大慶油田電纜直控實時監測注水技術研究與應用*

佟音 宋興良 金振東 張偉超 徐文林 劉軍利

（1.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室）

大慶油田開發進入特高含水后期階段，儲層中剩余油分散，油與水動態關系復雜且不穩定，難以長期保持注水合格率。在精準注水精準開發的需求下，分層注水井數逐年增長，分注層段愈加精細。目前高效測調分層注水技術是油田注水開發的主體技術，該技術較上一代鋼絲測調分注技術在測調效率方面有了一定程度的提高，但1口7層段分注井的測調時間仍需要4 d左右，測調效率仍需要提高。受測調效率不高和測試隊伍不充足的影響，在當前分層注水技術背景下，測調周期一般為4個月，測試間隔時間長，無法保證各分注井的注水合格率，必然會影響油田注水開發效果。同時四個月測試一次井下的參數，測取的數據無法準確反應儲層的動態變化，不能滿足精準開發對數據的需求。常規分層注水技術（包括高效測調注水技術）之所以測調時間長，主要有三個原因：一是需要向井筒內下入測試儀器，調整儀器位置和提/撈過程耗費時間；二是測調完當前層，其它層段的注入量又有變化的可能，需要反復測試；三是需要測試人員和車輛都到現場[1-3]。為此，攻關形成了電纜直控實時監測注水技術，不需要下入測試儀器，操控軟件實時監測各層段井下參數，并實現在辦公室用戶端對分層注水井的遠程無線控制[4-6]。

1 工藝設計

1.1 總體思路

電纜直控實時監測注水技術工藝示意圖見圖1。其中電纜、過電纜封隔器、智能配水器是井下管柱的核心組成部分，服務器、Mcwill網絡、中轉站是地面無線遠程控制的核心組成部分。技術人員在辦公室用戶端發送操控指令，通過Mcwill網絡將指令發送至地面控制站，再以電纜作為向井下供電和通信的媒介將指令發送至井下目標層段的智能配水器，智能配水器接受到指令后可進行井下注入壓力、地層壓力、溫度、流量、流量控制閥開度大小以及設備自身參數的采集，并通過電纜、地面控制站、Mcwill網絡將上述數據反饋給用戶端。根據需求，設定參數采集周期和臨界值預警監測，實現不到現場、不下入儀器，實時監測井下參數動態變化，遠程、快速完成測調。

圖1 電纜直控實時監測注水技術工藝示意圖Fig.1 Process diagram of water injection technology for cable direct control real-time monitoring

1.2 智能配水器機械結構設計

智能配水器是電纜直控實時監測注水技術的核心單元，能夠實現監測注入壓力、地層壓力、注入量，通過流量控制閥調節注入量，主要組成有以下幾個部分：流量計、壓力計、流量控制閥、上接頭、集線機構、下接頭，智能配水器結構見圖2。其中，流量控制閥、流量計、壓力計均采用螺紋連接的方式分別安裝于上接頭上，使用穩定支撐桿和集線機構對其進行固定，以達到穩定流量控制閥、流量計、壓力計機械結構的效果。針對于數據傳輸和供電功能，采用單芯電纜傳輸，設計配水器兩端電纜結構，并使用固定密封組件對其進行固定。

圖2 智能配水器結構示意圖Fig.2 Structural diagram of intelligent water distributor

流量控制閥是智能配水器調節注入量的執行機構，其工作原理為電動機通過傳動軸使絲杠運動，絲杠的運動導致動閥芯與靜閥芯的相對位置改變，實現過流面積的改變。通過在聯軸器上設計磁鋼，實現流量控制閥開度的測量，進而實現準確控制。智能配水器主體為U型通道結構，在完成連通工藝孔的加工后，進行工藝孔的封堵，保留U型通道流體從濾網進入流量計，流經主體的U型通道，受流量控制閥的閥芯控制進入地層，通過閥芯的軸向移動，實現單層流量控制[7-9]。

1.3 測控電路設計

智能配水器測控電路組成示意圖見圖3。其中，單片機測控系統是整個測控電路的核心；指令信號前置處理單元用于來自地面傳送來的指令或數據信號的拾波、濾波、放大、整形、處理；數據信號功放載波單元用于井下數據信號的功率放大后，載波于供電傳輸給地面；纜頭電壓取樣單元輸入電壓按比例分壓后，傳輸給單片機控制系統發送給地面；功率放大驅動單元用于控制驅動變速直流電動機；流量線路單元、地層壓力線路單元、管柱壓力線路單元、溫度線路單元分別將流量傳感器、地層壓力傳感器、管柱壓力傳感器、溫度傳感器測量的信號處理后傳輸給單片機控制系統并發送給地面；穩壓電源模塊將來自單芯電纜的供電，降壓、穩壓并輸出+12 VDC、-12 VDC、+3.3 VDC、+48 VDC，供井下各用電單元。

圖3 智能配水器測控電路組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of circuit relationship of intelligent water distributor

1.4 遠程控制系統設計

為及時獲取井下智能配水器采集到的分層壓力、流量數據，以及實現對井下智能配水器分層流量的實時調整，研發了地面無線遠程控制系統。在井口附近安裝地面控制柜并在其中安裝地面控制箱，用于對井下智能配水器進行數據獲取及流量控制；在地面控制箱上安裝無線傳輸模塊，用于將數據傳輸到油田生產無線網。油田生產無線網是油田生產網的無線擴展部分，與油田生產網為同一網段，但與油田辦公網互相隔離不能直接通信，而用于查看井下數據及進行測調的計算機位于油田辦公網，因此，將無線遠程控制系統的服務器部署于油田生產網及油田辦公網之間的隔離區（DMZ），辦公室的控制電腦通過油田辦公網連接到隔離區的服務器，進而連接到油田生產網中的地面控制箱，從而實現對井下智能配水器分層流量的實時調整。地面無線遠程控制系統網絡結構見圖4。

圖4 地面無線遠程控制系統網絡結構Fig.4 Network structure diagram of ground wireless remote control system

整個系統采用模塊化設計，各個分析模塊相互獨立，系統主要由以下功能模塊組成：數據遠程傳輸模塊、流量遠程調控模塊、數據多樣化圖表展示模塊、異常信息報警模塊、與現有生產系統數據接口模塊、實時數據存儲模塊以及權限控制模塊。系統除手動控制外，還實現了對井下分層流量的自動測調、自動巡檢、在線驗封、測靜壓實時監控反饋等功能，實現對注水井的全過程管理，根據獲取到的實時返回數據，及時發現注水井各層段注水狀況，有效的處理注水井發現的問題，節省大量的人工、設備開銷。

2 實驗與分析

2.1 智能配水器室內實驗

2.1.1 密封實驗

智能配水器內部有大量電子元器件，當有水進入到測控電路板，就會引起電氣短路以致整套智能配水器失效，為此在井下高壓環境下各密封接口能否保證密封效果至關重要。實驗步驟為：將智能配水器置于實驗套管內，打壓35 MPa，通信測試，穩壓24 h，取出配水器。密封實驗結果分析分兩個方面：一是在打壓過程對智能配水器進行通信測試，通訊正常并且各個參數按照設計要求返回為合格；二是對智能配水器進行拆解，內置的流量控制閥、壓力計、流量計以及測控電路均無滲漏為合格[10]。

2.1.2 綜合模擬實驗

為驗證電纜直控實時監測注水技術的綜合性能，在分層開采實驗室進行綜合模擬實驗。實驗步驟為：模擬注水井管柱連接智能配水器/過電纜封隔器/油管等，用電纜將智能配水器連接并從過電纜封隔器穿出，通至井口并固定；啟動實驗室高壓分層注水實驗系統，通過調節高壓注水泵運行頻率，測試智能配水器流量計/壓力機測量范圍及精度，測試流量控制閥漏失量及開關有無卡頓，智能配水器室內綜合模擬實驗見圖5。試驗結果：用戶端與智能配水器通訊良好，數據及指令傳輸穩定；流量計測量范圍：0～150 m3/d，測量精度：±3%FS；壓力計測量范圍：0～60 MPa，測量精度：±0.1%FS；流量控制閥開關過程平穩無卡頓，在10 MPa壓差下漏失量為0。試驗表明，電纜直控實時監測注水技術滿足設計要求。

圖5 智能配水器室內綜合模擬實驗Fig.5 Indoor comprehensive simulation experiment of intelligent water distributor

2.2 現場試驗

2.2.1 單項功能試驗

1）壓力、流量監測功能。應用電纜直控實時監測技術，可監測到注水井井下注入流量、咀前壓力和咀后壓力的實時動態變化。根據注水要求，可通過調節智能配水器內的流量控制閥來調節分層注入流量。壓力流量監測和注水指示曲線見圖6。

圖6 壓力流量監測和注水指示曲線Fig.6 Pressure flow monitoring and water injection indication curve

2）在線驗封功能。以A井為例，若要對A井Ⅰ層和Ⅱ層之間的封隔器是否密封，可關閉Ⅰ層的流量控制閥（Ⅱ層流量控制閥狀態不變并保證未完全關閉），實時監測咀前壓力、咀后壓力和注入流量，A井驗封曲線見圖7。Ⅰ層的咀后壓力不隨咀前壓力的變化而變化，Ⅱ層的咀后壓力隨咀前壓力的變化而變化，并且在Ⅱ層流量增加的情況下Ⅰ層流量降低。A井Ⅰ層和Ⅱ層之間的封隔器密封，利用電纜直控實時監測技術進行在線驗封，快速且準確。

圖7 A井驗封曲線Fig.7 Sealing inspection curve of well A

3）遠程無線控制功能。目前地面遠程控制系統平臺已投入使用，現場100余口井已納入平臺管理。系統可遠程實時監測注水井井下數據，并根據設置的目標值自動調節。系統同時具有歷史數據存儲和顯示功能、在線驗封功能、異常信息報警功能以及批量數據處理功能等，地面無線遠程控制系統操控界面見圖8。當前系統每12 h自動錄取一次數據，共采集數據20萬余組，為技術人員優化注水方案提供數據支持。

圖8 地面無線遠程控制系統操控界面Fig.8 Control interface of ground wireless remote control system

2.2.2 經濟效益及前景分析

1）開采回收率分析。電纜直控實時監測技術所應用的130余口井，如果采用原有分注技術，預計產油43.64×104t，產生效益5.6億元，按照平均單井日注入50 t計算，累計消耗992.8×104t注入水，花費5 510.04萬元，開采回采率10.16%。應用電纜直控實時監測技術4 a后，累計產油46.83×104t，產生效益6.06億元，按照平均單井日注入50 t計算，累計消耗992.8×104t注入水，花費5 510.04萬元，開采回采率11.00%，提升效果明顯。

2）勞動生產率分析。進行注水井測調時，原技術需要3人組成專業測試班組進行現場測試，7段井測調時間平均為3.9 d。應用電纜直控實時監測技術，僅需1人再辦公室即可完成對井下生產參數的加測及調控，7段井測調時間在1 h以內，勞動生產率大幅度提高。

3）節約成本分析。應用電纜直控實時監測技術，不再需要專業隊伍到現場去驗封、測調，所以可以節約驗封費用、測調費用、測試車輛費用以及測試人員費用。

4）節水減排分析。針對試驗區層間矛盾突出、無效循環嚴重問題，利用智能分注技術精準調控，測調精度由±30%提升至±10%，保證高滲透層注水精準控制。以A試驗區為例，該試驗區共20口智能注水井，運行1 a以上，日注水量由869 m3降至669 m3，明顯下降，而連通油井產量基本保持不變。統計應用電纜直控實時監測技術所應用的130余口井，含水比預期下降0.5%，按照平均單井日產液50 t計算，連通的油井年減少處理水量2.73×104t，節水效果顯著。

3 結論及應用前景

1）電纜直控實時監測注水技術實現了井下分層流量、壓力遠程實時監測及連續調節，具備在線測試分層指示曲線及在線驗封等功能，大幅度提高了測調效率。

2）電纜直控實時監測注水技術節約了驗封、測調費用、測試車輛及人員費用，同時增油、節水，經濟效益顯著。

3）電纜直控實時監測注水技術達到了通過科學精確的注水來提高采收率和降低成本的要求，提升了油田注水控制系統自動化和智能化管理水平，隨著大慶油田數字化、智能化發展，應用前景巨大。

4）下一步建議擴大現場試驗規模和遠程控制系統的覆蓋率，實現操作人員由“藍領”向“白領”的跨越。