团论文网
团论文网
-
摘要：分层注水是一种有效提高原油采收率并维持油田长期稳产的注水技术。在油田开采过程中，地层压力随开采程度的增加而降低，为保持油田的长期稳产，可向油田进行分层注水，测控一体化井下配水器是实现分层注水的关键组成部分，但其中测调精度不稳定。为此，在水嘴结构方面创新设计了一种适用于产生压力和流量脉冲波的扇形水嘴。由此产生的流量波和压力波信号具有形状规则、波形精度高的优点，从而提高了信号传输的成功率和有效性。为实现对井下压力和流量信号的实时监测，该配水器集成了压力波监测模块、内外压监测模块以及流量计模块，为不同油层的注水量智能调节提供了可靠的数据支持。对所设计的配水嘴和地面控制器进行内部流体仿真，相同条件下，45°和90°配水嘴转角时流场的最大压差为3 320 Pa，结果表明配水嘴开度越大，流场压差越小，符合节流压降规律，相同条件下，0°、45°和90°地面控制器转角时流场的最大压差为48 690 Pa，井口阀开度不同其内部流场状态有变化，井口阀开度越大，流场压差越小，经过实验验证，该设计可以相对于其他装置有效提高注水精度，可被应用于大型油田。
关键词：测调；扇形配水嘴；精度；分层
0引言
油田经过长时间的一次性采油方式进行生产后，油田地层能量（即地层压力）会随着开发程度的增加而减少。为了保持油井的生产能力在一定水平，需要将地层压力调整至接近饱和压力，而注水或注气是主要的能量补充方式[1]。在油田稳步推进“水驱精、细挖潜”的过程中，对分层注水提出了更高的要求。分层注水的目的在于通过控制各层的注入量来缓解层间矛盾，从而提高水驱效率。分层注水不仅需要注入水，还需要确保注入的水是有效的。因此，对分层注水井的测调精度提出了更高的要求[2]。降低递减率、提高注水井分注率、提高层段合格率、保持油层压力稳定、完善注采关系等优势，是保障油田增产、稳产的关键技术措施[3]。对于某些油藏而言，由于纵向上层位较多，层间、层内干扰问题较为严重，以往注水皆是采用笼统注水导致注水效率不高，无法合理控制注水量，造成各层吸收效果差异较大[4]。只有准确可靠的分层注水量数据，才能有效地调整油藏状态，实现有效的水驱，从而缓解层间矛盾，保持低渗透油藏的长期稳产，具有重要意义[5-7]。
注水是最重要的油田开发方式之一，也是提高采油速度和采收率的最常用手段之一。注水驱油是通过将水注入油气层，通过维持油层压力，将原油推替到生产井眼中，从而提高油气的采收率[8]。夏健等[9]以华北油田为研究对象，分析其分层注水工艺技术，考虑目标储层相应的渗流物性，实现了分注方案的优选，得出采用合适的分注方案是影响油田稳产的关键因素。20世纪40—50年代美国首先提出了低渗透油田注水开发的合理性；国外注水技术真正的起步是在在20世纪50年代的北海油田，首次通过注水的方式提高石油开采效率[10]。借鉴国内外油田开发的先进经验，将注水保压作为石油开发的指导方针[11]。然而，目前普遍应用的注水技术需要专业技术人员与一系列配套设备，采用对接或投捞的方式以改变水嘴规格。这种工艺智能化水平低，成本高，过程复杂，并且测调和配注的时间较长，初始投注时的测调也不稳定。常规注水的方法很容易发生窜流现象，水不能被油层很好地吸收[12]。
在油田开发进一步深入的背景下，很多油藏都到了高含水阶段，开发难度也逐渐加大，对注水技术的要求逐渐增高[13]。然而，由于分层注水测试受到多种因素的影响，与实现“精细注水”还存在一定的差距[14]。如何大幅度提高注水井测调效率是高含水后期油田亟待解决的一个难题[15]。国外采取的调整方式主要用三类：一是单纯增加可采含量，二是增加可采储量，同时提高采油速度；三是仅靠提高采油速度[16]。国外油田科研工作者对流量控制技术的研究早期主要是采用开关控制的方式进行流量控制，但在现场使用过程中存在一些问题，因为在负载压力的作用下，达到对位置控制的目的是比较困难的[17]。国际石油巨头壳牌公司早已将成智能开采技术作为工作重点，真正做到对石油井下各项指标以及数据信息进行实时监控[18]。目前国内的智能开采水平还处于初始阶段，并未达到国际水平。
本文提出了一种创新的方法，通过从地面下方引入测调仪器来对接配水器，从而实现对水嘴大小的准确测量和连续调节，以实现精确的水量注入。通过实现流量波和压力波信号的双向无线传输，提高了信号传输的效率，降低了信号传输成本和设备维护成本。并对所设计的配水嘴以及地面控制器进行了内部流场仿真，经流体仿真模拟可知，配水器配水嘴开度不同和井口阀开度不同，都会导致其内部流场状态有变化。该装置实现了注水参数的远程实时监测和智能调控，不仅可以协调井下、地面和基地之间的通信与控制，还能够实现智能调控和分层精细注水的目标。地面远程控制端把网络技术和人工智能技术实现有效地结合，在分层注水过程中发挥出更大的作用[19]。
1工作原理
分层注水装置工作原理如图1所示。测控一体化配水器中设计有流量、压力、温度等传感器，可实时监测井下分层流量、分层注水压力、地层压力等参数，达到注水过程智能调控的目的。流量波编码方式采用曼彻斯特码进行编码，简化编码解码过程，有效提高信号的通讯效率。远程控制端可实时获取相关数据，并发出指令进行调整，实现井下、地面和基地三方的协调通讯与控制，提高装置智能化水平达到智能调控、分层精细注水的目的。
2系统结构
2.1水嘴流场分析
由于配水嘴处有转动流道控制配水量大小，测控一体化配水器的关键部位，故有必要对配水嘴流场进行模拟计算。本文采用ANSYS Workbench中的Fluid Flow（Fluent）模块（以下简称Fluent）进行分析，假设旋转流道和固定流道完全重合时为90°,分别研究其旋转45°和90°时的流场状态。
2.1.1模型创建
本文采用四面体非结构性网格，分别对45°和90°转角时的配水嘴流场进行建模及划分网格，如图2~5所示。
2.1.2 Fluent计算结果及后处理分析
经过有限元软件分析，图6所示为转角为45°时配水嘴流场压力云图，其范围为34.99~35.00 MPa。图7所示为转角为45°时配水嘴流场剖面上的速度云图，配水嘴流场流速。的取值范围为0~1.64 m/s。图8所示为转角为90°的配水嘴流场压力云图，范围为34.99~35.00 MPa。图9所示为转角为90°时配水嘴流场剖面上的速度云图。配水嘴流场的流速。的取值范围为0~0.81 m/s。
经流体仿真模拟可知，配水器配水嘴开度不同其内部流场状态有变化。相同条件下，45°和90°转角时流场的最大压差为3 320 Pa，仿真结果表明配水嘴开度越大，流场压差越小，符合节流压降规律，验证了设计的有效性。
2.2井下配水器测控系统
井下配水器的测控系统实现了对注水层工况的实时监测，从而减少了层间干扰，同时也提升了测试的精确度。
2.2.1测控及驱动模块设计
井下测控系统主要包括数据传输模块、数据采集与存储模块、流量控制模块、电源管理模块、井下主控制器等。井下测控系统组成如图10所示。
测控及驱动模块主要功能包括：（1）为地面控制器的各个器件单元供电；（2）控制地面控制器总成各个部件协调工作，按照预设的协议通过压力波的形式把命令发给测控一体化配水器，对应层位的配水器把当前的流量、压力信号通过压力波或流量的方式发送到地面控制器；（3）控制器分析测控一体化配水器的压力波或流量参数，获取当前层的流量、压力等参数；（4）设定和校准井下各层流量值；（5）通过标准Modbus RTU协议实时把温度、流量、压力等数据发送到上位机。
（1）主控制器
主控制器是该配水器的“神经系统”，它决定了测控一体化配水器的测控系统的性能好坏。主控制器具有功耗低，控制灵活，能同时处理多个任务的特点。功能结构如图11所示。
（2）数据采集与存储模块
数据采集及存储模块主要通过各自的信号处理电路将压力、温度和流量传感器采集的电信号进行处理。自高精度A/D转换电路提供出的稳定电信号，被传输至单片机进行数据处理并存储在外部存储器中。此外，数据收集模块需与电源管理模块协作将收集到的涉及电源电压值、电流值和剩余容量的采集数据传输系统传输至地面。
（3）压力采集电路
压力测量是注水过程中最重要的参数之一，它既能显示注水井各层封隔器的密封情况，也能显示注水过程的进展情况。由于地下压力通常在0~60 MPa之间，因此所选的压力传感器必须功耗低、耐压性强、精度高，综合考虑选用扩散硅压阻式压力传感器。
压力测量采用的是一个完整的电桥电路，它具有出色的灵敏度和温度自补偿功能，并可大大减少非线性误差。在内部，压力传感器连接成一个完整的电桥，补偿电阻R1、R2、R3和R4负责温度漂移和零点漂移。R5作为补偿电位器，用于精确调节零点。温度漂移系数为25×10-6，制造商为各种传感器匹配了不同的补偿电阻，其内部电路连接如图12所示。
（4）温度采集电路
温度采集模块选用PT1000铂热电阻温度传感器。由于该传感器的电阻值随温度变化，因此可以通过间接测量铂电阻值的方式来采集温度信息。铂热电阻具有互换性好、灵敏度高等诸多优点，普遍应用于油井温度传感器。本文对PT1000铂热敏电阻温度传感器采集到的信号进行了调节，包括滤波和放大，以确保温度测量的精度。PT1000电路的示意图如图13所示。
（5）流量采集电路
涡街流量传感器被选为流量收集回路的地下流量计。其优点包括无需外接电源、高可靠性、高精度以及微型化等。单片机利用内置算法将这些数据进行时频转换，将从中获得的可靠的频率值与预设的流量参数进行比较，从而实现对配水芯子内部电机的控制，进而重新调节水嘴开度以控制流量。
然而，在涡街流量传感器中，流量信号强度较低。因此，需要使用滤波电路消除信号中的干扰，放大滤波后的信号，然后使用电压比较器将其转化为脉冲信号。利用滤波电路来去除信号中的干扰，并将经过滤波的信号进行放大，最终通过电压比较器将其转换为脉冲信号。
（6）驱动模块
敏捷性要有牺牲，不利于精细调控角度。而步进电机在突然启动时会出现震动，且需配合一对射光电耦达到停在固定角度的目的，应用不便。伺服电机可控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，其主要特点：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降[20]。伺服电机的转子速度由输入信号调节，可实现快速响应，用作自动控制系统中的执行元件，具有机电时间常数低、线性度高等特性。可将接收到的电信号转换成电动机轴中角位移或角速度输出。
（7）通信模块设计
地面控制器下传命令：地面控制器开关阀门发送序列，根据管柱内压力或流量改变序列，测控一体化配水器分析波形，判断命令并执行相应的命令。
地面向井下信号传输：地面控制器通过控制电控调节阀开关，建立注水井井筒压力波码及流量波码，测控一体化配水器感应压力波动完成解码，并执行相应指令，从而实现地面与井下远程无线通信。井筒压力波采用压力-时长的编码方式，控制调节阀开关产生高、低压力波，通过波形持续时间的长短可产生特定含义的编码，测控一体化配水器解析并执行此编码。
2.3地面控制单元设计
为达到井下和井上双向通信的目的，需设计地面控制单元，其具备以管线内的水为载体，基于压力、流量脉冲波的原理，与测控一体化配水器“交流”互动的功能。
2.3.1工作原理
地面控制器读取测控一体化配水器上传的数据：（1）测控一体化配水器开关水嘴，对产生的压力波、流量波进行编码，以井筒内的水为载体，并沿井筒上传信息；（2）管柱内压力或流量根据序列改变。
2.3.2流场分析
由于地面控制器的阀门有传递流量及压力信号的作用，故有必要对地面控制器阀门处的流场进行模拟计算，为获知其正常工作状态提供参考。采用ANSYS Work⁃bench中的Fluent模块，假设骨形部件垂直时角度记为0°,分别研究其旋转0°、45°和90°时的流场状态。
（1）模型创建
建立地面控制器流场模型如图14所示，采用四面体非结构性网格进行分析。
Fluent计算结果及后处理分析如下。
图15~16所示为转角为0°的Fluent计算结果。图15为地面控制器流场压力云图，其范围为10.99~11.02 MPa。图16所示为地面控制器流场剖面上的速度与压力云图。地面控制器流场的流速。的取值范围为0~5.58 m/s。
图17~18所示为转角为45°的Fluent计算结果。图17为地面控制器流场压力云图，其范围为10.95~11.06 MPa。图18为地面控制器流场剖面上的速度云图。地面控制器流场的流速。的取值范围为0~11.82 m/s。
图19~20所示为转角为90°的Fluent计算结果。图19为地面控制器流场压力云图，其范围为10.96~11.07 MPa。图20为地面控制器流场上的速度与压力云图。地面控制器流场的流速。的取值范围为0~13.09 m/s。
经流体仿真模拟可知，井口阀开度不同其内部流场状态有变化。相同条件下，0°、45°和90°转角时流场的最大压差为48 690 Pa，且井口阀开度越大，流场压差越小，符合节流压降规律，故地面控制器流场仿真结果可靠。
3结束语
本文根据目前的注水效率不高的问题，研究了一种装置，通过分析以及建模，对一些模块进行Fluent计算，结果如下。
（1）相同条件下，0°、45°和90°转角时流场的最大压差为48 690 Pa，且井口阀开度越大，流场压差越小，符合节流压降规律，地面控制器流场仿真结果可靠，能够更加精确地对产生的压力波、流量波进行编码，并以井筒水为载体，沿井筒向上传递信息。
（2）配水嘴水嘴开度越大，流场压差越小，符合节流压降规律，故配水嘴流场仿真结果可靠，进一步提高分层注水的效率。
（3）井下配水器的测控系统实现了对注水层工况的实时监测，从而减少了层间干扰，同时也提升了测试的精确度。
参考文献:
[1]杨清志,测调一体化分层注水装置设计[D].青岛:中国石油大学(华东),2018.
[2]周广艳.现阶段实现精细测试的几点做法[J].内蒙古石油化工,2014(1):68-70.
[3]张伟超.机械式智能分层注水工艺技术[J].化学工程与装备,2020(6):110-111.
[4]李刚,张永,李艾峰.同心配水器及配套系统设计及应用[J].清洗世界,2019,35(4):77-78.
[5]马雪.提高分层注水井注水量精度[J].内蒙古石油化工,2014(6):74-76.
[6]谷亚贞,王昌昊,安龙,等.力学分析确定非集流式流量计分层测试停测深度[J].石油工业技术监督,2007(9):54-56.
[7]樊建明,王冲,屈雪峰,等.鄂尔多斯盆地致密油水平井注水吞吐开发实践——以延长组长7油层组为例[J].石油学报,2019,40(6):706-715.
[8]吕建荣,谭锋奇,许长福,等.克拉玛依砾岩油藏储层分类特征及水驱油规律[J].东北石油大学学报,2015,39(4):21-30.
[9]陈星.配水器表面腐蚀缺陷特征研究及剩余寿命预测[D].大庆:东北石油大学,2023.
[10]Mitchell Anthony F,Skarsholt Line T.Advanced wells:How are they being used and are they creating value[C].16th SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium,2008(1):307-314.
[11]王香增,高涛,梁全胜,等.低渗致密油藏适度温和注水技术研究与矿场实践[J].西南石油大学学报(自然科学版),2022,44(4):62-70.
[12]张书宁.基于分层注入技术提高油田采收率研究[J].石化技术,2019,26(11):318-319.
[13]夏兵.精细分层注水技术的研究与应用[J].中国石油和化工标准与质量,2017,37(14):177-178.
[14]彭太祥.提高小配注量分注井计量精度对策研究[J].工业计量,2023,33(3):114-117.
[15]侯守探.常规偏心分层注水改进技术研究[J].石油天然气学报,2007(2):112-113.
[16]秦永辉.埕岛油田CB11区开发一体化治理技术研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2019.
[14]金振东.远程无线智能分层注水测调技术的开发与应用探析[J].化学工程与装备,2019(10):136-137.
[17]陈刚.同心配水器及其配套系统的设计及应用研究[D].西安:西安石油大学,2015.
[18]于大孚.智能可投捞式一体化配水器的研制[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2017.
[19]曹志洪.基于PLC和触摸屏的可焊性测试仪控制系统的研制[D].广州:华南理工大学,2013.
[20]张旭博,邓秋实,刘建康,等.缝合摩擦焊实验装置的电控系统设计[J].电子制作,2015(52):28.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
配水器扇形水嘴及其通信模块设计与仿真论文
人参与 2024-07-16 11:59:47 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
-
站内搜索
-
随机文章
-
标签列表
-
-
最近发表
-
-
热门文章 | 最新文章 | 随机文章
-
-
最新留言
-
首页 论文知识 教育论文 毕业论文 教学论文 经济学 管理学 职称论文 法学 理学 医学 社会学 物理学 文献 工程论文 学位论文 研究论文
Powered 团论文网 版权所有 备案号：鄂ICP备2022005557号统计代码
全站搜索