渤海油田遠(yuǎn)程無(wú)線智能注水工藝技術(shù)及應(yīng)用*

馮 碩 張藝耀 李 進(jìn) 譚紹栩 孫帥帥 畢 闖

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司)

0 引 言

渤海油田以淺層疏松砂巖油藏為主，具有強(qiáng)非均質(zhì)性特點(diǎn)的油藏較多，常規(guī)籠統(tǒng)注水無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效注水開(kāi)發(fā)。為了提高油田注水開(kāi)發(fā)效果，提高采收率，分層配注和調(diào)配工藝技術(shù)近年來(lái)在渤海油田的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。目前，渤海油田常用分層配注工藝技術(shù)主要為一投三分、空心集成、同心測(cè)調(diào)、同心分注和自提升式防返吐分層注水等[3-5]。近年來(lái)，大斜度井和大位移注水井在渤海油田占比逐年增加，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，占比超過(guò)20%的注水井為大斜度井或大位移井。常規(guī)注水井分層調(diào)配工藝主要通過(guò)電纜、鋼絲或動(dòng)管柱作業(yè)，其中電纜或鋼絲作業(yè)僅適用于60°以?xún)?nèi)井斜角的定向井[6-7]。因此，受井斜的影響，常規(guī)分層注水工藝無(wú)法滿足大斜度井和大位移井注水需求，且作業(yè)成功率較低，作業(yè)成本高。同時(shí)，無(wú)人平臺(tái)面臨注水井調(diào)配困難及施工成本高等難題[8-10]。因此，為了滿足大斜度井、大位移井和無(wú)人平臺(tái)注水井分層配注和調(diào)配的需求，研發(fā)和應(yīng)用了遠(yuǎn)程無(wú)線智能注水工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)線智能分層配注。

1 遠(yuǎn)程無(wú)線智能注水裝置

遠(yuǎn)程無(wú)線智能注水裝置主要由井下智能配水器、地面控制部分和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成，是一套無(wú)線可視化生產(chǎn)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控單井注水情況，可配合整個(gè)區(qū)塊注水與產(chǎn)量情況，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，有效改善儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)效果。

1.1 井下智能配水器

井下智能配水器主要通過(guò)接收井口控制器信號(hào)，依靠自身電路系統(tǒng)調(diào)節(jié)水嘴開(kāi)度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)注水量的目的，同時(shí)智能配水器還具備記錄壓力、溫度以及流量的功能。智能配水器由配水器控制供電系統(tǒng)、控制電路系統(tǒng)、軟件處理系統(tǒng)、工作狀態(tài)定位系統(tǒng)、電子壓力計(jì)、電動(dòng)可調(diào)水嘴和機(jī)械過(guò)濾器等構(gòu)成，具備壓力傳感器、溫度傳感器和流量計(jì)，可監(jiān)測(cè)地層壓力和溫度等數(shù)據(jù)，配備有可調(diào)節(jié)的水嘴，通過(guò)調(diào)節(jié)工作筒水嘴開(kāi)度可調(diào)節(jié)注水層注水量。該配水器采用高強(qiáng)度合金，具有良好的抗沖蝕和防結(jié)垢等特性。智能配水器工作筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—工作筒；2—檢測(cè)電路；3—電動(dòng)機(jī)；4—接收器；5—數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；6—電池；7—開(kāi)關(guān)器。

目前，智能配水器有三大系列可滿足各尺寸防砂封隔器的要求，其中單井最大注水量可達(dá)到3 000 m3/d，完全滿足渤海油田大部分注水井測(cè)調(diào)需求。智能配水器壓力工作范圍0～65 MPa，耐溫120 ℃，因?yàn)椴皇芫毕拗疲蔬m用于渤海油田大斜度井、大位移井或水平套管井的分層注水需求。井下智能配水器參數(shù)如表1所示。

表1 井下智能配水器參數(shù)Table 1 Parameters of downhole intelligent water injection allocator

1.2 地面控制部分

井口控制器是連接井下執(zhí)行器和電腦終端的中樞機(jī)構(gòu)，通過(guò)流量計(jì)和壓力計(jì)能夠完成對(duì)注水井井下數(shù)據(jù)的讀取，并通過(guò)相關(guān)通信模塊完成地面指令發(fā)送的任務(wù)。井口控制器總成包括流量計(jì)、調(diào)制解調(diào)器和壓力計(jì)。該部分的主要功能包括采集和傳送井下分層壓力與流量數(shù)據(jù)，自動(dòng)智能控制井下分層流量，按指令調(diào)整電動(dòng)可調(diào)水嘴的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)井下儀器的調(diào)試。井口控制器流量計(jì)的參數(shù)如下：測(cè)量精度1%，重復(fù)性?xún)?yōu)于0.5%，起始最小流量0.05 m3/h，最大量程50 m3/h，工作電壓220 VAC/12 VDC，功耗0.5 W，防護(hù)等級(jí)IP65。井口控制器壓力計(jì)的參數(shù)如下: 工作電壓12 VDC，功耗0.25 W，控制精度0.2%，壓力測(cè)量范圍0～60 MPa。井口控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 井口控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of wellhead controller

1.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是指智能分層注水控制系統(tǒng)，它主要由地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)、地面與井下智能配水器之間的通信網(wǎng)絡(luò)組成，可實(shí)現(xiàn)智能配水器與遠(yuǎn)程終端的雙向通信。智能分層注水控制系統(tǒng)主要功能包括控制中心與井口通信連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話；實(shí)現(xiàn)總流量、分層流量、流程壓力、注水壓力以及井口控制器狀態(tài)等遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的接收與控制；通過(guò)遠(yuǎn)程終端計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、分析和實(shí)時(shí)控制。

2 遠(yuǎn)程無(wú)線智能分層注水技術(shù)

遠(yuǎn)程無(wú)線智能分層注水技術(shù)地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要是通過(guò)壓電脈沖和編譯通信波實(shí)現(xiàn)井口控制器與井下智能配水器的雙向控制與通信；可通過(guò)地面布線或安裝SIM卡實(shí)現(xiàn)地面計(jì)算機(jī)或手機(jī)遠(yuǎn)程對(duì)智能配水器的監(jiān)測(cè)與控制，針對(duì)海上油田特殊情況，主要以地面計(jì)算機(jī)為主，實(shí)時(shí)反映各層注入壓力、水嘴開(kāi)度和注入流量等注水?dāng)?shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程智能信號(hào)波是完成井下井上信息傳遞的媒介，通過(guò)水嘴開(kāi)關(guān)，造成水嘴前后壓力變化，形成一條波，每5條波構(gòu)成一組信號(hào)波。由井上傳遞至井下的波叫指令波，由井下傳遞至井上的波叫狀態(tài)波。遠(yuǎn)程智能信號(hào)波原理如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程智能信號(hào)波原理圖Fig.3 Schematic diagram of remote intelligent signal wave

井上至井下的指令波：地面調(diào)制解調(diào)器連續(xù)關(guān)閉5次水嘴，關(guān)閉的時(shí)間長(zhǎng)短代表不同的指令。

井下至井上的狀態(tài)波：前兩波為數(shù)據(jù)類(lèi)型，后三波為數(shù)據(jù)值(其中第三波代表整數(shù)部分，第四波代表小數(shù)點(diǎn)，第五波代表小數(shù)部分。)

遠(yuǎn)程無(wú)線智能分層注水技術(shù)全程免投撈，通過(guò)遠(yuǎn)程操控井下執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)調(diào)作業(yè)，調(diào)配過(guò)程相較于普通分層注水簡(jiǎn)單，作業(yè)工期短，可實(shí)現(xiàn)后期調(diào)配低成本。可通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線控制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送，控制各層段的注水誤差，隨時(shí)讀取和存儲(chǔ)各層段注水壓力與注入流量等數(shù)據(jù)；同時(shí)井下智能配水器多達(dá)72個(gè)開(kāi)度，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)配和控制，確保注水誤差小于10%，全井注水誤差不超過(guò)5%。材質(zhì)上采用陶瓷水嘴，耐井下液體沖蝕，同時(shí)也能防止結(jié)垢。全程可視化注水與調(diào)配，可直觀讀取每層注水?dāng)?shù)據(jù)；可儲(chǔ)存記錄注水曲線，實(shí)現(xiàn)回讀歷史注水曲線，全面了解地層吸水規(guī)律。數(shù)字化管理，生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制與調(diào)配。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

K平臺(tái)為渤海油田首座智能無(wú)人化平臺(tái)。該平臺(tái)依托國(guó)內(nèi)現(xiàn)有無(wú)人化開(kāi)發(fā)模式，以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及視頻監(jiān)控為主要手段，生產(chǎn)流程和設(shè)備具備完善的智能控制條件，最大限度地減少了人員登無(wú)人平臺(tái)的頻率和相關(guān)作業(yè)時(shí)間。M井為該平臺(tái)沙河街組2井區(qū)的一口大位移注水井，一開(kāi)?406.4 mm井眼至652.00 m，下?339.7 mm套管至651.24 m；二開(kāi)?311.2 mm井眼至3 633.00 m，下?244.5 mm套管至3 629.80 m；三開(kāi)?215.9 mm井眼至完鉆井深4 424.00 m，下?177.8 mm尾管至4 419.60 m，最大井斜為68.3°。M井注水層位為東三段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ油組，射開(kāi)純油層27.2 m，分3個(gè)防砂段注水，設(shè)計(jì)最大井口注入壓力12.5 MPa，設(shè)計(jì)注入能力為374 m3/d。為了提高油田注水井注水的開(kāi)發(fā)效果，需按各層的配注量實(shí)施分層調(diào)配，M井整井設(shè)計(jì)日配注量為300 m3/d，其中第一段設(shè)計(jì)日配注量為115 m3/d，第二段設(shè)計(jì)日配注量為110 m3/d，第三段設(shè)計(jì)日配注量為75 m3/d。

M井968.57～4 424.00 m(井底)井斜超過(guò)60°，常規(guī)分層注水工藝無(wú)法滿足分層調(diào)配的要求，且在該無(wú)人平臺(tái)常規(guī)分層注水工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能調(diào)配，因此采用無(wú)線智能注水技術(shù)工藝。現(xiàn)場(chǎng)將井口控制器通過(guò)串聯(lián)的方式安裝在油嘴與流程之間，通過(guò)從電泵間連接電壓為4.5 V的電源線為井口控制器供電，通過(guò)連接另一條數(shù)據(jù)線至中控，中控電腦通過(guò)專(zhuān)用的調(diào)配軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下智能注水器的智能控制。

為了評(píng)價(jià)M井注入能力及油層吸水能力的大小，分析注水井工作制度及油層吸水能力的變化，通過(guò)智能分層注水控制系統(tǒng)調(diào)整井下智能配水器開(kāi)度至全開(kāi)狀態(tài)，對(duì)地層進(jìn)行全開(kāi)吸水指數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，第一層至第三層吸水指數(shù)分別為35、20和18 m3/ (d·MPa)，第一層吸水能力最好，第二層和三層次之。

表2 M井吸水指數(shù)測(cè)試Table 2 Injectivity index test for Well M

在地層吸水指數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，為了提高注水開(kāi)發(fā)效果，需要按照表3所示設(shè)計(jì)配注量調(diào)節(jié)井下流量：關(guān)第三層配水器，關(guān)第二層配水器，按照配注調(diào)整第一層配水器；開(kāi)啟第二層，按照地質(zhì)配注調(diào)整第二層配水器；開(kāi)啟第三層，按照地質(zhì)配注調(diào)整第三層配水器。

表3 M井流量調(diào)配數(shù)據(jù)Table 3 Flow allocation data for Well M

通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)配，井下配水器第一層開(kāi)度為2，第二層開(kāi)度為8，第三層開(kāi)度為1；在井口壓力為11.3 MPa時(shí)，第一、二、三層均達(dá)到設(shè)計(jì)配注量的配注要求，且與設(shè)計(jì)誤差小于1%。最終調(diào)配結(jié)果如表4所示。地面調(diào)配軟件實(shí)時(shí)界面如圖4所示。

表4 最終調(diào)配流量對(duì)照Table 4 Comparison of final allocated flow rates

圖4 地面調(diào)配軟件實(shí)時(shí)界面Fig.4 Real-time interface of ground allocation software

同時(shí)，通過(guò)地面流量計(jì)和井下流量計(jì)的流量對(duì)比，校核井下配水器流量顯示的準(zhǔn)確性，結(jié)果如表5所示。由表5可知，地面流量計(jì)與井下配水器流量計(jì)顯示誤差較小，滿足作業(yè)要求。M井于2019年10月26日投注，初期配注300 m3/d，實(shí)際注入量302 m3/d，井口壓力7.0 MPa，注水正常。截至2021年1月21日，M井井口注入壓力11.5 MPa，注入量286 m3/d，注水正常。

表5 地面流量與井下流量對(duì)照Table 5 Comparison between ground flow rate and downhole flow rate

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)渤海油田大斜度井、大位移井和無(wú)人平臺(tái)分層配注與調(diào)配困難的技術(shù)難題，研究開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程無(wú)線智能注水工藝技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，該技術(shù)具有注水井實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、在線調(diào)配和控制的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)智能化注水。

(2)遠(yuǎn)程無(wú)線智能注水工藝技術(shù)在渤海油田M井首次成功應(yīng)用，解決了無(wú)人平臺(tái)及大斜度井分層調(diào)配困難的難題，滿足了該井分層配注和調(diào)配需求。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，遠(yuǎn)程無(wú)線智能注水工藝實(shí)現(xiàn)了無(wú)井斜限制、井下無(wú)電纜控制、無(wú)需鋼絲或電纜作業(yè)，既保障了調(diào)配的精度和成功率，又實(shí)現(xiàn)了渤海油田注水工藝智能化，可為油田智能化、數(shù)字化和無(wú)人化控制提供參考。