摘要:随着油田精细化管理和第四代智能分注技术的普及，单层小方量注人的计量、调节显得尤为重要，同时还要满足低功耗长寿命的使用要求。目前，井下分注仪的孔板流量计及调节阀很难满足5m3/d的测调要求。根据井下测调原理，对影响小方量测调的技术难点进行了分析,针对性地设计了多级偏心孔板流量计，使过流面积增加69%，并满足5m3/d的起排要求;优化改进了调节阀结构和测调逻辑，使调节阀满足2.67m3/d~111.35m3/d的调节需求，且测调效率更高，防堵塞能力更好。通过理论计算、室内试验和现场验证，证明该效果良好，满足了小方量测调的工艺要求。
0引言
注水驱油是国内油藏开采的重要手段，是保持油层压力，实现油田高产稳产的有效方法”。常规的工作筒加测调仪的调配方式需要占用大量人力物力，随着注水规模的.扩大，工作量逐年增多，现场人员的测调能力已达极限。因此，随着数字化油田建设方向的提出和大数据、人工智能领域的飞速发展，第四代智能分层注水技术及配套仪器开始飞速发展。
智能分注技术的核心是井下注水流量的正确测量和调控。对缆控智能分注仪中的电磁流量计和调节阀控制算法进行了优化改进;针对海上油田大排量注人的特点，对大排量涡街流量计和多级调节阀进行";对井下孔板流量计测量方法和自动校准算法进行。
油田大部分注水井单层日注水量为5m3~50m3无缆智能分注系统主要在油田应用，由于采用电池供电，对低功耗性能要求很高，同时考虑到回注水水质较差容易对电磁和超声流量计造成影响，仪器内部一般集成孔板差压式流量计进行测量，针对小方量流量的测量一直是一个难点。同时由于调节阀的问题，小方量的精确调节也难度极大，并且整机流道存在很大的堵塞风险。针对孔板流量计和无缆智能分注系统，如何正确进行小方量测量、小方量调节和流道防堵，已经成为迫在眉睫的问题。
1小方量孔板差压流量计设计
1.1孔板差压流量原理
孔板差压式流量计利用节流元件的前后压差来进行流量的测量，节流元件为安装在圆形管内部的薄壁带孔圆板，是工业上使用最多的流量计之一，体积流量可用式(1)计算。
式(1)中,C一流出系数;ε一膨胀系数;D一管道内径(m);d一节流孔径(m);△p一压力差(Pa);ρ1一流体密度(kg1m3);β一直径比;qm一质量流量(kg/s)。
其中，流出系数C取决于雷诺数Re,而雷诺数Re取决于qm，C可利用迭代法计算或从实验数据中获得。
1.2现有无缆智能分注仪流量计结构
现有无缆智能分注仪调节阀和流量计组件在下接头的不同安装孔中平行放置。注水时流体从进水口进人流量计组件，被孔板节流后通过流量管和过流孔进人调节阀组件,再从调节阀组件阀杆周围的环空空间流向阀套和出水口进人地层。整个流道较为复杂，孔板节流之后产生的二次压损较大，且阀杆环空间隙仅为3mm，很容易发生堵塞，尤其是停注时流体不再运动，产生的泥沙堆积还容易造成运动部件的卡死。
为适应井下高压及应对瞬时压变的情况，井下仪器一般采用60MPa量程的表压传感器进行孔前孔后压的测量,并计算压力差值。经过实验证明，能够分辨的最小压力差值约为0.02MPa。
孔板孔径为5mm，流量管内径为13mm。根据式(1)计算可知，在5m3/d的小方量下，产生的节流压差仅为0.0063MPa，远远低于最小压差分辨值。在0.02MPa时，注入方量达到了8.9m3/d。
1.3多级偏心孔板流量计设计及实验
孔板差压流量计的根本原理在于形成节流压差，针对无缆智能分注仪的结构特点，重新设计了多级偏心孔板结构。流量管内径为13mm，采用5级偏心孔板，节流孔径6.5mm，偏心距3mm，孔板间距10mm。相邻孔板节流孔成交错放置，使流体经过时被迫改变流向，增加节流效果。采用FlowSimulation进行有限元流体仿真计算，环境压力为大气压，流体介质为水，温度为20.5℃，水量为5m/d。计算结果显示节流前压力为0.1228MPa，节流后压力为0.1007MPa，节流压差为0.0221MPa，满足最小压差要求，且流道通径变为6.5mm，过流面积增大了69%。利用实验工装对多种孔板进行测试，结果表明，综合考虑过流面积及节流效果，5级偏心孔板差压流量计效果最好，实测5m3/d时节流压差约为0.03MPa,满足使用要求。仿真及实验结果如图1所示。
1.4防堵塞一体化流量调节阀设计
为解决现有调节阀和流量计存在的流道复杂，调节阀过流环空尺寸小带来的堵塞和沉积问题，结合偏心孔板差压流量计的结构方案，设计了一体化流量调节阀，其结构如图2所示。仪器下井时左端在上右端在下，流体从下端进人，经过偏心孔板流量计组件后通过调节阀阀芯和阀套,直接从出水口进人地层。调节阀采用平衡压结构设计，阀芯上端设置导压孔引入管内压力，使得阀芯上端和下端压力平衡，降低调节阻力。调节阀采用丝杠传动机构，阀芯内置丝杠螺母，传动丝杠采用密封圈进行组合密封，尾端采用推力轴承承载压差力，可满足60MPa的使用要求。节流孔板后端为直通通道，减小堵塞风险。停注时泥沙自动下落，不存在沉积风险。通过样机实验测得，该一体化流量调节阀60MPa环境压力下最大调节扭矩为1.8N·m。
2小方量调节阀改进
2.1现有调节阀存在问题
井下智能分注仪所采用的调节阀多为柱塞式，主要有以下原因:
1)分注仪在调节阀全关状态下，要求能够承受25MPa.的内外压差不渗漏。柱塞式调节阀在完全关死时，可在阀芯关死位置设计密封结构，如橡胶0形圈、格莱圈、泛塞封等，能够实现较好的高压密封效果。
2)柱塞式调节阀在阀芯两侧可实现平衡压结构，并利用丝杠等传动机构降低调节扭矩，降低电机选型的要求和.调节电流。
3)柱塞式调节阀调节行程长，能够较为精确地控制开度大小，进而实现流量的调节。
柱塞式调节阀的调节部分主要由阀芯和阀套组成，一般采用司太立合金或氧化锆陶瓷制作。合金是一种能耐各种类型磨损、腐蚀以及高温氧化的硬质合金(9),，是阀芯阀杆的理想材料;氧化锆陶瓷具备优异的高韧性、高硬度特征，在石油行业中经常作为耐冲刷、耐磨及绝缘材料来使用。为保证运动顺畅，阀芯阀套之间采用间隙配合，这也使得两者之间存在一定的环形缝隙，导致阀芯一但脱离密封部件，即便还没有打开出水口也会产生一定的液体漏失，漏失量可用式(2)计算，其中Cd为流出系数,取经验值0.6。
式(2)中，Q一漏失水量(m3/d);Op-压力差值(MPa);S一漏失面积(mm2)。
以常用的12mm直径阀芯为例，阀套尺寸为φ12+0.3+0.10，阀芯尺寸为φ12-0.10-0.05，最大漏失面积为3.77mm2，1MPa压差下计算最大漏失量为8.74m'/d，实际批量测试表明在1MPa注水压差下，调节阀漏失量最大可达8.3m3/d,使得此水量以下的流量调节完全不可能实现。
此外，现有阀套的调节口多为长条形、三角形或阶梯形，对于20m3/d以上的流量调节具有较好的效果，但对于小方量的调节精度不够�？戎狄话阋揽堪沧霸谒扛苌系拇鸥忠约岸杂Φ幕舳衅鹘屑剖�，为防止磁场干扰造成丢点，最多只能安装6个磁钢，全行程计数值为72个，调节有效行程计数值仅为48个，分辨率远远不能满足小方量的调节需求。
2.2阀芯阀套优化设计
解决阀芯阀套的漏失问题根本在于减小配合间隙，但由于调节阀轴向零部件较多，且存在多个密封配合，累计同轴度误差很容易造成运动卡阻和偏磨。经过大量实验和计算，最终确定优化设计方案如下:
1)阀芯阀套配合采用H8/f7精度等级，阀芯外径尺寸范围为φ12-0.016-0.034，阀套内径尺寸范围为φ12+0.0270,最大漏失面积为1.15mm2，1MPa压差下计算最大漏失量为2.67m3/d。
2)为避免偏磨和运动卡阻，将阀套外圆与安装孔的单边间隙调整为0.07mm~0.11mm,达到阀套与阀芯紧密配合，但相对于外侧安装件为浮动安装的效果。
3)阀套两端安装的密封件采用铜粉填充聚四氟乙烯材质制作而成的矩形密封圈，以适应阀套外圆与安装件之间较大的密封间隙，保证密封效果。矩形圈与外侧安装件和阀芯成微过盈压缩配合，压缩率为18.4%，实测可满足35MPa的长期密封要求。
2.3出水口形状优化
为了获得更好的调节效果，对阀套出水口形状进行了优化设计。如图3中(a)所示，前端68%行程为小方量调节段，采用双曲线、类三角形形状，在小开度时面积变化率较小，能够获得更好的调节精度。在中开度时面积变化率稍大，以获得更快的响应速度。后端32%行程为调节+解堵段，采用矩形形状设计。当发生疑似出水口堵塞,注水困难的情况时将调节阀全开，此时出水口通径变大，,使泥沙和异物能够被水流冲出，实现解堵。同时较大的开口配合大孔径多级偏心孔板流量计，还可以适用调剖剂等较大颗粒物的注入作业。
设注水压差为1MPa，根据式(2)进行模拟计算，结果如图3中(b)所示。当开度小于等于25%时，出水口开口面积小于阀芯间隙的1.15mm2，此时阀芯泄漏占主导因素，流量维持2.67m3/d不变;当开度小于等于68%时,处于小方量调节区间，出水量随开度缓慢上涨，流量调节范围为2.67m3/d~20.59m3/d;当开度大于68%~100%时，处于调节解堵区间，流量调节范围为20.59m3/d~111.35m3/d。
可见，优化设计后的调节阀结构能够满足2.67m3/d~111.35m3/d的流量调节需求，且在20.59m3/d以下具备更为精确的调节特性。配合多级偏心孔板流量计使用，能实现小流量的精度高测调功能，且具备很强的防堵塞能力及更广泛的工艺适用性。
2.4开度计数方式及自动测调算法优化
为了解决开度计数分辨率不足的问题，将霍尔传感器和磁钢的安装位置从丝杠调整到了减速电机的尾端。调节阀的减速电机为直流有刷高温电机和行星减速箱两部分组成，减速比为1526:1，磁钢数量为2。理论有效开度计数值从48个增加到24416个，分辨率大大增加。同时，通过对开度零点进行精确校正，配合计数值清零累加的方式，能够很好地降低计数值误差的影响。
分层注水时地面管线通常采用恒压模式，注水压差基本恒定。优化后的测调逻辑如图4所示。生产时将1MPa~3MPa注水压差的多组不同开度对应流量的数据进行计算后，形成数据表格预置在仪器内部存储器中，并对仪器开度零点进行校正。一般来说井下仪流量调配精度要求为1%F.S，地面控制设备对井下分注仪下发测调命令并给予目标流量值，之后井下仪读取内外压并计算注水压差，选择与该压差值最接近的预置数据表格作为测调依据。查询表格确定目标流量对应的开度值并进行开度调节，这样能够快速定位目标开度，缩短调节时间，减少运动部件动作次数，降低电能消耗，延长仪器寿命。之后对比目标流量与当前测得的流量值，根据流量差值大小确定不同的调节步长，直到满足±1%F·S的精度要求。同时，若同一调节步长连续4次都不能满足要求，则采用更小的步长进行调节或停止调节。
3总结及现场试验
针对现有的井下智能分注仪差压流量计和调节阀不能满足小方量测调的现状进行了分析，提出了流量计节流压差不够，调节阀芯漏失量过大，调节阀调节精度不足的问题。针对以上问题设计了多级偏心孔板差压流量计，过流面积增大69%，起排量降低到5m3/d以下。改进了调节阀结构并优化配合间隙，对注水孔形状进行优化，使调节阀理论.上能够满足2.67m3/d~111.35m3/d的调节需求，并在20m3/d以下具备更好的调节特性。调节阀流道及结构设计具备防堵、防沉积能力，满足多种作业需求。对开度计数方式和测调算法进行了优化设计，提升调节阀调节分辨率,缩短动作时间，延长了仪器寿命。
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