勝利油田針對分層注水井測調工藝繁瑣、工作量大[1]、不能實時監測分層注水量并根據總注水量的變化對井下分層水嘴進行實時調節等問題, 開展了免投撈實時測控注水技術研究。井下分層注水量的自動監測, 通過將流量計安裝在配注裝置內實現, 流量計有小型化、結構簡單、無運動部件、穩定可靠等基本要求。目前用來在地面上實現流量測量的流量計有幾十種之多, 但大多不適合在井下長期使用, 一方面由于地面和井下的環境差異 (溫度、壓力) , 另一方面是目前的流量計的體積、安裝方式無法直接用于配注裝置上, 因此需要根據現有流量測量原理, 設計適合于井下流量測量的小型流量計。

對井下分層注水量自動監測使用的流量計有以下要求:

(1) 長期使用的可靠性。目前井下常用流量計的使用僅限于測試, 測試后即可進行維護、標定。文中所述的流量計, 在井下長時間連續使用, 其可靠性要求遠大于目前使用的流量計。

(2) 結構緊湊。文中所述的流量計安裝于配注裝置的環空內, 空間位置有限, 流量計的直徑受到限制, 其直徑小于30 mm。

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

結合上述需求進行流量測量方式的選取。電磁流量計和超聲波流量計結構較復雜[2-3], 小型化則結構設計困難;渦街流量計怕震動[4], 不利于井下長期使用;靶式流量計對流體的要求較高[5], 不適用于低雷諾數測量, 且流體必須充滿流量計的測量管;標準孔板流量計采用圓形薄壁孔板, 性能穩定可靠, 使用壽命長[6], 常用來做污水計量, 此外孔板流量計結構簡單, 易于實現小型化設計, 因此流量測量方式選用孔板式。

按照配注裝置整體結構排布 (截面如圖1所示) , 流量計測量通道的***大外徑為26 mm。由于配注裝置結構緊湊, 按照標準孔板流量計法蘭夾持孔板的結構形式無法實現, 因此在小型化的設計上, 取消了法蘭連接, 大大縮小了外徑尺寸, 如圖2所示。

孔板流量計的設計首先應保證流道內的流體處于紊流狀態, 避免流態變化引起流量測量誤差。由于結構約束關系, 孔板流量計的流道直徑設計為14~22mm, 單層注水量取Q=2~20 m3/d。計算孔板流量計的雷諾數與流道直徑和單層注水量之間的關系, 結果見圖3。

流道直徑減小, 有利于提高測量精度, 但流道過小會增大沿程阻力。流道直徑為14~22 mm, 單層注水量取Q=5~50 m3/d, 按照達西-韋斯巴赫公式 (1) 與布拉修斯公式 (2) [7]計算流量計流道內的壓力損失。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, 流道直徑應盡量大。

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

綜合考慮流態、結構尺寸約束和壓力損失等因素, 小型流量計流道直徑取值范圍為14~22 mm。標準孔板流量計的直徑比一般在0.2~0.75之間[8]。根據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, 流量計靈敏度會越高, 有利于傳感器檢測, 但也會引起壓力損失的增加, 如果孔板直徑過小, 也存在孔板被堵塞的危險。綜合考慮各因素, 流量計孔板直徑取值范圍為5~16 mm。

運用FLUENT軟件與標準孔板流量計流量-壓差計算公式 (3) , 對量程為3~30 m3/d的流量計對應的流道結構進行數值模擬, 繪制的流量與壓差關系曲線如圖5—6所示。孔板兩端***高壓差為0.2 MPa時, 對應流量計的流道尺寸為: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;β為流量計的直徑比;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流量計設計成功的基礎上, 利用FLUENT軟件對量程分別為15~150 m3/d、30~400m3/d的流量計對應流道進行了模擬, 繪制流量與壓差關系曲線如圖7—8所示。

可以看出:孔板兩端***高壓差為0.2 MPa時, 量程15~150 m3/d對應流量計的流道尺寸為:流道直徑18 mm, 孔板直徑10.3 mm;量程30~400 m3/d對應流量計的流道尺寸為:流道直徑20 mm, 孔板直徑15 mm。

差壓傳感器的選型原則:流量測量通道壓差損失小, 滿足配注器的結構尺寸要求, 測量精度高以及耐高溫高壓。選擇的差壓傳感器性能參數如下: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計要求, 傳感器綜合精度為0.1%, 流量分辨率較高、可區分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工作壓差的3倍, 為防止高壓差或尖峰壓力脈沖對傳感器的損壞, 設計了單向閥和波紋管保護組件, 與流量計共同夠成流量計短節, 如圖9所示。其中單向閥保護組件主要是用來防止長時間的高壓差對傳感器造成損害;波紋管保護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傳感器不被損壞。

在室溫25℃, 流量0~300 m3/d對流量計進行標定, 標準流量計的量程范圍1.5~450 m3/d, 精度0.1%。在圖10所示的流量計標定實驗平臺上, 分別進行正行程和反行程流量測試, 流量標定數據見表1。

試驗結論:試驗流量***小為2.6 m3/d, ***大為286.1 m3/d, 流量標定***大誤差正行程為3.9%, 反行程為3.7%, 流量與壓力計數呈拋物線關系。將正行程和反行程的測量數據進行擬合, 擬合結果如圖11所示, 曲線基本重合, 誤差很小, 說明流量計重復性高。

在室內試驗成功的基礎上, 在GD2-22-24井上進行了首次現場試驗。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測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。為驗證分層流量調配結果是否準確進行了超聲波流量計測試驗證, 分層水量調配結果、超聲波流量計測試驗證結果與地面水表計量結果3個參數吻合度達到95%以上。

該井現場試驗9個月以來, 不斷跟蹤現場實時測試情況, 超聲波流量計分層測試驗證結果顯示:井下小型孔板流量計測量值在多功能配注裝置上顯示的測試誤差仍小于3%。目前已開展現場試驗6口井, 測試誤差均小于5%, 現場試驗效果良好。

(1) 小型孔板流量計結構簡單、無運動部件, 安裝于配注裝置內, 與配注裝置在井下長期使用, 進行井下分層注水量的自動監測。

(2) 試驗結果顯示, 小型孔板流量計測量值較為準確, 計量誤差小于5%。

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