恒流注水技术研究与应用

大庆油田自60年代开始进行注水开发, 注水管网一般采用树状结构, 随着注水泵的启停和干线单井维修、洗井等情况的变化, 管网、干线压力也会经常波动, 造成单井注水量的变化, 注水质量无法得到保证, 影响注水开发效果;另外, 注入压力变化会造成注水管柱蠕动, 影响管柱分层效果。根据以上问题, 笔者进行了注水井恒流注水技术的研究, 并进行了现场应用。

一、思路方案

恒流注水的思路方案是利用机电、液力等控制技术, 对注水井井口 (图1) 的“流程控制阀1”和“控制阀”进行改造, 保证单井注入量在干线压力波动时保持恒定。

二、三种恒流技术的比较

1. 智能电动注水调控系统

(1) 结构原理

该装置由电机控制机构和电子自馈机构组成 (图2) 。可进行注水单井的瞬时流量、压力、温度等数据的监测和输出, 并可根据需要设计软件进行实时跟踪、调控、报表生成、输出等一系列功能。

(1) 电机控制机构

该机构主要是通过电机控制阀门开度, 改变阀门的过流面积, 实现流量的调节。通常可采用球阀, 如控制需要更精确, 可采用闸板阀。

(2) 电子自馈机构

该机构为单片机, 具有压力、流量监测单元, 和智能判断功能, 首先通过人为设置流量、压力等参数, 该机构会将这些参数与检测到的实际参数进行比较, 输出控制信号给电机控制机构调节水量大小。

(2) 技术特点

一是自动化程度高, 能够取代井口二次表, 可以通过智能远传或GPRS网络连接实现远程控制。

二是需要水井井口接电, 设备一次投入较高, 但是流量控制更加精确, 降低了人员工作强度, 有效提高工作效率。

2. 重力平衡式恒流控制装置

结构原理

它是应用水力学实现机构的自动调控, 使油压的变化直接消耗在调压腔内, 保证恒流注水 (图3) 。

系统保持平衡的条件为

G——平衡块重量N

F——平衡块浮力N (由于平衡块为铁件, 该值可以忽略不计)

A——水咀横截面积m2

S——水咀流通横截面积m2

P——来水压力Pa

1——注入压力

装置压差为:

将 (1) 和 (3) 式联立, 即可得到

由于平衡块为恒定重量, 对于设计好的水咀, 则流量Q也为一常量, 当需要改变流量时, 只需调整平衡块重量即可。

3. 机械式自馈可调井口恒流装置

工作原理

自馈式可调井口恒流装置结构如图4。对于一定孔径的水咀, 通过水咀的流量Q与水咀两端的压差有关, 即流量随着压差的改变而改变。若使流量Q恒定, 需保证水咀两端的压差保持恒定。

所以流体对水咀的正向力:

式中, S为水咀的面积。

弹簧的弹力

式中k1——弹性系数;

△x——弹簧位移。

由于弹簧是被压缩了的, 在微小的变化范围内其弹力的变化量很小, 基本为恒定值。当F>f时, 水咀向上移动, 并遮蔽出水孔, 使流体的流量下降, 直到F=f为止。如下述关系:

对于设计好的恒流装置, 过流系数、水咀直径、过流面积都是固定不变的, 因此流体的流量基本维持在恒定范围内。

启动压差为:ΔP=f/S

该装置结构简单、紧凑, 尺寸与常规阀门规格一致, 一次性投入小, 便于更换。

三、现场应用情况

通过对比, 我们选择了自馈式可调井口恒流装置进行了现场试验。

在北1-11-BW272井试验情况, 原井配注90m3/d, 在现场控制泵压, 可以看到其流量变化最大偏差为6.7%, 能够满足全井注入量的允许范围±10%以下。

为了进一步试验恒流调节装置的性能, 将调节阀继续开大, 当流量达到120m3/d附近后, 调节泵压, 该井注入量最大流量偏差为5% (图5)

通过初步试验可以看出, 在不同压力下, 井口注入量未发生较大的变化, 实现了注水实时恒定。

四、几点认识

1.恒流注水技术能够在一定程度上缓解管网压力波动对单井造成的影响, 另外, 降低了管井人员的工作强度, 更是对于提高注水合格率, 保证水驱开发效果具有重要意义。

2.智能电动注水系统更加适合配水间单井单泵供水的情况, 既可以解决其电力问题, 并且避免了恶劣环境对硬件的损害;重力平衡式恒流注水装置体积较大, 同时需要对井口采油树结构进行改造, 不适合大面积应用。

3.自馈式可调恒流装置具有结构简单, 操作容易的特点, 在油田具有较好的推广应用前景。

摘要：注水井的注入压力随着时间、季节的变化, 配注量也随之变化, 给管理带来一定困难, 同时也影响了地质开发效果。本文针对这个问题, 介绍了三种井口恒流装置, 并进行了比较、优选, 同时进一步开展了现场应用试验, 见到了一定的效果。

关键词：注水井,稳流注水,注水工艺

参考文献

[1] 李壮云葛宜远.液压元件与系统.机械工业出版社.

[2] 机械设计手册编写组.机械设计手册[M].第5卷, 1981.

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[4] 伍建林李著信等.注水井恒流定量注水工艺的理论与实践.石油机械.2005年33卷4期.