摘要:針對目前油田分層配注井注人量的監(jiān)測需求,研制一種基于電磁感應(yīng)原理的電磁流量計,該流量計可長期置于油田智能配注井,進(jìn)行注人量測量。介紹儀器工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及儀器技術(shù)指標(biāo)。室內(nèi)實驗表明,智能配注井井下電磁流量計在清水中標(biāo)定具有很好的線性響應(yīng),儀器輸出穩(wěn)定,重復(fù)性好,測量結(jié)果正確�，F(xiàn)場試驗表明，應(yīng)用電磁流量計進(jìn)行智能配注井配注量監(jiān)測,測試精度高,測量結(jié)果正確可靠,可真實反應(yīng)井下注人情況,可以長期置于井下進(jìn)行流量監(jiān)測,能夠滿足測試需求。
0引言
當(dāng)油田開發(fā)進(jìn)入中后期,分層注水驅(qū)油成為重要的開采手段。針對不同井況,采用分層開采技術(shù)，根據(jù)需要對多個油層同時注水,對不同的油層進(jìn)行定量的配注。在現(xiàn)有的采油技術(shù)中,偏心注水是目前油田采用的最主要方法，雖然偏心注水工藝可以解決多級分層注水的問題,但傳統(tǒng)的測調(diào)工藝方法工作量大、效率低,已經(jīng)嚴(yán)重制約了注水技術(shù)的發(fā)展。智能配注是利用機(jī)電--體化技術(shù),將流量監(jiān)測、通信及自動控制系統(tǒng)置于井下智能配水器中,可對層段注人量、累積注人量實時監(jiān)控,將注人量測試和調(diào)整結(jié)合起來,實現(xiàn)井下各層流量測試和自動調(diào)配-2。井下各層流量的正確測量是實現(xiàn)科學(xué)調(diào)配的關(guān)鍵。
近年來電子流量計的推廣使用,使注水井的分層測試效率、測試資料的正確性等都有很大提高。相對于其他的電子流量計,電磁流量計結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械活動部件、無節(jié)流部件、測量范圍寬、測量結(jié)果精度高[34。在油田生產(chǎn)中,電磁流量計被廣泛應(yīng)用于注水井、注聚井的注人剖面測井,目前，電磁流量計也被用于油水兩相流產(chǎn)出剖面測井,儀器工作穩(wěn)定,測量數(shù)據(jù)重復(fù)性好測量結(jié)果正確可靠[5。因此,研制應(yīng)用于油田智能配注井流量測試的電磁流量計尤為重要,可為智能調(diào)配提供可靠的流量數(shù)據(jù)。本文研制了一種可長期放置于智能配注井中的電磁流量計,該流量計能進(jìn)行注人量測量，對其工作性能進(jìn)行室內(nèi)檢測并進(jìn)行水域中的標(biāo)定。室內(nèi)檢測及現(xiàn)場應(yīng)用試驗表明,所研制的智能配注井電磁流量計具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性,線性響應(yīng)好，可以長期置于井下定時的監(jiān)測注水情況。
1儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計及測調(diào)工藝
1.1總體方案設(shè)計及測調(diào)工藝
在油田井下流體流量測量中,由于井下注人流體復(fù)雜,管壁結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重,外流式電磁流量計受井壁變徑影響，因此,儀器設(shè)計為內(nèi)流式的電磁流量計結(jié)構(gòu)[6],整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。將儀器與電纜相連接,電纜與井下管柱固定,儀器坐人配水器中,整體跟隨管柱下人井下指定位置,通過配水器閥門開度調(diào)節(jié)注人量大小。對注水井進(jìn)行測調(diào)時，給儀器供電,注水井中流體通過進(jìn)液口流人儀器測量通道內(nèi),流經(jīng)電磁流量傳感器,電磁流量傳感器隨流量不同有相應(yīng)的頻率輸出,流體經(jīng)電磁流量傳感器檢測后,通過配水器水嘴流人地層。電磁流量計的測量信號經(jīng)由測量電路處理,再通過電纜傳人地面采集系統(tǒng)中,經(jīng)地面采集軟件處理可以直接讀出流量測量結(jié)果。
儀器進(jìn)液口采用防護(hù)網(wǎng)設(shè)計,目的是防止井下雜物進(jìn)人測量通道,可以避免大塊雜物堵塞調(diào)節(jié)水嘴,同時消除雜物對感應(yīng)電極的磨損，保證測量結(jié)果的正確性�？紤]儀器需要長期放置于井下，為適應(yīng)井下惡劣的條件,儀器外殼及感應(yīng)電極等部件選用耐腐蝕材質(zhì),以提高井下儀器長期工作的穩(wěn)定性,保證測量精度。
1.2測量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過建立仿真模型,利用測量區(qū)域的樣本平均值樣本標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、磁場均勻長度和均勻區(qū)域等相關(guān)概念對電磁流量計內(nèi)部磁場分布情況進(jìn)行分析,對傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與內(nèi)部磁場的關(guān)系進(jìn)行研究,確定傳感器的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)[7-8]。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,傳感器采用雙發(fā)射磁極與雙測量電極的結(jié)構(gòu)。測量電極與發(fā)射磁極兩兩相對均勻分布在管道圓周上,測量電極與儀器外殼相絕緣,與流體直接接觸,磁極的勵磁線圈內(nèi)部包裹鐵芯,用來產(chǎn)生交變磁場,導(dǎo)電流體從傳感器測量通道內(nèi)流過時切割磁力線并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
1.3流道內(nèi)徑優(yōu)化設(shè)計
電磁流量計測量范圍大,對于地面用電磁流量計(相同直徑的傳感器),滿量程流速為0.3~15.0m/s,推薦的測量速度為1~5m/s。計算不同管徑電磁流量計測量的流量范圍,根據(jù)計算結(jié)果選定合適的電磁流量計設(shè)計管徑,電磁流量計管徑、流速與流量關(guān)系計算結(jié)果見表1。由表1可見，為滿足1~100m³/d流量測量范圍要求，較佳的電磁流量計流道管徑應(yīng)該選擇為10mm。為擴(kuò)大流量測量范圍,此次流道內(nèi)徑設(shè)計為12mm。根據(jù)流量的測量范圍優(yōu)化電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu),保證傳感器的穩(wěn)流長度。
1.4主要技術(shù)指標(biāo)與性能特點
電磁流量計的主要技術(shù)指標(biāo):外徑28mm,長度650mm,耐溫80℃,耐壓35MPa,流量測量范圍為0.5~120.0m³/d、精度為±3%。電磁流量計的主要性能特點:①采用內(nèi)流式結(jié)構(gòu)設(shè)計,不受井壁結(jié)垢及變徑影響,測試結(jié)果更正確可靠;②電磁流量計電極采用防腐設(shè)計,可以提高井下儀器長期工作的穩(wěn)定性,保證測量精度;③進(jìn)液口采用防護(hù)網(wǎng)設(shè)計，防止異物進(jìn)人測量通道對測量結(jié)果的影響,提高測量可靠性;④充分考慮測量電極前后的穩(wěn)流段長度，避免流體流態(tài)對測量結(jié)果造成影響。
2室內(nèi)檢測及標(biāo)定結(jié)果
2.1測量穩(wěn)定性檢測
為了檢測儀器工作性能，在現(xiàn)場應(yīng)用前對儀器進(jìn)行水域的標(biāo)定及檢測。將經(jīng)過耐壓檢測后的儀器傳感器全部浸人水中,通過室內(nèi)給儀器供電，間隔10min記錄儀器輸出頻率。儀器工作穩(wěn)定性檢測結(jié)果見表2,儀器在水中輸出頻率穩(wěn)定,工作狀態(tài)良好。
2.2儀器在室內(nèi)水域中標(biāo)定結(jié)果
將儀器連接封隔裝置放人標(biāo)定井簡中,封隔裝置密封儀器外璧與井簡內(nèi)壁形成的環(huán)形空間,保證流體完全進(jìn)人測量通道。給儀器供電進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)為0.5.1.0.3.0、5.0、8.0、10.0、20.0、40.0、60.0、70.0、80.0、100.0、120.0m3/d,記錄每一流量點時的儀器輸出頻率,記錄時間為2min。計算每一流量點時的儀器輸出頻率平均值,將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到儀器的標(biāo)定檢測結(jié)果圖見圖3,儀器的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果(見表3)。由圖3可見，隨著流量的增大,儀器輸出頻率線性增加,線性相關(guān)系數(shù)為0.9999979,顯示出儀器具有良好的線性響應(yīng)。由表3可見,在0.5~120.0m³/d流量范圍內(nèi),儀器測量誤差在±1%之內(nèi)。
2.3儀器在室內(nèi)水域重復(fù)性檢測
記錄每一流量點時的儀器輸出頻率,在水中進(jìn)行3次測量,儀器測量重復(fù)性結(jié)果見圖4。由圖4可見,3次測量結(jié)果基本重復(fù)。計算重復(fù)性誤差,對同--流量點的3次測量儀器輸出頻率取平均值,以各流量點的平均輸出頻率值為橫坐標(biāo),以流量為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合,得到線性擬合結(jié)果,將每一-次各流量點的輸出頻率代人擬合公式中進(jìn)行測量流量的計算，將測量的流量與標(biāo)準(zhǔn)流量對比,計算滿量程誤差,得到誤差分布(見圖5)。最大重復(fù)性誤差為0.65%，顯示清水中3次測量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。
3現(xiàn)場試驗應(yīng)用
將儀器置人配水器中跟隨管柱下人井下指定位置。注水井測調(diào)時,根據(jù)電磁流量計給出的實時測量結(jié)果調(diào)節(jié)注水井各層段的配注量。在大慶油田進(jìn)行了現(xiàn)場測調(diào)試驗,表4、表5分別為高XX-YY井、高AA-BB井7個層段的測調(diào)試驗結(jié)果。表4中,高XX-YY井單層測調(diào)流量相對誤差最大為5.25%,全井流量相對誤差為4.13%;表5中,高AA-BB井單層測調(diào)流量相對誤差最大為6.70%,全井流量相對誤差為2.50%。2口井單層測調(diào)誤差和合層誤差.均滿足測調(diào)要求。
儀器于2017年6月隨井下工具下井進(jìn)行注人量調(diào)配測量,2018年5月22日從井下提出儀器,儀器在井下歷經(jīng)近1年時間,工作狀態(tài)穩(wěn)定,測量數(shù)據(jù)可靠,表明智能注人井電磁流量計可以長期放置于井下配水器中,對注水情況進(jìn)行實時監(jiān)測。流量測量結(jié)果可以真實反應(yīng)井下流量情況，精度高,可以配合注人井測調(diào)實現(xiàn)智能配注。
4結(jié)論
(1)實驗表明,智能配注井井下電磁流量計在清水中具有很好的線性響應(yīng),儀器輸出穩(wěn)定、重復(fù)性好,測量結(jié)果正確,滿量程誤差在±1%之內(nèi)。
(2)應(yīng)用電磁流量計進(jìn)行智能配注井配注量監(jiān)測，可以真實反應(yīng)井下情況,測量結(jié)果正確且測試精度高，可以滿足測試需求。
(3)現(xiàn)場試驗中，電磁流量計在井下穩(wěn)定工作時間1年左右,初步達(dá)到設(shè)計要求。需要繼續(xù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗,進(jìn)--步驗證電磁流量計在井下穩(wěn)定工作的時間,研究井下環(huán)境對電磁流量計的影響。
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