0 引言

长庆油田致密油具有储层非均质性强、地层压力低和天然能量不足等特点，需补充能量开发，同时水平井通过体积压裂后缝网系统更加复杂，注水开发易见水。为探索致密油合理的能量补充方式，2014年以来，通过在安83区先后开展7口井的水平井注水吞吐先导性试验，取得了一定效果。但同时也存在一些问题：安平19井笼统注水吸水剖面测试中，吸水剖面矛盾突出。为此，油藏上提出多段分注的需求，以进一步提高水平井吞吐注水效果。

国内油田2006年开始进行水平井分注工艺技术研究^[1-3]，先后在胜利、吉林和大港等油田均有所应用。胜利油田研发了3段集成注水管柱，集成配水封隔器和局部双管注水结构设计，采用连续管进行测试，实现高效测调；吉林油田研发了水平井井下分注工艺管柱，采用连续管实现水嘴更换和测试调配工艺；大港油田采用压力控制开关分注器实现2段分注^[4-8]。这些工艺均存在后期测试调配成本高以及无法实时监测地层数据等缺点。因此，结合长庆致密油水平井开发特点，借鉴其他油田经验，基于数字式智能分注研究与试验，研发了水平井吞吐智能配水器。该产品实现了分层流量井下自动测调、后期无需测调、生产数据(流量、温度、压力)实时存储以及兼顾地层压降测试功能，可最大程度满足水平井吞吐分注及测试要求。

1 技术分析 1.1 结构

水平井吞吐智能配水器主要由电池组及管理模块、无线通信模块、主控制模块、参数监测模块和流量调控模块5部分组成，其结构如图 1所示。

无线通信模块包括天线、无线模块和通信电路等，实现配水器与地面控制系统间参数的无线设置及读取。电源模块包括电机供电用电池组和电路板供电用电池组。主控单元包括整套配水器各功能模块的控制电路，实现整体调配工作的核心控制。

参数监测单元包括1支温度传感器、2支压力(油管内压力及油套环空间压力)传感器、井下涡街流量计以及电机，实现电池组工作电压和电流等参数的监测。流量调控单元包括直流减速电机、传动轴系及流量调节阀。

1.2 工作原理

水平井智能配水器下井前，在地面上通过控制系统设置分段配注量、测调周期和采样间隔等参数，下井后配水器内的涡街流量计对分段注水量进行精确监测，当到达预设的自动测调周期时，智能配注器开始将预设分层配注量与实际测得的流量数据进行比较，若实际流量误差超过允许误差限度，则控制电机驱动螺杆运动，带动调节阀阀芯移动，调整阀芯与阀体间过流面积来控制电路调节水嘴开关的大小，以达到精确的配注，在免施工的情况下实现水平井分段流量的实时监测与调节。

2 关键结构设计及强度校核 2.1 关键结构设计 2.1.1 总体方案设计

为保证水平井正常注水及管柱下井过程中的通过性，水平井吞吐智能配水器要求在ø40~ø114 mm之间进行设计，且系统传动部分采用偏心形式，各段外壳需分别加工后串接在一起。通过分析，为便于机械加工和装配，在保证密封可靠的前提下，配水器总体结构采用中心管连接+外壳密封方式设计，如图 2所示。

2.1.2 电机驱动轴系设计

由于配水器设计空间较小，既要满足强度和刚度要求，又要做到结构紧凑，而且在调节流量调节阀过液通道开度时要有较大的轴向力，通过传动轴系，利用产液调节阀中的丝杠螺母机构将旋转运动转化为阀芯的直线运动，从而控制阀门的开度，实现分层定量配产。通过综合考虑分析，驱动轴系的装配示意图如图 3所示。

2.1.3 井下密封方案设计

由于配水器是在井下高温(85 ℃)、高压(45 MPa)的环境下使用，各电气元件必须做到防水、防油。主要考虑驱动轴在调节流量工作时会发生转动，需要动密封，采用车氏密封圈作为动密封部件，增加垫片和挡环等形成组合动密封结构，其耐压70 MPa，耐温-55~250 ℃，允许速度9 m/s。静密封主要考虑是在各环空腔体连接处，采用2~3个耐高温、高压的氟橡胶O形密封圈组合密封，可承受压力45 MPa，工作温度-35~200 ℃。

2.1.4 中心管及各环空腔体设计

中心管作为连接部件，受地层15 MPa左右的压力作用，同时要保证注水通道，因此选择40Cr材料以保证足够的刚度和强度。各环空腔体内装有电路板、电机、传感器和流量计等结构单元，将其套装在中心管之上通过腔体与中心管之间的连通孔作为产液流道，实现油管内流体与地层之间的传输，从而进行可控开采。

2.1.5 可调水嘴的结构设计

根据长庆油田注水需求，可调水嘴的出水口面积在0~35 mm²即可满足使用要求。为了避免应力集中及水嘴堵塞，出水口采用单孔结构，阀芯采用120°形式，为保证注水量及过滤功能，配水器采用8个节流缝的进水口。

2.2 强度校核 2.2.1 电机扭矩校核

根据Fluent数值模拟结果，配水器工作过程中，阀芯所受的最大轴向力F_max=1 562.9 N，流量调节阀内丝杠螺母机构螺纹的中径d₂=12.5 mm，当量摩擦因数f=0.15，根据公式：

(1)

式中：F为轴向载荷，F=F_max=1 562.9 N；T为丝杠驱动力矩，N·m；ρ为当量摩擦角，8.53°；α为螺纹升角，2.92°。

计算得到i_p=780.0，考虑高温环境，则丝杠螺母机构所需要的驱动力矩T=2.4 N·m；由于所选电机额定扭矩T_N=8.0 N·m，那么T < T_N，故电机扭矩满足要求。

2.2.2 轴承强度校核

为限制滚动轴承的塑性变形量，应校核轴承承受静载荷的能力。滚动轴承的静强度校核公式为：

(2)

式中:S₀为静强度安全系数，S₀=0.8~1.2，此处取1.1；F₀为当量静载荷，N。

通过计算，C₀=920>S₀F₀=1.1×250=275(N)，轴承静强度校核达到要求。

2.2.3 阀芯有限元分析

结合实际校核需求，对阀芯建模进行有限元分析，结果如图 4所示。

通过分析得出，阀芯前端的变形量最大，为4.47×10^-7m，阀芯末端变形量较小；阀芯各个点最大的应变为1.04×10^-4 < [ε]=(3~5)×10^-4；阀芯所受最大应力为σ_b=56.8 MPa < 氧化锆陶瓷的强度极限[σ_b]=1 150 MPa，故满足使用要求。

同时，还对轴承寿命、传动轴的危险截面疲劳强度、驱动轴的轴向压缩变形、销轴的剪切强度与挤压强度进行校核，结果均满足设计要求，符合实际生产需求。

3 性能检测及现场应用 3.1 性能检测

水平井智能配水器装配完成后，分别对其静密封性、动密封性、耐高温高压性、流量计性能以及压力传感器等性能进行室内评价试验。

3.1.1 静密封试验

水平井智能配水器装配完成后放入缸体内进行加压试验，压力从0逐渐增加到60 MPa，并分别在压力升高到10、20、30、40、50和60 MPa时，维持一段时间，观察压力表变化(见表 1)。试验数据表明水平井智能配水器在60 MPa的压力下静密封效果良好，满足井下高压环境下的密封要求。

3.1.2 动密封试验

水平井智能配水器装配完成后进行动密封试验，压力分别升高到15、30和45 MPa时，对可调水嘴进行开、闭动作2次，观察可调水嘴运作状态(见表 2)。试验数据表明，水平井智能配水器在45 MPa的压力下可调水嘴能够正常动作，密封性能、封堵效果及整个系统的工作性能良好，完全能够满足设计要求。

3.1.3 耐高温性能检测

将水平井智能配水器置于电热恒温箱中，逐渐升温至120 ℃恒温保温24 h，保温前、后，设备工作正常，符合使用要求。

3.1.4 耐压性能检测

将水平井智能配水器置于压力测试缸内，从常压升至45 MPa，保压24 h后，设备仍正常工作，连接串口检查存储数据完全正确。

3.1.5 流量计标定试验

调节变频获取各流量值，以标准流量计作为参照进行涡街流量计标定，标定完成后进行流量计重复性测试，拟合标定曲线及重复测试曲线，2次测试曲线线性度良好，重复性满足使用需求。测试标定数据如表 3所示。

3.1.6 压力传感器性能检测

将2支压力传感器并联在检测工装上，通过液压泵对工装进行加压，比对压力传感器显示值及参考压力表数值，线性度良好且误差范围满足使用要求，视为合格。测试结果显示，压力传感器精度保持在-0.32%~0.93%范围内，线性度良好(见表 4)。

3.2 现场应用

2016年在长庆油田水平井成功开展3口井的现场应用，管柱起出后对水平井吞吐智能配水器的各项性能进行检测，结果均正常，初步实现了分层流量自动测调与生产参数实时存储，最大程度满足了水平井吞吐分注及测试要求。

新平50-11井采用水平井吞吐智能配水器成功开展了3段智能分注，2016年8月7日开注，日注水103 m³，吞吐注水42 d，累计注水4 326 m³，注水正常。2016年9月19日起出工具后对井下集成流量计、压力、温度传感器进行检测，各项性能指标均正常。

压力和流量监测数据分析表明，水平井吞吐智能配水器在井下能自动开启，能实时监测井下压力和流量数据(见图 5和图 6)，反应地层压力和流量的变化情况。

4 结论与认识

(1) 研发的水平井吞吐智能配水器可以实现分层流量井下自动测调、后期无需测调、生产数据(流量、温度和压力)实时存储、兼顾地层压降测试功能，可最大程度满足水平井吞吐分注及测试要求。

(2) 室内试验及现场应用结果表明：水平井吞吐智能配水器各项性能可靠，均满足水平井吞吐智能分注的现场试验需求，初步达到了预期目标。

(3) 国内外水平井分段注水目前仍处于摸索阶段，随着水平井吞吐分注技术的不断推广，水平井吞吐智能配水器必将具有更加广阔的应用前景。