注水井智能分注工具新型流量测量技术研究

宋兴良, 王 敏, 周宇鹏, 王 超, 佟 音, 张伟超

(1.大庆油田有限责任公司 采油工程研究院, 黑龙江 大庆 163453; 2.黑龙江省油气藏增产增注重点试验室, 黑龙江 大庆 163453)

大庆油田进入特高含水后期,驱替流场参数变化频繁,导致分层注水效果没有达到预期目标,故需长期监测注入流量、地层压力等,并调整注水井分注方案[1-4]。此外,随着注水井数量逐年增加、单井层段越来越精细、密井网测试周期不断缩短,水井分层测试工作量逐年加大,现有的测试队伍、设备无法满足控制含水、减缓产油量递减等生产要求。鉴于此,大庆油田积极发展智能分注技术。智能分注技术是利用机电一体化技术,将流量监测、通信及自动控制系统置于井下智能配水器中,可对层段注入流量、累积注入液量实时监控,实现井下各层的流量实时测试和自动调配。智能分注技术使得分层注水工艺的测调效率大幅度提高,极大地缓解工作量和测试能力之间的矛盾。由于智能分注工具涉及参数采集系统、电源管理系统、通讯系统及自动控制系统等多系统组合和多学科应用,且完井作业涉及电缆连接及保护等,平均单层工艺成本约为￥4.5万元,不具备工业化推广应用条件。本文在不改变智能配水器功能的前提下,进行降成本工艺研究。

1 智能配水器

智能配水器由机械结构、电磁流量计、压力传感器、流量控制阀、上电缆接头、下电缆接头等组成,如图1所示。智能配水器由地面控制箱供电,经电缆传输,到达智能配水器内部各用电单元。同时,接收来自地面的操作指令,根据测控指令进行测量和控制,实现注水井分层流量手动或自动调配[5-8]。

1-上电缆接头;2-电磁流量计;3-流量控制阀;4-压力测量电路密封舱;5-下电缆接头。

其中,电磁流量计在智能配水器成本中的占比为38%,如能实现流量测量的无流量计化,将极大降低智能配水器的成本。因此,利用无量纲分析方法,构建智能配水器水嘴前后压差与流量和水嘴开度的经验计算准测方程,通过室内试验获取方程经验参数。利用智能配水器现有的压力传感器测量水嘴的前后压差,并计算流经水嘴的水流量,取消流量计,不增加其他附件,实现注水井分层流量测量的目的。

2 无流量计流量测量理论分析

2.1 量纲分析

量纲分析理论对于科学研究和工程问题分析均具有极其重要的作用。特别是对于流体力学的非线性问题,很难从理论出发给出解析解。通过量纲分析,可以正确分析各变量之间的关系。一个完整正确的物理方程式,应是用无量纲项组成的方程式。能够很大程度上简化问题,建立科学准确的相似模型。

物理量的量纲可分为基本量纲(长度L、质量M、时间T)和导出量纲。基本量纲具有独立性,如果某物理量的量纲可简化为零,即

[x]=[L0T0M0]

(1)

称x为无量纲量,它具有数值的特性,不受运动规模影响,可进行超越函数运算的特点[10]。

2.2 经验计算准则方程

无流量计智能配水器结构如图2所示。环形密封舱中有嘴前压力传感器、嘴后压力传感器。一是可以对油管和地层压力变化进行验封测调。二是为控制系统提供嘴前、嘴后压差值,根据目标测调流量,控制系统自动计算并调节流量控制阀的开度,调节注水量。

图2 无流量计智能配水器结构

影响无流量计智能配水器水嘴前后液体流动的因素有:水的密度ρ、智能配水器注入的平均速度v、水嘴开度α(为水嘴打开体积与设计最大体积之比)、水嘴前注入流道直径D、水的动力黏度μ。

影响无流量计智能配水器水嘴前后流动压降Δp的物理参量可由下列5个独立量组成,可写成:

f1(v,ρ,D,α,Δp,μ)=0

(2)

在上述6个物理量中选取3个基本物理量D、v、ρ,这涉及[M,L,T]3个基本量纲。经计算验证,这3个基本物理量的量纲是独立的,它们不能组成无量纲量。根据π定理可以写出3个无量纲π项。则可得到其准则方程:

f(π1,π2,π4)=0

(3)

其中,

π1=αρa1Da2va3

(4)

π2=Δpρb1Db2vb3

(5)

π3=μρc1Dc2vc3

(6)

根据量纲和谐原理求得

(7)

式中,μ/(ρvD)是雷诺数Re的倒数,故可以得到

(8)

由于

ρ=γ/g

(9)

hf=Δp/γ

(10)

式中:γ为水的重度;g重力加速度;hf沿程水头损失。

(11)

式(11)可简化为

(12)

其中,无量纲量λ=2f2(α,Re),即摩阻系数,可由试验数据回归分析得到,再代入式(8)中,进一步转化为流经水嘴前后流量和压差及水嘴开度的关系式。

3 室内试验

3.1 室内检验标定系统

室内检验标定系统流程如图3所示。由注入系统、试验自动控制、数据采集处理系统、油水自动计量系统、回压系统、配套辅助系统等组成。

图3 智能分注工具的室内检验标定系统流程

该系统能够模拟现场实际工况,并对井下生产数据进行实时监测,可以直观评价智能分注工具在井下的工作性能。将无流量计智能配水器安装到试验系统中,获取不同水嘴开度下,水流经水嘴前后的压差与流量的试验数据,回归计算摩阻系数。

3.2 试验数据

利用室内检验标定系统进行无流量计智能配水器试验,获得了智能配水器在35%～100%中所选10个水嘴开度下水流经水嘴前后压差与流量的试验数据。利用软件对处理后的数据进行回归分析,计算不同开度下摩阻系数,得到的流量和压差及水嘴开度关系的基本表达式为Q=kΔpd/αf。式中系数k、d、f为摩阻系数的回归系数,可由式(8)计算得出。部分回归计算数据如表1所示。

表1 部分试验数据

为了提高井下水嘴的防砂堵性能,智能配水器水嘴出口设计为细长矩形连接大矩形的结构,如图4所示。水嘴前部的细长矩形出口的通流量基本涵盖了注水井分层注水的常用流量。水嘴后部的大矩形出口打开时,水嘴的通流量会突然增加,利用水量突增的冲击力清除水嘴砂堵。水嘴大矩形出口开始通流时水嘴开度约为80%,故把试验数据按照水嘴开度分为35%～70%和80%～100% 2个部分进行回归分析处理。

图4 水嘴出口形状示意图

3.3 试验数据分析

按照流体理论分析可得,流经水嘴的流体流量和水嘴前后压差开方成线性关系,按此规律进行数据分析。图5为无流量计智能配水器水嘴开度35%～70%的试验结果。图6为水嘴开度80%～100%的试验结果。图5～6中,点数据代表室内检验标定系统中流量计测量的流经水嘴的标准水流量,数据线代表根据经验计算准则方程回归计算的流经水嘴的计算水流量。从图5中可以看出,水嘴开度35%～70%时,水嘴前后压差开方与水流量成很好的线性关系,计算流量和标定流量重合度较好。图7为所有开度下计算流量和标定流量的相对误差汇总图。从图7中可以看出,相对误差12%以内的占比为92.52%,其中5%以内的低相对误差占比为64.49%。经比较发现,相对误差大于12%的试验数据基本是在水嘴开度80%～100%工作状况下测取的。35%～70%水嘴开度的注水流量基本覆盖了分层注水实际测调时常用的注入流量,说明经验计算准则方程可用于无流量计智能配水器的分层流量计算。从图6可得,计算流量和标定流量的偏差度很大,且相对误差大于12%,主要原因是水嘴开度80%以上时水嘴开度突增,降低了水嘴通流量的线性度,如需要应用此范围的流量,需优化设计水嘴出口形状。

图5 水嘴开度35%～70%试验结果

图6 水嘴开度80%～100%试验结果

图7 相对误差值所占百分比

4 结论

1) 构建了智能配水器水嘴前后压差与流量和水嘴开度经验计算准测方程。通过室内试验获取方程的经验参数。利用智能配水器现有的压力传感器测量水嘴前后压差值,并利用经验计算准测方程计算流经水嘴的水流量。试验结果表明,该流量测量技术可以实现智能配水器在无流量计的情况下进行注水井分层流量测量。

2) 采用无流量计流量测量技术,可大幅度降低智能分注工艺的成本,实现精细分层智能注水的低成本、多层段、连续实时监测,为智能分注技术规模化应用提供技术支持。

3) 依据室内检验标定系统的试验数据获取的摩阻系数与注水井中的实际参数存在差异,会影响回归经验参数值,不会影响基本表达式的形式。在后续工作中会根据实际井况对回归经验参数进行实时修正,提高流量测量的准确性。