劉璐

大慶油田設(shè)計院有限公司

油田進入特高含水開發(fā)期，油藏關(guān)系復(fù)雜，層間矛盾加劇。以智能分層注水技術(shù)為代表的第四代注水技術(shù)，實現(xiàn)了井下參數(shù)連續(xù)監(jiān)測和自動測調(diào)，測調(diào)效率比上一代技術(shù)大幅度提高，測調(diào)1 口五層分注井可在1 h 內(nèi)完成，并實現(xiàn)了遠程無線控制，測試工人在辦公室里就可實現(xiàn)對井下參數(shù)的監(jiān)測和調(diào)整。同時，智能分層注水技術(shù)為油藏動態(tài)描述提供了足量、實時的數(shù)據(jù)，可為油田開發(fā)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。隨著油田開發(fā)向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，智能分層注水技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用是必然的趨勢[1-5]。智能配水器是該技術(shù)的核心工具，對智能配水器性能指標(biāo)的準(zhǔn)確檢定，可提高智能分層注水工藝技術(shù)的可靠性及穩(wěn)定性，延長井下工具使用壽命。因此，研制一套智能配水器檢驗裝置和控制系統(tǒng)很有必要。

智能配水器的參數(shù)檢定主要是檢測流經(jīng)智能配水器內(nèi)部流量控制閥水嘴的流量以及水嘴前后的壓力。為模擬智能配水器在井下的工作環(huán)境，設(shè)計一套試驗井筒模擬井下套管。檢定時，將智能配水器安裝到模擬試驗井筒中，設(shè)計管線流程將柱塞泵輸出的帶有壓力的水流導(dǎo)入到被檢測工具內(nèi)。試驗系統(tǒng)可以改變柱塞泵輸出的流量值和壓力值，并可以對流量參數(shù)和壓力參數(shù)實時監(jiān)控。通過電腦操作軟件可以對智能配水器內(nèi)部流量控制閥進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)過流面積的大小變化。試驗系統(tǒng)管線中按需要設(shè)置流量傳感器和壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集通過智能配水器內(nèi)部流量控制閥的流量及水嘴前、后壓力值并傳輸?shù)接嬎銠C，進一步繪制成流量數(shù)據(jù)曲線圖和壓力數(shù)據(jù)曲線圖。檢定時，對智能配水器自身測量的流量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)與試驗系統(tǒng)測量得到的流量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)進行比較、分析。當(dāng)智能配水器測量的數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為智能配水器合格；否則，認(rèn)為智能配水器存在缺陷，需要檢修。

1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)智能配水器的檢定要求，試驗系統(tǒng)應(yīng)達到以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）注入系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：為了滿足智能配水器檢定的要求，最大限度模擬智能配水器在井下工作環(huán)境，注入系統(tǒng)需提供0～25 MPa 范圍的輸出壓力和0～300 m3/d 范圍的輸出流量。

（2）管線流程技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)管線流程應(yīng)具備大于等于300 m3/d 的水流通過能力和大于等于25 MPa 的耐壓能力。管線流程中各控制閥門能夠遠程調(diào)節(jié)控制。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)中流量檢測范圍為0～300 m3/d，流量測量不確定度為0.5%；壓力檢測范圍為0～25 MPa，壓力測量不確定度為0.1%。

（4）自動控制及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：系統(tǒng)具備壓力、流量等相關(guān)參數(shù)采集的功能，采集到的數(shù)據(jù)能夠在線顯示、處理與存儲等。

2 系統(tǒng)基本組成

智能配水器檢驗系統(tǒng)基本構(gòu)成包括：高低壓并聯(lián)注入系統(tǒng)、流量檢測控制管線流程、模擬試驗井筒裝置、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等各子系統(tǒng)，組成框圖如圖1 所示。

圖1 智能配水器檢測試驗系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.1 Composition frame of intelligent water distributor detection and test system

2.1 注入系統(tǒng)

注入系統(tǒng)為智能配水器檢驗裝置及控制系統(tǒng)提供水壓動力，是控制試驗套管內(nèi)壓力和流量的動力來源，工作介質(zhì)為清水。為了滿足智能配注工具的調(diào)試試驗和井下模擬試驗需求，水壓動力系統(tǒng)提供的壓力范圍為0～25 MPa，流量范圍為0～324 m3/d。其流量范圍和壓力范圍大，如果同時滿足壓力和流量范圍，則對泵要求苛刻。設(shè)計系統(tǒng)由兩個流量和壓力都不同的獨立柱塞泵組成，其中高壓小流量泵要求最大流量100 m3/d、工作壓力25 MPa；低壓大流量泵要求最大流量200 m3/d、工作壓力10 MPa，高壓泵和低壓泵可以實現(xiàn)獨立工作或并聯(lián)同時工作的要求。經(jīng)計算，高壓小流量泵電機功率為38.59 kW，低壓大流量泵電機功率為30.79 kW。試壓泵功率系列為22 kW、30 kW、55 kW、75 kW 和90 kW 等，考慮到設(shè)備使用安全性和可靠性，高壓泵和低壓泵功率均選用55 kW。

設(shè)計采用改變泵工作頻率的方式來控制2 臺柱塞泵輸出的流量和壓力，因此選用變頻器數(shù)字遠程控制的方式作為注水泵的控制方式。為防止高壓水回流，在低壓泵泵前設(shè)置高壓止回閥，同時對2 臺柱塞泵均設(shè)置超壓急停連鎖功能和超壓卸荷功能，防止安全事故的發(fā)生。

2.2 管線流程

管線流程是智能配水器檢驗裝置及控制系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)要求和達到技術(shù)指標(biāo)的核心單元。管線流程包含了承壓25 MPa 的高壓管線、電控液驅(qū)高壓控制閥、流量和壓力檢測儀表等，管線全部為無縫不銹鋼管，管線通過流量在300 m3/d 以上，正常工作壓力范圍為0～25 MPa，管線全程有防震功能。管線具有雙向壓力、流量切換流程，管線具有旁通流程，防止憋泵事故發(fā)生。背壓流程有壓力表和電控閥控制回壓[6]。管線流程如圖2 所示。

圖2 管線流程Fig.2 Pipeline process

由于試驗系統(tǒng)管線流程內(nèi)流量范圍大，精確測量困難，所以設(shè)計采用雙支路為系統(tǒng)供水：大流量支路和小流量支路分段注水和測量。設(shè)計了旁通回液管線，提高對管線內(nèi)流量調(diào)節(jié)控制的精度。同時根據(jù)測量與控制的需要，在管線各重要節(jié)點設(shè)置壓力傳感器和電磁流量計。通過控制液驅(qū)開關(guān)閥，實現(xiàn)管線流程的改變，為智能配水器調(diào)試試驗、模擬井筒正向注水和反向注水提供控制手段。背壓閥安裝在管線的回液管線上，實現(xiàn)背壓大小的調(diào)節(jié)，以模擬智能配水器在井下工作時地層壓力變化的實驗環(huán)境。管線中的流量范圍達到0～300 m3/d，為達到測量不確定度的要求，設(shè)計分段測量管線中的流量。小流量支路的流量在滿足測量不確定度的情況下的測量范圍為1.92～48 m3/d，大流量支路的流量在滿足測量不確定度的情況下的測量范圍為38.4～480 m3/d。檢定過程中，技術(shù)人員根據(jù)智能配水器的流量檢測范圍來切換流量支路。

2.3 模擬試驗井筒裝置

模擬試驗井筒裝置結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。對模擬井筒進行有限元分析，在井筒內(nèi)部加載25 MPa的均勻載荷，通過云圖分析得出，模擬試驗井筒材料采用屈服強度255 MPa 的45 號鋼，井筒壁厚7.72 mm，內(nèi)通徑124.3 mm，井筒整體承壓可以達到50 MPa 以上。模擬試驗井筒端部結(jié)構(gòu)設(shè)計成半環(huán)臺肩轉(zhuǎn)動式密封套和密封頭配合的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝和拆卸，井口的連接快速方便[7]。模擬試驗井筒上端和下端分別設(shè)置電控液驅(qū)高壓開關(guān)閥，上端與進液流量測試流程連接，下端與回液背壓流程連接。通過控制調(diào)節(jié)上端進液閥可以實現(xiàn)中心管進水，通過控制調(diào)節(jié)下端出液閥可以實現(xiàn)下端出口回液。進液口和出液口分別安裝流量計和壓力計，用于采集智能配水器檢驗過程中井筒中的流量和壓力值。

圖3 模擬試驗井筒裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of simulated test wellbore device

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的功能是按照控制指令，提供液壓動力源，通過電控液壓閥的操作控制，實現(xiàn)流程的改變。液壓系統(tǒng)主要由液壓動力源、開關(guān)閥和旁通閥組成。液壓動力源單元組成包括：液壓油泵電機組、液壓油箱、濾油器、蓄能器、壓力表、壓力傳感器、溫度傳感器和電磁溢流閥以及輔助元件等組成。系統(tǒng)流程上所有涉及流量控制的閥門均為電控液壓驅(qū)動的高壓控制閥。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中需要測量的參數(shù)主要是流量和壓力。選擇電磁流量計來監(jiān)測管路流量，其中，大流量管線注水入口處選擇用直徑32 mm、額定工作壓力25 MPa 的流量計；小流量注水入口處選擇用直徑10 mm、額定工作壓力25 MPa 的流量計；背壓閥后選擇用直徑32 mm、額定工作壓力4 MPa 的流量計。選擇量程為25 MPa 的CYB-20S 型壓力計測量水循環(huán)系統(tǒng)的壓力；選擇量程為30 MPa 的DG1300型壓力計測量液壓系統(tǒng)的壓力。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制方案如圖4 所示，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)在線顯示與處理、實驗結(jié)果成圖等功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)對管線中各處流量和壓力數(shù)據(jù)的實時采集，采集到的數(shù)據(jù)包括：支路1 流量、支路2 流量、旁通流量、回液流量、泵出口壓力、模擬井筒入口壓力、模擬井筒出口壓力和旁通閥開度等。采用可編程邏輯控制器（PLC）作為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的下位機，通過EM231 模塊實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)信號的采集，系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行邏輯控制。在計算機操作界面中發(fā)送相應(yīng)的控制指令，就可實現(xiàn)對該項系統(tǒng)的遠程操控。采用工程模塊分析方式和面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄟM行編程，可采集壓力、流量等相關(guān)參數(shù)并繪制圖像。試驗數(shù)據(jù)由計算機程序記錄并處理，數(shù)據(jù)（壓力、注入?yún)?shù)、采出液、圖像處理等）采集后，能通過多種形式在計算機上顯示（實時數(shù)據(jù)、曲線），并存儲和彩色打印實驗成果。

圖4 計算機數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.4 Composition of computer data acquisition and control system

3.2 PLC 控制

系統(tǒng)數(shù)字輸入點數(shù)30 個、數(shù)字輸出點數(shù)16個、模擬量輸入點數(shù)9 個、模擬量輸出點3 個。根據(jù)上述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)點數(shù)和控制的要求，控制單元選用西門子CPU224xp，數(shù)據(jù)采集單元選用EM231 和EM232 組成。采集與控制系統(tǒng)利用PLC模塊，通過壓力傳感器、流量計對試驗系統(tǒng)的壓力和流量信息進行采集，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的試驗壓力和狀態(tài)進行相應(yīng)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動和手動控制壓力，同時完成超壓、超流量報警及保護功能。PLC 接收數(shù)字量指令是利用CPU 和EM232模塊的輸入端，同時控制輸出指令是利用CPU 和EM232 模塊的輸出端。液壓系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)和變頻數(shù)據(jù)的采集通過EM231 模塊實現(xiàn)[8]。

3.3 組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計

智能配水器檢驗裝置及控制系統(tǒng)組態(tài)界面如圖5所示。高壓泵轉(zhuǎn)速設(shè)置和低壓泵轉(zhuǎn)速設(shè)置窗口可以設(shè)置高壓泵和低壓泵的工作轉(zhuǎn)速。旁通流量設(shè)置和背壓壓力設(shè)置窗口可以設(shè)置旁通流量和背壓壓力。各個參數(shù)顯示框可以顯示液壓系統(tǒng)壓力、液壓系統(tǒng)溫度、泵出口匯管壓力、流量、試驗入口壓力、試驗出口壓力、背壓回路流量、旁通流量。各個按鈕可以實現(xiàn)柱塞泵啟動、停止，液壓泵啟動、停止，閥啟動、關(guān)閉。監(jiān)控界面可顯示管線流體流動狀態(tài)以及各泵、閥開關(guān)狀態(tài)[9-10]。

圖5 智能配水器檢驗系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控界面Fig.5 Configuration monitoring interface of intelligent water distributor inspection system

4 系統(tǒng)試驗

4.1 流量控制試驗

流量控制試驗操作步驟：檢查管線通暢→檢查控制單元有效→開啟液壓系統(tǒng)→調(diào)整管線流程→開啟水壓動力系統(tǒng)→調(diào)節(jié)旁通調(diào)節(jié)閥或調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率→數(shù)據(jù)采集與記錄。按上述流程進行流量控制試驗得到大流量控制試驗曲線和小流量控制試驗曲線，大流量試驗控制曲線由大流量泵和小流量泵同時工作得到（圖6），由高壓小流量泵工作得到的控制試驗曲線如圖7 所示。由圖6～7 可知，系統(tǒng)工作回路的流量控制范圍在0～324 m3/d，流量控制精度均在±2% 以內(nèi)，滿足技術(shù)要求。

圖6 大流量控制試驗曲線Fig.6 Test curve of large flow control

圖7 小流量控制試驗曲線Fig.7 Test curve of small flow control

從大流量控制曲線（圖6）可以看出，系統(tǒng)回路的流量達到300 m3/d 時，流量值可以保持穩(wěn)定。當(dāng)調(diào)高泵的運行頻率至50 Hz 時，系統(tǒng)回路的流量值可以達到352 m3/d 并保持穩(wěn)定。但從曲線中也可以看出，當(dāng)系統(tǒng)回路剛到達最大流量時，流量曲線有波動。分析認(rèn)為，這是由于泵的頻率升高造成系統(tǒng)回路內(nèi)水流湍流等因素造成的。從小流量控制曲線（圖7）可以看出，當(dāng)試驗環(huán)境需要較小流量時，啟動高壓小流量泵并配合將旁通調(diào)節(jié)閥，將旁通調(diào)節(jié)閥開度調(diào)到20 mm，設(shè)置泵運行頻率為4.8 Hz，系統(tǒng)回路流量穩(wěn)定在20 m3/d。提高泵運行頻率至7.9 Hz 時，系統(tǒng)回路內(nèi)的流量值升高并出現(xiàn)峰值，隨后流量值穩(wěn)定在40 m3/h。由流量控制試驗可以驗證，通過控制泵運行頻率和調(diào)節(jié)旁通閥的方法來調(diào)節(jié)系統(tǒng)回路內(nèi)流量的方法可行。

4.2 壓力控制試驗

壓力控制試驗操作步驟: 設(shè)定液壓系統(tǒng)壓力后啟動液壓泵，關(guān)閉流量回路控制閥，調(diào)節(jié)背壓閥的開度，啟動高壓泵，逐漸提升泵的工作頻率，當(dāng)管線流程壓力升至25 MPa，逐漸降低泵的工作頻率，直到壓力為零停止。試驗曲線如圖8 所示。

圖8 壓力控制試驗曲線Fig.8 Test curve of pressure control

從管線內(nèi)水壓控制曲線（圖8）可以看出，當(dāng)調(diào)節(jié)泵的工作頻率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)回路內(nèi)壓力時，壓力控制的響應(yīng)速度快，壓力值波動小。由壓力控制試驗可以驗證，在0～25 MPa 壓力范圍內(nèi)，可以通過調(diào)節(jié)泵的工作頻率和液壓系統(tǒng)控制背壓閥來進行系統(tǒng)管線內(nèi)的壓力控制。

5 結(jié)論

智能配水器檢驗裝置及控制系統(tǒng)能夠模擬現(xiàn)場實際工況，實現(xiàn)對智能配水器的室內(nèi)測試及檢驗，直觀評價工具在井下的工作性能，并實現(xiàn)對智能配水器流量計的在線檢定，可實現(xiàn)為智能配水器調(diào)試、流場試驗(閥不同開度、壓差等控制測試)、流量檢定、壓力檢定等綜合功能的指標(biāo)測試，達到了設(shè)計要求。