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(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

大慶油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入特高含水后期階段，儲(chǔ)層中剩余油分散，油與水動(dòng)態(tài)關(guān)系復(fù)雜且不穩(wěn)定，難以長(zhǎng)期保持注水合格率。在精準(zhǔn)注水精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的需求下，分層注水井?dāng)?shù)逐年增長(zhǎng)，分注層段愈加精細(xì)。目前高效測(cè)調(diào)分層注水技術(shù)是油田注水開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)，該技術(shù)較上一代鋼絲測(cè)調(diào)分注技術(shù)在測(cè)調(diào)效率方面有了一定程度的提高，但1口7層段分注井的測(cè)調(diào)時(shí)間仍需要4 d左右，測(cè)調(diào)效率仍需要提高。受測(cè)調(diào)效率不高和測(cè)試隊(duì)伍不充足的影響，在當(dāng)前分層注水技術(shù)背景下，測(cè)調(diào)周期一般為4個(gè)月，測(cè)試間隔時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法保證各分注井的注水合格率，必然會(huì)影響油田注水開(kāi)發(fā)效果。同時(shí)四個(gè)月測(cè)試一次井下的參數(shù)，測(cè)取的數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)儲(chǔ)層的動(dòng)態(tài)變化，不能滿足精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)的需求。常規(guī)分層注水技術(shù)（包括高效測(cè)調(diào)注水技術(shù)）之所以測(cè)調(diào)時(shí)間長(zhǎng)，主要有三個(gè)原因：一是需要向井筒內(nèi)下入測(cè)試儀器，調(diào)整儀器位置和提/撈過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間；二是測(cè)調(diào)完當(dāng)前層，其它層段的注入量又有變化的可能，需要反復(fù)測(cè)試；三是需要測(cè)試人員和車輛都到現(xiàn)場(chǎng)[1-3]。為此，攻關(guān)形成了電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)，不需要下入測(cè)試儀器，操控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各層段井下參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)在辦公室用戶端對(duì)分層注水井的遠(yuǎn)程無(wú)線控制[4-6]。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)工藝示意圖見(jiàn)圖1。其中電纜、過(guò)電纜封隔器、智能配水器是井下管柱的核心組成部分，服務(wù)器、Mcwill網(wǎng)絡(luò)、中轉(zhuǎn)站是地面無(wú)線遠(yuǎn)程控制的核心組成部分。技術(shù)人員在辦公室用戶端發(fā)送操控指令，通過(guò)Mcwill網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)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(fā)送至井下目標(biāo)層段的智能配水器，智能配水器接受到指令后可進(jìn)行井下注入壓力、地層壓力、溫度、流量、流量控制閥開(kāi)度大小以及設(shè)備自身參數(shù)的采集，并通過(guò)電纜、地面控制站、Mcwill網(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)反饋給用戶端。根據(jù)需求，設(shè)定參數(shù)采集周期和臨界值預(yù)警監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)不到現(xiàn)場(chǎng)、不下入儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，遠(yuǎn)程、快速完成測(cè)調(diào)。

圖1 電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能配水器是電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)的核心單元，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)注入壓力、地層壓力、注入量，通過(guò)流量控制閥調(diào)節(jié)注入量，主要組成有以下幾個(gè)部分：流量計(jì)、壓力計(jì)、流量控制閥、上接頭、集線機(jī)構(gòu)、下接頭，智能配水器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。其中，流量控制閥、流量計(jì)、壓力計(jì)均采用螺紋連接的方式分別安裝于上接頭上，使用穩(wěn)定支撐桿和集線機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行固定，以達(dá)到穩(wěn)定流量控制閥、流量計(jì)、壓力計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的效果。針對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸和供電功能，采用單芯電纜傳輸，設(shè)計(jì)配水器兩端電纜結(jié)構(gòu)，并使用固定密封組件對(duì)其進(jìn)行固定。

圖2 智能配水器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of intelligent water distributor

流量控制閥是智能配水器調(diào)節(jié)注入量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作原理為電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸使絲杠運(yùn)動(dòng)，絲杠的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)閥芯與靜閥芯的相對(duì)位置改變，實(shí)現(xiàn)過(guò)流面積的改變。通過(guò)在聯(lián)軸器上設(shè)計(jì)磁鋼，實(shí)現(xiàn)流量控制閥開(kāi)度的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。智能配水器主體為U型通道結(jié)構(gòu)，在完成連通工藝孔的加工后，進(jìn)行工藝孔的封堵，保留U型通道流體從濾網(wǎng)進(jìn)入流量計(jì)，流經(jīng)主體的U型通道，受流量控制閥的閥芯控制進(jìn)入地層，通過(guò)閥芯的軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單層流量控制[7-9]。

1.3 測(cè)控電路設(shè)計(jì)

智能配水器測(cè)控電路組成示意圖見(jiàn)圖3。其中，單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)控電路的核心；指令信號(hào)前置處理單元用于來(lái)自地面?zhèn)魉蛠?lái)的指令或數(shù)據(jù)信號(hào)的拾波、濾波、放大、整形、處理；數(shù)據(jù)信號(hào)功放載波單元用于井下數(shù)據(jù)信號(hào)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(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送給地面；功率放大驅(qū)動(dòng)單元用于控制驅(qū)動(dòng)變速直流電動(dòng)機(jī)；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(cè)量的信號(hào)處理后傳輸給單片機(jī)控制系統(tǒng)并發(fā)送給地面；穩(wěn)壓電源模塊將來(lái)自單芯電纜的供電，降壓、穩(wěn)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(cè)控電路組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of circuit relationship of intelligent water distributor

1.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為及時(shí)獲取井下智能配水器采集到的分層壓力、流量數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)井下智能配水器分層流量的實(shí)時(shí)調(diào)整，研發(fā)了地面無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。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(duì)井下智能配水器進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取及流量控制；在地面控制箱上安裝無(wú)線傳輸模塊，用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接吞锷a(chǎn)無(wú)線網(wǎng)。油田生產(chǎn)無(wú)線網(wǎng)是油田生產(chǎn)網(wǎng)的無(wú)線擴(kuò)展部分，與油田生產(chǎn)網(wǎng)為同一網(wǎng)段，但與油田辦公網(wǎng)互相隔離不能直接通信，而用于查看井下數(shù)據(jù)及進(jìn)行測(cè)調(diào)的計(jì)算機(jī)位于油田辦公網(wǎng)，因此，將無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的服務(wù)器部署于油田生產(chǎn)網(wǎng)及油田辦公網(wǎng)之間的隔離區(qū)（DMZ），辦公室的控制電腦通過(guò)油田辦公網(wǎng)連接到隔離區(qū)的服務(wù)器，進(jìn)而連接到油田生產(chǎn)網(wǎng)中的地面控制箱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下智能配水器分層流量的實(shí)時(shí)調(diào)整。地面無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 地面無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Network structure diagram of ground wireless remote control system

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)分析模塊相互獨(dú)立，系統(tǒng)主要由以下功能模塊組成：數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、流量遠(yuǎn)程調(diào)控模塊、數(shù)據(jù)多樣化圖表展示模塊、異常信息報(bào)警模塊、與現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及權(quán)限控制模塊。系統(tǒng)除手動(dòng)控制外，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下分層流量的自動(dòng)測(cè)調(diào)、自動(dòng)巡檢、在線驗(yàn)封、測(cè)靜壓實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)注水井的全過(guò)程管理，根據(jù)獲取到的實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)注水井各層段注水狀況，有效的處理注水井發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，節(jié)省大量的人工、設(shè)備開(kāi)銷。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 智能配水器室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 密封實(shí)驗(yàn)

智能配水器內(nèi)部有大量電子元器件，當(dāng)有水進(jìn)入到測(cè)控電路板，就會(huì)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(huán)境下各密封接口能否保證密封效果至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)步驟為：將智能配水器置于實(shí)驗(yàn)套管內(nèi)，打壓35 MPa，通信測(cè)試，穩(wěn)壓24 h，取出配水器。密封實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析分兩個(gè)方面：一是在打壓過(guò)程對(duì)智能配水器進(jìn)行通信測(cè)試，通訊正常并且各個(gè)參數(shù)按照設(shè)計(jì)要求返回為合格；二是對(duì)智能配水器進(jìn)行拆解，內(nèi)置的流量控制閥、壓力計(jì)、流量計(jì)以及測(cè)控電路均無(wú)滲漏為合格[10]。

2.1.2 綜合模擬實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)的綜合性能，在分層開(kāi)采實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行綜合模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟為：模擬注水井管柱連接智能配水器/過(guò)電纜封隔器/油管等，用電纜將智能配水器連接并從過(guò)電纜封隔器穿出，通至井口并固定；啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)室高壓分層注水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)高壓注水泵運(yùn)行頻率，測(cè)試智能配水器流量計(jì)/壓力機(jī)測(cè)量范圍及精度，測(cè)試流量控制閥漏失量及開(kāi)關(guān)有無(wú)卡頓，智能配水器室內(nèi)綜合模擬實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖5。試驗(yàn)結(jié)果：用戶端與智能配水器通訊良好，數(shù)據(jù)及指令傳輸穩(wěn)定；流量計(jì)測(cè)量范圍：0～150 m3/d，測(cè)量精度：±3%FS；壓力計(jì)測(cè)量范圍：0～60 MPa，測(cè)量精度：±0.1%FS；流量控制閥開(kāi)關(guān)過(guò)程平穩(wěn)無(wú)卡頓，在10 MPa壓差下漏失量為0。試驗(yàn)表明，電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 智能配水器室內(nèi)綜合模擬實(shí)驗(yàn)Fig.5 Indoor comprehensive simulation experiment of intelligent water distributor

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.2.1 單項(xiàng)功能試驗(yàn)

1）壓力、流量監(jiān)測(cè)功能。應(yīng)用電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可監(jiān)測(cè)到注水井井下注入流量、咀前壓力和咀后壓力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)注水要求，可通過(guò)調(diào)節(jié)智能配水器內(nèi)的流量控制閥來(lái)調(diào)節(jié)分層注入流量。壓力流量監(jiān)測(cè)和注水指示曲線見(jiàn)圖6。

圖6 壓力流量監(jiān)測(cè)和注水指示曲線Fig.6 Pressure flow monitoring and water injection indication curve

2）在線驗(yàn)封功能。以A井為例，若要對(duì)A井Ⅰ層和Ⅱ?qū)又g的封隔器是否密封，可關(guān)閉Ⅰ層的流量控制閥（Ⅱ?qū)恿髁靠刂崎y狀態(tài)不變并保證未完全關(guān)閉），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)咀前壓力、咀后壓力和注入流量，A井驗(yàn)封曲線見(jiàn)圖7。Ⅰ層的咀后壓力不隨咀前壓力的變化而變化，Ⅱ?qū)拥木缀髩毫﹄S咀前壓力的變化而變化，并且在Ⅱ?qū)恿髁吭黾拥那闆r下Ⅰ層流量降低。A井Ⅰ層和Ⅱ?qū)又g的封隔器密封，利用電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行在線驗(yàn)封，快速且準(zhǔn)確。

圖7 A井驗(yàn)封曲線Fig.7 Sealing inspection curve of well A

3）遠(yuǎn)程無(wú)線控制功能。目前地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)平臺(tái)已投入使用，現(xiàn)場(chǎng)100余口井已納入平臺(tái)管理。系統(tǒng)可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水井井下數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)值自動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)同時(shí)具有歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示功能、在線驗(yàn)封功能、異常信息報(bào)警功能以及批量數(shù)據(jù)處理功能等，地面無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操控界面見(jiàn)圖8。當(dāng)前系統(tǒng)每12 h自動(dòng)錄取一次數(shù)據(jù)，共采集數(shù)據(jù)20萬(wàn)余組，為技術(shù)人員優(yōu)化注水方案提供數(shù)據(jù)支持。

圖8 地面無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操控界面Fig.8 Control interface of ground wireless remote control system

2.2.2 經(jīng)濟(jì)效益及前景分析

1）開(kāi)采回收率分析。電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)所應(yīng)用的130余口井，如果采用原有分注技術(shù)，預(yù)計(jì)產(chǎn)油43.64×104t，產(chǎn)生效益5.6億元，按照平均單井日注入50 t計(jì)算，累計(jì)消耗992.8×104t注入水，花費(fèi)5 510.04萬(wàn)元，開(kāi)采回采率10.16%。應(yīng)用電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)4 a后，累計(jì)產(chǎn)油46.83×104t，產(chǎn)生效益6.06億元，按照平均單井日注入50 t計(jì)算，累計(jì)消耗992.8×104t注入水，花費(fèi)5 510.04萬(wàn)元，開(kāi)采回采率11.00%，提升效果明顯。

2）勞動(dòng)生產(chǎn)率分析。進(jìn)行注水井測(cè)調(diào)時(shí)，原技術(shù)需要3人組成專業(yè)測(cè)試班組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，7段井測(cè)調(diào)時(shí)間平均為3.9 d。應(yīng)用電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，僅需1人再辦公室即可完成對(duì)井下生產(chǎn)參數(shù)的加測(cè)及調(diào)控，7段井測(cè)調(diào)時(shí)間在1 h以內(nèi)，勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅度提高。

3）節(jié)約成本分析。應(yīng)用電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，不再需要專業(yè)隊(duì)伍到現(xiàn)場(chǎng)去驗(yàn)封、測(cè)調(diào)，所以可以節(jié)約驗(yàn)封費(fèi)用、測(cè)調(diào)費(fèi)用、測(cè)試車輛費(fèi)用以及測(cè)試人員費(fèi)用。

4）節(jié)水減排分析。針對(duì)試驗(yàn)區(qū)層間矛盾突出、無(wú)效循環(huán)嚴(yán)重問(wèn)題，利用智能分注技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控，測(cè)調(diào)精度由±30%提升至±10%，保證高滲透層注水精準(zhǔn)控制。以A試驗(yàn)區(qū)為例，該試驗(yàn)區(qū)共20口智能注水井，運(yùn)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(chǎn)量基本保持不變。統(tǒng)計(jì)應(yīng)用電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)所應(yīng)用的130余口井，含水比預(yù)期下降0.5%，按照平均單井日產(chǎn)液50 t計(jì)算，連通的油井年減少處理水量2.73×104t，節(jié)水效果顯著。

3 結(jié)論及應(yīng)用前景

1）電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井下分層流量、壓力遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及連續(xù)調(diào)節(jié)，具備在線測(cè)試分層指示曲線及在線驗(yàn)封等功能，大幅度提高了測(cè)調(diào)效率。

2）電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)節(jié)約了驗(yàn)封、測(cè)調(diào)費(fèi)用、測(cè)試車輛及人員費(fèi)用，同時(shí)增油、節(jié)水，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3）電纜直控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注水技術(shù)達(dá)到了通過(guò)科學(xué)精確的注水來(lái)提高采收率和降低成本的要求，提升了油田注水控制系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化管理水平，隨著大慶油田數(shù)字化、智能化發(fā)展，應(yīng)用前景巨大。

4）下一步建議擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)模和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的覆蓋率，實(shí)現(xiàn)操作人員由“藍(lán)領(lǐng)”向“白領(lǐng)”的跨越。