在该管道的中心线上，液体的流动速度是VA，液体的密度是ρA，D是管道直径，SA表示断面面积，液体在断面B-B处流体流速为VB，密度为ρB，该环形断面的面积为SB，其椎体直径d用来表示。根据伯努利定律，在一个密闭的空间内其流动的液体的总量始终保持一个定值[10]。伯努利方程为：

3.2 水嘴流量特性数值仿真

根据球阀内流体复杂的流动情况分析，实验的准确性和可行性难以得到保证，为此做如下假设：（1）球阀内流体假设密度为998kg/m3；的不可压缩牛顿液体；（2）流场内无流体的热传导现象发生；（3）流体在流场中只沿单方向流动。

关于流场的边界条件设定：（1）压力边界作为流场的入口条件；（2）流体与壁面接触边界假设静止，且壁面无滑移；（3）压力边界出口作为出口条件。不同开度的条件下球阀的截面形状会产生变化，因为球阀的过流面积宽泛，所以流量系数不是一个固定值，与开度有关。根据流体力学可知：

式中：Cd—流量系数；

Q—流量，L/s；

A（x）—阀口过流面积，mm2；

ρ—液流密度，kg/m3；

Δp—压力差，MPa。

通过给定流量来测入口和出口压力的方式进行的压力测量，如图3所示。通过对压力进行测量可以得出水嘴在不同开度下和不同的压差下的水嘴的流量。通过MTALAB系统仿真计算可以计算出在不同开度和不同压差下的流量Q，将其带入式（6）得到流量Q与球阀开度值x的相互关系，通过流量Q与球阀开度值x的相互关系计算出x与其相对应的关系，图3分别为25%、40%和60%时的流量系数曲线。流量系数曲线在水嘴开度25%到40%的时候是上移的，而流量系数曲线下移是在开度为60%以后随着球阀压差的增大逐渐趋于平缓，如图4所示。将水嘴不同开度的大小与水嘴液体流量之间的关系整合得到的数值分析曲线，如图5所示。根据图5可知，在水嘴开度为25%时，水嘴的流量是最大值。

图3 智能调配下恒流非等压状态实验Fig.3 The Intelligent Deployment Under Constant Current Non Isobaric State Experiment

图4 球阀仿真流量数据曲线Fig.4 Simulation Flow Data for Ball Valve

图5 水嘴开度与流量数据曲线Fig.5 The Nozzle Opening and Flow Curve Data

在室内进行试验数据仿真得出了水嘴开度在25%时的不同压差下的数据，如表2所示。水嘴流量先增大后减小的原因是根据公式（6）可知：水嘴的流量大小与水嘴两端前后的压差的大小是非线性变化的。球阀的流量特性在启闭阶段可以看作为直线，但在中间开度的时候转变为百分比特性。对于液体介质而言，在上游压力一定的情况下，阀门的流量是受到一个临界压差的限制，当阀门上下游的压差到达临界压差值的时候，液体介质会发生气蚀，产生大量的气泡，对阀门管道产生阻塞，从而限制阀门的流量。在水嘴开度的流量特性过程中达到临界压差之前是随着压力的增大而增大，达到临界点之后流量受限而逐渐减小。水嘴开度25%时的仿真曲线高于试验的曲线，如图6所示。在压差小的情况下误差比较大，产生误差的原因是由于将数控水嘴近似于薄壁小孔进行仿真而引起的误差。在增大水嘴的压差后，仿真的曲线与试验的曲线几乎吻合，误差低于5%。证明了仿真与试验的结果的一致性。并得出开度和与流量之间的系数关系，采用四次插值算法得出开度与流量的关系式，如式（7）所示。

表2 水嘴开度25%时的嘴损数据Tab.2 The Tap Open Pressure Data at 25%Degrees

图6 水嘴不同开度的嘴损曲线Fig.6 Shows the Different Degrees of Water Pressure Curve

已知注水量Q就可以通过公式得出水嘴压差：

4 结论

（1）球阀开度在45%时水嘴的流量最大，水嘴的流量与球阀开度的大小关系是非线性的。

（2）基于球阀在不同开度下的流量系数和内外压差，利用数据辨识可标定出流量，将数据存储到芯片中，实现压力和流量的历史数据监测。通过单片机定周期唤醒监测，定时开、关机，根据压差调整阀的开度，实现定周期实时调配。

（3）存储式智能堵塞器解决了分注井投捞测试复杂的难题，摆脱了测试时必须有测试车的束缚，减少了工作量。具有良好的测试精度和较高的工作效率的优势，能更好的适应油田分层注水高效测调技术的发展。

［1］郭书君，樊军，许德福．电控式配水器的动态特性研究［J］．机械设计与制造，2012（10）：240-241（Guo Shu-jun，Fan Jun，Xu De-fu.Electric control valve for water dynamiccharacteristics［J］.MechanicalDesignandManufacturing，2012（10）：240-241.）

［2］贾德利，赵常江，姚洪田．新型分层注水工艺高效测调技术的研究［J］．哈尔滨理工大学学报，2011.（8）：91-92．（Jia De-li，Zhao Chang-jiang，Yao Hong-tian.Study on model of layered water injection technology with high efficiency testing technology［J］.JournalofHarbinUniversityofScienceandTechnology，2011（8）：91-92.）

［3］赵登荣，李新华.井场设备采集信息远程传输系统研究与应用［J］.江汉石油学院学报，2010，32（5）：368-370.（Zhao Deng-rong，Li Xin-hua.Journal of well site equipment acquisition information remote transmission system research and application［J］.Jianghan Petroleum Institute，2010，32（5）：368-370.）

［4］张百双.注水井智能调配技术研究［D］.大庆：大庆石油学院，2010.（Zhang Bai-shuang.Wells on intelligent deployment technology［D］.Daqing：Daqing Petroleum Institute，2010（4）：25-30.）

［5］陈贵贤，李思琪，唐朝朝.影响注水井分层测调成功率原因分析及措施［J］.石化技术，2016（1）：191-192（Chen Gui-xian，Li Si-qi，Tang Zhao-zhao.Effect of injection well layered measuring transfer success rate of cause analysis and countermeasures［J］.Petrochemical technology，2016（1）：191-192.）

［6］徐国民，刘亚三，米忠庆.特高含水期精细分层注水需要解决的问题［J］.石油科技论坛，2010（4）：19-24（Xu Guo-min，Liu Ya-san，Mi Zhong-qing.Fine layered water injection in ultra high water cut stage needs to solve the problem of［J］.Petroleum Science and Technology Forum，2010（4）：19-24.）

［7］李兆亮.注水井投捞工艺技术研究［J］.中国石油和化工标准与质量.2014（2）：57-58.（Li Zhao-liang.Research on the technology of water injection well for the［J］.China Petroleum and Chemical Industry Standard and Quality，2014（2）：57-58.）

［8］邓力澜.注水井吸水下降原因分析及解决对策［J］.中国石油和化工标准与质量，2014（6）：107-108.（Deng Li-lan.Analysis of the causes of water absorption in water injection wells and countermeasures［J］.China Petroleum and Chemical Industry Standards and Quality，2014（6）：107-108.）

［9］MIKE Robinson.Intelligent well completions［J］.Journal of Petroleum Technology，2003（55）：5-79.

［10］LUYX，Wang Qing，Li Wei.Proceedings of the sixth international vonference on fluid power transmission and control［C］.HongKong：International Academic Publishers Ltd，2005：435-438..