智能配注井井下监测电磁流量计的设计及应用

张玉辉,潘啸天,张野,刘艳玲,李军,郭振雷

(1.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163453;2.大庆油田有限责任公司试油试采分公司,黑龙江大庆163412;3.大庆油田有限责任公司第三采油厂,黑龙江大庆163000)

0 引 言

当油田开发进入中后期,分层注水驱油成为重要的开采手段。针对不同井况,采用分层开采技术,根据需要对多个油层同时注水,对不同的油层进行定量的配注。在现有的采油技术中,偏心注水是目前油田采用的最主要方法,虽然偏心注水工艺可以解决多级分层注水的问题,但传统的测调工艺方法工作量大、效率低,已经严重制约了注水技术的发展。智能配注是利用机电一体化技术,将流量监测、通信及自动控制系统置于井下智能配水器中,可对层段注入量、累积注入量实时监控,将注入量测试和调整结合起来,实现井下各层流量测试和自动调配[1-2]。井下各层流量的精确测量是实现科学调配的关键。

近年来电子流量计的推广使用,使注水井的分层测试效率、测试资料的准确性等都有很大提高。相对于其他的电子流量计,电磁流量计结构简单、无机械活动部件、无节流部件、测量范围宽、测量结果准确度高[3-4]。在油田生产中,电磁流量计被广泛应用于注水井、注聚井的注入剖面测井,目前,电磁流量计也被用于油水两相流产出剖面测井,仪器工作稳定,测量数据重复性好、测量结果准确可靠[5]。因此,研制应用于油田智能配注井流量测试的电磁流量计尤为重要,可为智能调配提供可靠的流量数据。本文研制了一种可长期放置于智能配注井中的电磁流量计,该流量计能进行注入量测量,对其工作性能进行室内检测并进行水域中的标定。室内检测及现场应用试验表明,所研制的智能配注井电磁流量计具有良好的稳定性、重复性,线性响应好,可以长期置于井下定时的监测注水情况。

1 仪器结构设计及测调工艺

1.1 总体方案设计及测调工艺

在油田井下流体流量测量中,由于井下注入流体复杂,管壁结垢现象严重,外流式电磁流量计受井壁变径影响,因此,仪器设计为内流式的电磁流量计结构[6],整体结构示意图见图1。将仪器与电缆相连接,电缆与井下管柱固定,仪器坐入配水器中,整体跟随管柱下入井下指定位置,通过配水器阀门开度调节注入量大小。对注水井进行测调时,给仪器供电,注水井中流体通过进液口流入仪器测量通道内,流经电磁流量传感器,电磁流量传感器随流量不同有相应的频率输出,流体经电磁流量传感器检测后,通过配水器水嘴流入地层。电磁流量计的测量信号经由测量电路处理,再通过电缆传入地面采集系统中,经地面采集软件处理可以直接读出流量测量结果。

图1 内流式电磁流量计结构设计图

仪器进液口采用防护网设计,目的是防止井下杂物进入测量通道,可以避免大块杂物堵塞调节水嘴,同时消除杂物对感应电极的磨损,保证测量结果的准确性。考虑仪器需要长期放置于井下,为适应井下恶劣的条件,仪器外壳及感应电极等部件选用耐腐蚀材质,以提高井下仪器长期工作的稳定性,保证测量精度。

1.2 测量传感器结构设计

通过建立仿真模型,利用测量区域的样本平均值、样本标准差、变异系数、磁场均匀长度和均匀区域等相关概念对电磁流量计内部磁场分布情况进行分析,对传感器的结构参数与内部磁场的关系进行研究,确定传感器的优化设计结构[7-8]。传感器结构示意图见图2,传感器采用双发射磁极与双测量电极的结构。测量电极与发射磁极两两相对均匀分布在管道圆周上,测量电极与仪器外壳相绝缘,与流体直接接触,磁极的励磁线圈内部包裹铁芯,用来产生交变磁场,导电流体从传感器测量通道内流过时切割磁力线并产生感应电动势[9]。

图2 传感器结构示意图

1.3 流道内径优化设计

电磁流量计测量范围大,对于地面用电磁流量计(相同直径的传感器),满量程流速为0.3～15.0 m/s,推荐的最佳测量速度为1～5 m/s。计算不同管径电磁流量计测量的流量范围,根据计算结果选定合适的电磁流量计设计管径,电磁流量计管径、流速与流量关系计算结果见表1。由表1可见,为满足1～100 m3/d流量测量范围要求,较佳的电磁流量计流道管径应该选择为10 mm。为扩大流量测量范围,此次流道内径设计为12 mm。根据流量的测量范围优化电磁流量传感器的结构,保证传感器的稳流长度。

表1 电磁流量计管径、流速与流量关系

1.4 主要技术指标与性能特点

电磁流量计的主要技术指标:外径28 mm,长度650 mm,耐温80 ℃,耐压35 MPa,流量测量范围为0.5～120.0 m3/d、精度为±3%。电磁流量计的主要性能特点:①采用内流式结构设计,不受井壁结垢及变径影响,测试结果更准确可靠;②电磁流量计电极采用防腐设计,可以提高井下仪器长期工作的稳定性,保证测量精度;③进液口采用防护网设计,防止异物进入测量通道对测量结果的影响,提高测量可靠性;④充分考虑测量电极前后的稳流段长度,避免流体流态对测量结果造成影响。

2 室内检测及标定结果

2.1 测量稳定性检测

为了检测仪器工作性能,在现场应用前对仪器进行水域的标定及检测。将经过耐压检测后的仪器传感器全部浸入水中,通过室内给仪器供电,间隔10 min记录仪器输出频率。仪器工作稳定性检测结果见表2,仪器在水中输出频率稳定,工作状态良好。

表2 仪器工作稳定性检测结果

2.2 仪器在室内水域中标定结果

将仪器连接封隔装置放入标定井筒中,封隔装置密封仪器外壁与井筒内壁形成的环形空间,保证流体完全进入测量通道。给仪器供电进行流量调节,流量调节为0.5、1.0、3.0、5.0、8.0、10.0、20.0、40.0、60.0、70.0、80.0、100.0、120.0 m3/d,记录每一流量点时的仪器输出频率,记录时间为2 min。计算每一流量点时的仪器输出频率平均值,将数据进行线性拟合,得到仪器的标定检测结果图见图3,仪器的检测数据结果(见表3)。由图3可见,随着流量的增大,仪器输出频率线性增加,线性相关系数为0.999 979,显示出仪器具有良好的线性响应。由表3可见,在0.5～120.0 m3/d流量范围内,仪器测量误差在±1%之内。

图3 仪器标定结果图

表3 检测数据结果

2.3 仪器在室内水域重复性检测

记录每一流量点时的仪器输出频率,在水中进行3次测量,仪器测量重复性结果见图4。由图4可见,3次测量结果基本重复。计算重复性误差,对同一流量点的3次测量仪器输出频率取平均值,以各流量点的平均输出频率值为横坐标,以流量为纵坐标进行线性拟合,得到线性拟合结果,将每一次各流量点的输出频率代入拟合公式中进行测量流量的计算,将测量的流量与标准流量对比,计算满量程误差,得到误差分布(见图5)。最大重复性误差为0.65%,显示清水中3次测量结果具有良好的重复性。

图4 仪器测量重复性结果

图5 重复性测量误差分布

3 现场试验应用

将仪器置入配水器中跟随管柱下入井下指定位置。注水井测调时,根据电磁流量计给出的实时测量结果调节注水井各层段的配注量。在大庆油田进行了现场测调试验,表4、表5分别为高XX-YY井、高AA-BB井7个层段的测调试验结果。表4中,高XX-YY井单层测调流量相对误差最大为5.25%,全井流量相对误差为4.13%;表5中,高AA-BB井单层测调流量相对误差最大为6.70%,全井流量相对误差为2.50%。2口井单层测调误差和合层误差均满足测调要求。

表4 高XX-YY井测调结果

表5 高AA-BB井测调结果

仪器于2017年6月随井下工具下井进行注入量调配测量,2018年5月22日从井下提出仪器,仪器在井下历经近1年时间,工作状态稳定,测量数据可靠,表明智能注入井电磁流量计可以长期放置于井下配水器中,对注水情况进行实时监测。流量测量结果可以真实反应井下流量情况,准确度高,可以配合注入井测调实现智能配注。

4 结 论

(1)实验表明,智能配注井井下电磁流量计在清水中具有很好的线性响应,仪器输出稳定、重复性好,测量结果准确,满量程误差在±1%之内。

(2)应用电磁流量计进行智能配注井配注量监测,可以真实反应井下情况,测量结果准确且测试精度高,可以满足测试需求。

(3)现场试验中,电磁流量计在井下稳定工作时间1年左右,初步达到设计要求。需要继续进行现场试验,进一步验证电磁流量计在井下稳定工作的时间,研究井下环境对电磁流量计的影响。