井下分層注水自動控制裝置的研究與應用

王寶利，雷輝耀，周秀麗

（1.華油一機（河北）鉆井裝備有限公司，河北滄州062658；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘062550）

目前的油田分層注水技術是用封隔器之間的配水器調節注水井中各層段的注水量，使各層基本上能按分層配水量定量注水。調整注水井的吸水剖面，控制超注層的注水量、增加欠注層的注水量，使各層中的水線推進比較均勻。通常分層注水為3～5個層段，對延長無水開采期和提高采收率起到了重要作用。目前，調整注水量時需要再次調配作業，效率低、周期長、費用較高，因而注水技術應向方便重復調配的智能分注技術方向發展。分層注水控制裝置是用2個封隔器之間的電控配水器調節注水井中各層段的注水量，使各層基本上能按地質預測的注水量進行定量注水，從而調整注水井的吸水剖面，使各層中的水線推進比較均勻，有效提高油井產量。

1 工作原理

在每組封隔器下部各自安裝1臺電控配水器，通過地面供電和調控，在單芯特制供電電纜和油管之間形成電源和信號回路，采用特殊電機和減速裝置逐級控制多套電控配水器。配水器在接收到電脈沖信號后反饋，根據地面計算機發出的控制指令分別調控本層位不同流量水嘴的開閉，直到滿足層位注水量的要求。注水管柱的結構如圖1所示。

圖1 注水管柱結構示意

2 主要結構和關鍵技術

2.1 電控配水器

分層注水控制需采用電控配水器專用閥。只需要將電纜下入井內，電纜頭與電控配水器采用壓接方式，同時將油管作為零線，在電纜與油管之間形成回路，即可正常工作。在每層調配前，通電后應將電控配水器先關閉并復位到零位，然后再根據地面指令閥芯移動到對應的水嘴位置。使用脈沖電動機作為動力源，步距角為1.8°，通過絲杠減少或增加推力，減速比為1∶43，轉30°需要發出716個脈沖。同時設計了一套定位機構，該閥每旋轉180°就由定位機構進行定位，防止出現偏差，便于下一次起步時所有閥均從零起步。

該閥組初步設計為5層控制，層間啟閉相隔30°。當脈沖電動機發出716個脈沖時，第1個電動閥開啟，其余關閉；發出1 432個脈沖時，第2個電動閥開啟，其余關閉；發出2 148個脈沖時，第3個電動閥開啟，其余關閉；發出2 864個脈沖時，第4個電動閥開啟，其余關閉；發出3 580個脈沖時，第5個電動閥開啟，其余關閉；發出4 296個脈沖以上時，所有電動閥關閉并復位到零度。

通過開閉不同的水嘴從而達到變流調控方式。沿配水器閥體軸向從上到下、流量從小到大排布10個水嘴，水嘴的過流范圍應滿足該地層的需要，可根據地層的需要進行定制。在絲杠的推動下，閥芯開啟并沿軸向下運動，可依次打開不同流量的水嘴，改變注入水流量。電控配水器的結構如圖2所示，絲杠每轉步進0.2 mm，采取的脈沖信號通信方式可精確控制和接收絲杠轉數數據，進而控制閥芯步進距離。

2.2 遠程控制

控制方式采用就地閉環控制。地面控制裝置可通過有線或無線方式與上位機相連，上位機接受來自井下的電脈沖信號，運用專門為該裝置開發的軟件發送配水命令，動作快速有效，可以對水量進行PID調節，控制配水器的開關程度，同時對在工作中出現的各種問題進行聲光報警，滿足安全運行的要求。

圖2 電控配水器結構示意

2.3 裝置技術指標

由于裝置要下入注水井內，而注水井注入壓力一般為10～30 MPa，同時裝置還會受到地層壓力和溫度的雙重影響，并且注水水質中容易含有雜質，也會增大裝置的運行阻力，所以裝置材料要滿足以下技術指標：

1)耐壓：0～50 MPa。

2)耐溫：0～70℃。

3)供電方式：直流60 V。

4)供電長度：2 500 m。

3 試驗效果

電控閥門首先進行密封性試驗和壓力試驗，試驗壓力為3倍的工作壓力，試驗時間為120 min，隨后將壓力逐級降低到工作壓力，每級穩壓5 min，以密封面不滲不漏為原則，下入試驗井內，模擬正常注水井工作狀態，打壓注水，分別在20，30，50 MPa順利通過了開關控制試驗，電控閥門能按控制指令依次進行各水嘴位置控制，絲杠閥芯運轉自如，閥體外筒采用耐壓低合金結構鋼或不銹鋼，滿足了電控閥門開關在50 MPa極端情況下仍可正常工作的技術要求。

2017年5月15日針對淖1202井進行吸水剖面測試。施工油壓為9.1 MPa，注水量為25 m3/d，視吸水指數為2.747 m3/（d·MPa）；施工方式為井下釋放，全井共3層吸水，其中5號層為主力吸水層，相對吸水量是48.87%，釋放井深1 100 m，關井2 h測井溫，該井5月吸水剖面數據見表1所列。

2017年6月2日下入井下分層自動控制裝置后再對淖1202井進行吸水剖面測試。施工油壓為9.1 MPa，注水量為25 m3/d，視吸水指數為2.747 m3/（d·MPa）；施工方式為井下釋放，全井共2層吸水，其中6號層為主力吸水層，相對吸水量為91.05%，釋放井深1 100 m，該井6月吸水剖面數據見表2所列。

表1 5月淖1202井吸水剖面數據

表2 6月淖1202井吸水剖面數據

對比淖1202井注水前后兩側的吸水剖面數據可得知，5月其主吸水層為5，6號小層合為主吸水層，到6月變為6號小層為主吸水層，5月7號小層為次吸水層而6月變為不吸水層。

應用井下分層注水控制裝置后，注水井的吸水剖面有所改善，主力吸水層的吸水量由48.87%提高到91.05%，由此計算單井的注水系統效率可提高3%，減緩了注水井垢埋，稀釋了地層水的礦化度，降低了產出液的酸性，減緩了對井筒的腐蝕傷害，保證了油田正常生產。

4 結 論

該項技術的應用適用于注水井地面重復調配，提高了注水井的科學管理，實現了高效、合理、準確的水驅目的。然而也存在很多問題，如注水水質達不到標準，水中含有雜質勢必會影響電控閥門的靈活動作；注水壓力較高，會造成電纜使用壽命的降低；今后的運行和維護工作量大等。這些問題可在今后的試驗和現場應用中進一步的改進和研究。