數字式分層注水實時監控系統的設計與應用

胡改星, 姬振寧, 刁廣智, 馮杰瑞, 汪廣輪, 靳筱宣, 王爾珍

1中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 3中國石油長慶油田分公司第五采油廠 4中國石油長慶油田分公司第十二采油廠 5中國石油長慶油田分公司第二采油廠

0 引言

分層注水是保持油氣儲層壓力，改善油田開發效果的有效方法[1- 3]。目前國內油田的分層注水主要采用“橋式偏心注水管柱+電纜直讀測調”方式[4- 5]，但對于水平井的測調存在電纜下入困難等問題，采用地面/井下數據的雙向無線傳輸、注水流量監測、水嘴開度智能調控的數字式分層注水實時監控技術可以解決這一難題[6- 9]。長慶油田地處鄂爾多斯盆地，具有典型的“低滲、低壓、低產”特點，水驅產量達96%以上，目前采取定時定點的傳統測調方式，數據呈點狀分布，無法為儲藏分析提供連續監測數據，通過自主研發“流體波碼通訊+井下自動測調”數字式智能分層注水技術，實現了地面與井下雙向數據傳輸和注水過程的連續監控，數字化分層注水實時監控系統的設計包括系統組成、地面/井下的無線通訊、注水量的智能測調與監測、數據的遠程傳輸與管理等。

1 數字式分層注水實時監控系統組成

數字式分層注水實時監控系統由井下智能配水器、地面裝置和數據的遠程無線傳輸模塊組成，如圖1所示。地面與井下信息的傳輸采用流體波碼通訊方式，利用地面與井下配水器電控閥開度調制流量來改變井口與井下壓力，實現地面控制命令與井下注水數據的雙向無線傳輸。井下多個智能配水器串接實現分層注水，各配水器之間通過封隔器隔離。智能配水器進行地層注水流量的自動調節、電控閥壓差測量、數據存儲并通過調節配水器電控閥開度實現數據的上傳；地面裝置實現注水管流量調節、向井下配水器發送指令，完成井下上傳信號的接收與處理；數據遠程無線傳輸模塊將注水管流量、配水壓力、各注水層流量、井下壓力等實時監測的數據通過無線網絡遠程傳輸至監控中心。

圖1 數字式分層注水實時監控系統

1.1 井下智能配水器

智能配水器由中心過流通道、機電一體化水嘴、壓力檢測傳感器、流量計、電路板電池、電機電池、主控電路等組成，見圖2，電控閥由電機驅動，閥出口接水嘴，電控閥和水嘴組成通流面積可變水嘴(可調水嘴)。智能配水器具有地面下傳命令的接收、注入層流量計算、電控閥開度自動調整、快速改變電控閥開度實現數據調制與上傳的功能；配水器工作啟動流量為1 m3/d，測試精度2%，電池容量可滿足井下正常工作4年。

圖2 井下智能配水器結構

智能配水器下井前，在地面設置復位壓力、外加壓力、水嘴延遲開啟時間、自動測調周期、采樣間隔等參數，檢測正常后下井；正常注水時，智能配注器按照預設參數，自動測試調節分層注水量、自動封隔器驗封、自動分層壓力測試，長期監測井下分層動態數據，全過程免人工作業，提高分注過程自動化水平。

1.2 地面裝置

地面裝置包括泄壓閥、磁電流量計、井口電控閥、井口壓力傳感器、信號處理與數據解碼模塊等，見圖3。地面裝置完成注水井流量控制、井口壓力控制、數據通訊，通過快速調節井口電控閥開度向配水器發送指令，指示其改變注水流量或向地面發送數據，進行井下上傳信號的接收、處理與數據顯示。

圖3 地面控制系統結構示意圖

1.3 數據遠程無線傳輸

遠程控制系統由IP模塊服務器、數據采集服務器、控制客戶端、數據上傳軟件組組成，借助油田內部網絡作為通訊通道，實現對分注井的遠程監測。井下智能配水器下至設計位置，地面系統按照要求改造安裝完成后，在中控室設立專用服務器并安裝智能注水客戶端軟件，單井地面控制系統中設置相應的IP，實現無線遠程監控及數據的采集分析。主要監控的動態數據包括：井口配水壓力、井口注水壓力、注水管流量、累計流量、分層注水壓力、分層流量、累計分層流量等。

2 關鍵技術的應用

2.1 流體波碼無線傳輸技術

2.1.1 地面命令的下傳

地面控制系統通過規律性地改變井口電控閥開度使注水管流量發生脈沖狀變化，建立注水井井筒壓力波碼，給井下智能配水器傳送信號，實現地面至井下的指令傳送。井下智能配水器通過檢測此種規律性的壓力或流量波動并完成解碼，并將其轉換為控制信號來控制測調水嘴。

2.1.2 井下至地面的數據

井下智能配水器通過規律性地改變電控閥開度，使注入地層的流量呈脈沖變化，進而引起注水流量及井口壓力的波動，將井下分層流量、電控閥前、后壓力、可調水嘴開度、溫度等動態數據向地面傳輸。

2.2 井下分層流量自動測控技術

通過調測獲得各注水層的配水器電控閥開度、壓差與流量數據，采用人工智能處理得到各層的注入壓力變化特征并形成流量修正圖版，修正圖版會根據隨測數據進行不斷更新。受壓力計分辨率及測量誤差的限制，通過壓差計算得到的流量誤差為量程的5%，如果電控閥壓差變化過小，流量誤差將增大，此時系統會啟用修正圖版，根據井筒注入壓力變化，按照圖版的規律對各層的壓差進行修正，并根據修正結果，從流量圖版中讀取對應的流量值作為實時流量，將分層流量控制在誤差范圍內，達到精細分注的目的。

3 現場試驗與應用

3.1 現場測調試驗

配水器測調是根據實測注水層流量與預設流量之差調整配水器電控閥開度使注水層流量達到設定值[10]。測調分層流量時，地面向井下發送控制命令打開各層配水器的電控閥，然后向某一層配水器發送水嘴開度變化命令及注水流量設定值，指示某層配水器電控閥改變開度同時測取水嘴流量，智能配水器根據水嘴流量與預設流量之差自動調整配水器電控閥開度使水嘴流量達到設定值，某層測調完成后會發出相應信號至地面，然后再進行下一層的測調，直到各層注水流量均達到要求。

圖4為關X井的測調曲線，配水器共進行了兩次自動測調，配置自動測調時間10 min，預設流量10 m3/d，啟動自動測調。第一次自調時，配水器檢測到注入流量為20 m3/d，超過預設流量10 m3/d的15%允許范圍，配水器開始自動測調，水嘴開度由開始時的14%調至8%，流量達到10 m3/d左右，達到預設的配注要求；第二次自調時，配水器檢測到注入流量為7 m3/d，超過預設流量10 m3/d的15%允許范圍，配水器開始自動測調，水嘴開度由開始時的4%調至9%，流量達到10 m3/d左右，達到預設的配注要求。圖5為關X井測調時地面控制系統向井下各層配水器發送的將水嘴打開到指定開度的命令碼脈沖圖及流量測調結果；圖6為對第一層測調時地面與井下發送的命令碼及井下向地面返回數據的脈碼圖；圖6中，地面控制系統向井下配水器發送讀取第一層流量值的命令，先發送流量讀取命令，再發送選層位號命令喚醒第一層配水器，然后地面控制系統接受數據，上傳的波形解析為流量數據7.3 m3/d，目標配注流量是7 m3/d，配注流量誤差滿足配注要求。

圖4 關X井智能配水器自動測調曲線

圖5 關X井調整各層配水器水嘴開度的命令碼脈沖圖

圖6 關X井讀取第一層注水流量的命令與返回的數據編碼脈沖圖

3.2 現場應用

數字式分層注水實時監控系統在長慶油田進行了1 600余口井現場應用，最大井深2 902 m、最大井斜角59.3°、最小單層配注流量5 m3/d、最多分注層級6層。其中在華慶油田白153試驗區累計應用78口井，對應油井產量平穩，平均吸水厚度由19.3 m增加到19.8 m，水驅動用程度由65.6%提高到67.9%，產量自然遞減由5.4%降為3.6%，油氣井采出液綜合含水上升速度由3.7%降為-1.1%，應用效果明顯。

以關Y井為例，該井井深2 543 m，井斜角31.5°，注水層2層，上層配注流量10 m3/d，下層配注流量8 m3/d，投產后，儲層吸水厚度由12.7 m增加到15.8 m，日產量由5.72 t增加到7.84 t，生產狀態得到明顯改善。圖7為該井的分層流量與壓力的測量曲線。

圖7 關Y井各層流量與壓力的實時監測圖

4 結論

(1)數字式分層注水實時監控系統采用流體波碼通訊方式實現地面與井下穩定、可靠的雙向無線通訊，克服了常規有纜分層注水裝置在水平井中電纜下入困難、施工難度高等問題，可廣泛應用于常規直井及斜井、水平井等特殊工藝井的精細分層注水。

(2)智能配水器的水嘴開度控制及水嘴流量控制的分辨率較高，可實現地層注水流量的精細調節。

(3)數字式分層注水實時監控系統的應用可大幅減少人工測試工作量，提高注水數據采集的實時性，對于合理指導注水政策調整，大幅提升分層注水自動化、智能化水平，及時掌握超低滲透油藏分層注水井的分層測調與管理起著必要的支持作用，為油田單井實時自動測調數字化、區塊油藏動態調整信息化、地質工程設計調控一體化的第四代分層注水技術目標的實現奠定了基礎。