，，，，， ，

(1.華北油田公司工程技術(shù)研究院 河北 任丘 062552；2.華北油田公司勘探開發(fā)研究院 河北 任丘 062552；3.華北油田公司第一采油廠 河北 任丘 062552)

0 引 言

在油田開發(fā)工作中，注水是補(bǔ)充地層能量，改善開發(fā)效果的重要措施。由于我國多數(shù)是陸相儲層，非均質(zhì)性強(qiáng)，籠統(tǒng)注水的效果較差，所以分層注水是實(shí)現(xiàn)油田開發(fā)長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)手段[1]。以前油田注水普遍采用的工藝是封隔器驗(yàn)封和水量調(diào)配分開進(jìn)行，分次下井實(shí)施，注水量的調(diào)配需要多次起下配水工具，不但工藝繁瑣、效率低、工作量大，而且調(diào)配成功率低、誤差大、調(diào)配成本大，影響了注水對油田開發(fā)作用的發(fā)揮。為更好地改善分層注水效果，研究成功了分層注水測調(diào)一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測調(diào)儀一次下井即可完成驗(yàn)封、測調(diào)兩種功能。分層注水測調(diào)一體化系統(tǒng)集成了原同心測調(diào)儀、同心電動驗(yàn)封儀、橋式同心可調(diào)配水器的優(yōu)點(diǎn)，簡化了施工工藝，降低了調(diào)配成本，應(yīng)用效果良好。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

分層注水測調(diào)一體化系統(tǒng)主要由地面控制器、地面微機(jī)、一體化測調(diào)儀、橋式同心可調(diào)配水器等組成。

1.2 工作原理

分層注水測調(diào)一體化系統(tǒng)利用機(jī)電一體化原理，采用邊測試邊調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)對注水井分層注水的測試與調(diào)配。測調(diào)儀通過單芯電纜給地面控制系統(tǒng)發(fā)送測量數(shù)據(jù)，同時地面控制器通過發(fā)送不同的控制命令來控制測調(diào)儀，測調(diào)儀通過其下端的調(diào)節(jié)頭帶動同心配水器的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)配水器的開度大小，進(jìn)而對不同層位的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到配注要求。測調(diào)儀測得的信號通過測試電纜傳輸?shù)降孛?，通過控制柜信號轉(zhuǎn)換，在地面上可以實(shí)時直觀觀察到井底流量、壓力和溫度的變化情況。圖1是分層注水測調(diào)一體化系統(tǒng)的示意圖。

圖1 測調(diào)一體化系統(tǒng)示意圖

2 技術(shù)特點(diǎn)

1)新型橋式空心可調(diào)配水器的尺寸短小，不足0.8 m，這樣使得分層配水的卡距較小時也可實(shí)現(xiàn)；

2)配水器出水口為細(xì)長型，配合大扭矩低轉(zhuǎn)速進(jìn)口電機(jī)減速機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度注水調(diào)節(jié)，尤其對低注入量的水井調(diào)配優(yōu)點(diǎn)更大。根據(jù)注入水量大小，可以配不同規(guī)格的陶瓷芯體；

3)支撐臂可以電動收回，做到對任何一個配水器進(jìn)行調(diào)配；

4)測調(diào)動作切換全程有傳感器監(jiān)測，工作可靠。

3 同心可調(diào)配水器

3.1 工作原理

同心配水器由上下接頭、外筒、本體、活動水嘴和固定水嘴組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作筒主體結(jié)構(gòu)分布有多個橋式通道，使在本層段進(jìn)行流量壓力測試時，其它層段依然可以通過橋式通道正常注水，不改變其它層段的工作狀態(tài)，最大限度地減小各層之間的層間干擾，能有效提高分層流量調(diào)配效率及分層測壓效率。

圖2 同心可調(diào)配水器結(jié)構(gòu)圖

同心配水工作筒通過改變出水孔的開度，實(shí)現(xiàn)對注水量的調(diào)節(jié)[2]。由于采用了特殊的陶瓷材料，可調(diào)水嘴具有耐磨性高、耐蝕性強(qiáng)和流通截面積穩(wěn)定性好、可防砂卡等特性。

測調(diào)儀器在井下與其他井下工具的對接采用不旋轉(zhuǎn)、不導(dǎo)向的傻瓜方式，這樣能保證在斜度比較大的井中或因各種原因?qū)е碌木疀r不好的情況下，對接成功率仍然很高。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

最大外徑：Φ114 mm;

內(nèi)孔最小通徑：Φ46 mm;

工作溫度范圍：-30 ℃～+150 ℃;

工作壓力：≤60 MPa;

流量范圍：5～200 m3/d;

30～500 m3/d;

50～1000 m3/d;

調(diào)節(jié)行程：40 mm;

4 井下測調(diào)儀

井下測調(diào)儀的作用是測試實(shí)際注入的水量。地面控制系統(tǒng)將實(shí)際注入量與設(shè)定值比較，調(diào)整配水器的開度。采用超聲波井下測調(diào)儀的優(yōu)點(diǎn)是無可動部件，儀器系數(shù)穩(wěn)定，水中的雜質(zhì)對測量的影響較小。

4.1 工作原理

超聲波流量計(jì)的原理是：利用超聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比[3]得到被測流體的流速，進(jìn)而換算成流量。流體流速變化引起的超聲波速度變化非常微小，極不容易檢測出來。為此，解決的辦法有兩個，一是采用兩個換能器雙向發(fā)射，逆流和順流時間差可以使變化量增加一倍；二是采用頻率差法，累計(jì)多次的逆流和順流傳播時間差。經(jīng)推導(dǎo)可以得到公式(1)，利用標(biāo)定的方法可以把流體流速v換算成流量。

(1)

式(1)中，v為流體流速；L為兩個換能器之間的距離；t2為順流時超聲波傳播時間；t1為逆流時超聲波傳播時間；f2為順流時超聲波發(fā)射頻率；f1為逆流時超聲波發(fā)射頻率。

圖3 是超聲波井下測調(diào)儀工作原理框圖

4.2 電路可靠性設(shè)計(jì)

1)提高元器件的可靠性

超聲波流量測調(diào)儀使用的元器件比較多，包括分立元件和集成塊。分立元件包括電阻、電容、電感等，電阻選用高精度、低溫漂的金屬膜電阻，電容選用精度較高的校正電容，先經(jīng)過常溫篩選，選出時漂較小的電容，然后再進(jìn)行高溫測試，選出溫漂較小的電容。所有器件都要經(jīng)過老化篩選，經(jīng)高、低溫測試合格后再使用。線路板上除CPU、存儲器等芯片考慮到更換的需要外，其余元件均直接焊接，以減少由于接觸不良造成的不可靠現(xiàn)象。采用各種可編程邏輯器件，盡量減少元器件的數(shù)量，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

2)優(yōu)化印刷電路板的設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波流量計(jì)測量原理，因?yàn)榱髁孔兓鸬穆曀僮兓亢苄?，這就對測量電路提出了很高的要求。超聲波流量測調(diào)儀的工作頻率較高，電路設(shè)計(jì)不僅原理要合理，印刷電路板也必須設(shè)計(jì)得當(dāng)，否則會對流量測試結(jié)果造成很大影響。采用數(shù)?；旌想娐分谐Ｓ玫目垢蓴_措施[4,5]，采用正確的布線策略，盡量采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，電路印刷板的正面橫向布線，背面縱向布線，盡量避免平行走線，地線盡量短而粗，這些做法都有利于抑制高頻干擾。

4.3 標(biāo)定試驗(yàn)

超聲波測調(diào)儀在華北油田計(jì)量中心站的油氣水三相流模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行了精度測試和標(biāo)定校檢研究。因注水井注入介質(zhì)可視為單相流，故標(biāo)定介質(zhì)采用自來水，標(biāo)定環(huán)境為常溫、常壓，改變模擬試驗(yàn)裝置(標(biāo)準(zhǔn)表)的流量，記錄不同流量下的儀器響應(yīng)值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，儀器的標(biāo)定曲線如圖4所示。

表1 1#儀器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 1#儀器流量標(biāo)定曲線

對1#儀器標(biāo)定的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到以下關(guān)系式：

Q=0.046 1×f+2.774 6

(2)

式(2)中，Q為流量(m3/d)；f為頻差(0.001 Hz)。

根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

(3)

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，得標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=2.237 92。

根據(jù)公式(4)計(jì)算精度

(4)

式(4)中，δ為精度；t為分布系數(shù)；Q為實(shí)測流量最大值。

顯著度取0.01，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)n為10時，分布系數(shù)t取3.17，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得精度δ=3.54%，達(dá)到流量測量4%的精度要求。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

5.1 操作流程

1)預(yù)調(diào)水嘴開度

根據(jù)每口注水井不同的注水量，用程序計(jì)算出水嘴的大致開度，這樣做的好處是可以減少測調(diào)時間。

2)投放可調(diào)水嘴，可調(diào)水嘴的對接

只有在測調(diào)儀和可調(diào)水嘴可靠對接后，流量計(jì)的測量才是準(zhǔn)確的，才能進(jìn)行水嘴的調(diào)整操作。

3)第一層的測調(diào)

第一層是指最底下一層，在軟件的主界面下，增大或減小可調(diào)水嘴開度，使實(shí)際注水量和預(yù)期值一致。

4)第二層的測調(diào)

上提測調(diào)儀至第二層上方，增大或減小可調(diào)水嘴開度，此時流量計(jì)顯示值為第一、二層流量的總和，總流量減去第一層的注水量就是第二層的注水量。

5)更多層的測調(diào)

重復(fù)第4)步，分別測調(diào)各層的注水量值，注意流量計(jì)顯示值是下面各層流量的總和。

5.2 技術(shù)優(yōu)勢

分注井同心測調(diào)一體化井的現(xiàn)場試驗(yàn)充分說明了一體化測調(diào)技術(shù)的優(yōu)勢。

1)提高了測調(diào)效率：一是由井下存儲發(fā)展到地面直讀；二是由地面回放發(fā)展到邊測邊調(diào)；三是由多次投撈發(fā)展到一次下井完成多層測調(diào)，大大提高了測調(diào)效率。

2)提高了調(diào)配準(zhǔn)確性：將原來的分級水嘴改變?yōu)闊o級連續(xù)可調(diào)水嘴，使單層合格配水量誤差由20%降低到10%以內(nèi)。

3)測試過程可視化：可直觀判斷井下儀器的工作狀態(tài)，避免無效測試?？芍庇^觀察調(diào)配過程中水量變化趨勢，對調(diào)配過程起到指導(dǎo)作用，有效地提高了調(diào)配成功率。

4)提高了測調(diào)適應(yīng)性：一是測試過程可直接讀取數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照配注量進(jìn)行單層調(diào)配，對于新井初次測調(diào)成功率較高；二是采用的超聲波流量計(jì)精度較高，適用于單層低配注量井的測試；三是一次下井可實(shí)現(xiàn)多層重復(fù)性調(diào)節(jié)，對于層間矛盾較大的井，可最大程度減緩層間干擾。

6 結(jié) 論

分層注水測調(diào)一體化系統(tǒng)經(jīng)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)該系統(tǒng)能可靠實(shí)現(xiàn)一次下井完成多層注水量調(diào)配，簡化了調(diào)配工藝，提高了工作效率，降低了作業(yè)成本。

2)該系統(tǒng)采用超聲波一體化測調(diào)儀，解決了渦輪流量計(jì)因水中雜質(zhì)造成調(diào)配失敗或誤差較大的問題，提高了調(diào)配成功率和調(diào)配精度。

3)該系統(tǒng)已在現(xiàn)場推廣應(yīng)用600余井次，施工成功率達(dá)到98%，應(yīng)用效果良好。