油田注水井分層流量監(jiān)測(cè)及控制工藝研究

王小軍 甄浩

摘要：隨著油氣田勘探開發(fā)步伐的加快與相關(guān)工藝設(shè)備的進(jìn)步運(yùn)用多重工藝進(jìn)行油層壓力的保持與能量供給是保持老區(qū)上產(chǎn)和新區(qū)增油的良好手段。運(yùn)用傳統(tǒng)分層注水技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)工作存在測(cè)調(diào)裝置上提、下放過程中的卡頓和不準(zhǔn)確。且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控還會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)帶來危險(xiǎn)和復(fù)雜的工作量，綜合能動(dòng)性較差。為了研究油田注水井分層流量監(jiān)測(cè)及控制新工藝。通過對(duì)分層流量監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域展開相關(guān)研究，最終在基于可調(diào)水嘴的配水器控制設(shè)備試驗(yàn)框架下提出解決方案，為同行提供建設(shè)性意見。

關(guān)鍵詞：油田;注水井;分層流量;監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TE934 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）12-0037-04

隨著油氣田勘探開發(fā)步伐的加快與相關(guān)工藝設(shè)備的進(jìn)步運(yùn)用多重工藝進(jìn)行油層壓力的保持與能量供給是保持老區(qū)上產(chǎn)和新區(qū)增油的良好手段。其中運(yùn)用復(fù)合工藝進(jìn)行相關(guān)油氣田綜合開發(fā)效率的提高也是重中之重，根據(jù)相關(guān)油氣田已有勘探資料可知，我國(guó)油氣藏儲(chǔ)集層具有一定規(guī)律性，其中以陸相碎屑沉積巖為代表的沉積體系較為廣泛，相關(guān)非均質(zhì)性強(qiáng)，在縱向上存在一定地層差異[1]。而在復(fù)雜斷塊前提下的老區(qū)油氣田開發(fā)歷程中，不同因素下的層內(nèi)層間矛盾問題突出，運(yùn)用精細(xì)調(diào)整技術(shù)的分層注水手段顯得格外重要[2]。

在該方面，運(yùn)用傳統(tǒng)分層注水技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)工作存在測(cè)調(diào)裝置上提、下放過程中的卡頓和不準(zhǔn)確。且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控還會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)帶來危險(xiǎn)和復(fù)雜的工作量，綜合能動(dòng)性較差。如若井間干擾或其他地質(zhì)因素誘發(fā)的注水過程地層壓力不受控或異常變化，相關(guān)工藝人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致層間注水情況不明確，注水施工失敗甚至誘發(fā)各層注入量不明導(dǎo)致的衍生性惡劣影響。所以基于現(xiàn)場(chǎng)的不同影響因素下的層間注水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)是當(dāng)前石油工業(yè)又一熱點(diǎn)，需要計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、動(dòng)力工程、機(jī)械工程相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)架構(gòu)進(jìn)行支撐[3]。

永置式測(cè)調(diào)技術(shù)工藝能在工作量和成本有限的前提下進(jìn)行井下注水工藝的可測(cè)物理量實(shí)時(shí)獲取，并在友好接口下進(jìn)行數(shù)據(jù)列的輸出，方便計(jì)算機(jī)分析和相應(yīng)軟件模擬[4]。相關(guān)的地面控制中心在接到指令后能及時(shí)根據(jù)油氣產(chǎn)量進(jìn)行科學(xué)注水調(diào)配，使相關(guān)配水器最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量化的多層注水流量精細(xì)調(diào)節(jié)。

1 分層流量監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

運(yùn)用井上動(dòng)力裝置進(jìn)行鋼絲拖拽式的電纜測(cè)調(diào)作業(yè)測(cè)試會(huì)對(duì)封隔器、配產(chǎn)器等相關(guān)部件帶來磨損，一定程度上影響層系間的相關(guān)密封性。其有限的工作效率對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的連貫性也產(chǎn)生一定制約。后續(xù)的調(diào)刨及其油水聯(lián)動(dòng)核算不能及時(shí)有效的進(jìn)行，所以注水安全得不到保證。基于此全面提高油氣田注水開發(fā)效率，在此提出永置式智能測(cè)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并做實(shí)質(zhì)性闡述。

1.1分層流量測(cè)調(diào)工作原理

在注水井部署過程中先期對(duì)各層段產(chǎn)生一定認(rèn)識(shí)，優(yōu)選不同可測(cè)物理量探測(cè)器，在完井階段進(jìn)行不同層位的多元智能測(cè)調(diào)裝置部署，然后通過主/備單芯電纜傳輸信號(hào)線進(jìn)行多元矩陣相控模式下的流量、壓力、溫度、水嘴開度等可測(cè)物理量監(jiān)控和數(shù)據(jù)反饋。然后通過地面計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行分析和調(diào)控，在外界因素變化最小的前提下進(jìn)行即時(shí)命令發(fā)布，優(yōu)化單井及其井網(wǎng)注采比，全面調(diào)配各層注水量，該階段需要用到智能化傳感器和井下控制器，通過控制器動(dòng)作進(jìn)行配水器的智能化調(diào)控，在此該項(xiàng)設(shè)備主要是通過水嘴開度的調(diào)節(jié)來進(jìn)行的。而流量的自動(dòng)化調(diào)節(jié)需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的反饋式輔助調(diào)節(jié)。廣義式智能架構(gòu)下的分層注水原理構(gòu)想。

該系統(tǒng)主要零部件有智能配水器、過電纜封隔器、單芯電纜、地面監(jiān)控室、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、井下測(cè)調(diào)及其相應(yīng)井下作業(yè)工具。

智能配水器指，井筒中用電纜封隔器進(jìn)行劃分層位，并依托相應(yīng)電纜信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與命題下達(dá)，然后通過控制可調(diào)水嘴開度進(jìn)行不同流量不同時(shí)間的注水調(diào)配。

井下測(cè)調(diào)部件指，運(yùn)用電纜傳感方式進(jìn)行不同電信號(hào)轉(zhuǎn)換式的綜合測(cè)定，以判定水嘴開度大小及其相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)，并最終通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到相關(guān)流量參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

單芯電纜能實(shí)現(xiàn)雙回路通訊，在最低能耗下進(jìn)行井下設(shè)施的供電和信號(hào)采集，但因?yàn)榫颅h(huán)境惡劣，該種電纜成本較高，且壽命不長(zhǎng)。

渦輪發(fā)電機(jī)是指，運(yùn)用注水過程中井下多項(xiàng)流擾動(dòng)及其熱能進(jìn)行自供電式的能量守候配給，并進(jìn)行相應(yīng)井下儀器的備用供電。

相應(yīng)地面監(jiān)控室與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心配合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)一手?jǐn)?shù)據(jù)的獲取和擬合，當(dāng)所有可測(cè)物理量（井下流量、溫度、壓力、水嘴開度）的數(shù)據(jù)序列累計(jì)到一定時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化的等位升序列排布，然后根據(jù)一手?jǐn)?shù)據(jù)模擬結(jié)果通過地面監(jiān)控室進(jìn)行相應(yīng)的地下設(shè)備設(shè)施密封性能檢測(cè)并進(jìn)行各參數(shù)監(jiān)控，后續(xù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心在進(jìn)行工區(qū)系統(tǒng)分析后得出相應(yīng)調(diào)配策略，動(dòng)態(tài)下發(fā)二級(jí)命令至地面監(jiān)控室進(jìn)行局部獲取井網(wǎng)間的調(diào)配，實(shí)時(shí)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。全面實(shí)現(xiàn)工區(qū)數(shù)字化生產(chǎn)。

1.2電纜永置式分層流量測(cè)調(diào)

基于前人研究及其相應(yīng)自控系統(tǒng)邏輯量設(shè)置，通過本研究的永置式智能注水測(cè)調(diào)系統(tǒng)在電纜永置式分層流量測(cè)調(diào)過程中得到了最大化的改進(jìn)。在前期研究過程中相應(yīng)的設(shè)備設(shè)施和相關(guān)測(cè)控技術(shù)得到了實(shí)驗(yàn)論證和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，其中所用的分層流量測(cè)試與控制需要能進(jìn)行全面而協(xié)調(diào)的配合性優(yōu)化使用，全面適應(yīng)不同層位不同物性的井下工作條件，但是如若遇到不可逆故障需要進(jìn)行井下作業(yè)并修理。在此進(jìn)行改進(jìn)方案式的永置式測(cè)調(diào)系統(tǒng)構(gòu)架展示，通過在不同工區(qū)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，井下流量特征不穩(wěn)定是影響相關(guān)設(shè)備故障的要因。在全面簡(jiǎn)化部件后進(jìn)行扁平化的邏輯遙感設(shè)置，并將相關(guān)成本進(jìn)行壓縮最終得到4個(gè)主要方面的控制模塊（電纜供電與載波通信、地面控制器、多層流量快速調(diào)配算法、井下機(jī)械執(zhí)行裝置）。在過程控制向量滿足系統(tǒng)冗余率后方可進(jìn)行協(xié)調(diào)式工作，得到高質(zhì)量用戶數(shù)據(jù)反饋全面指引生產(chǎn)運(yùn)行工作。

其中首選明確井下分層流量測(cè)試相關(guān)的可測(cè)物理量（溫度、壓力、流量和水嘴開度），在基于注水過程參數(shù)優(yōu)化的前提下建立相關(guān)屬性模型，為傳感器和補(bǔ)償器的改進(jìn)與測(cè)定進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償式操作。另外可以進(jìn)行水嘴閥芯閥套設(shè)計(jì)部分的節(jié)流孔流道優(yōu)化，從單一的菱形、圓形、U型等孔道升級(jí)成三角形+菱形+橢圓形等不同流體聯(lián)通式的優(yōu)化，全面適應(yīng)大范圍高頻次的流量調(diào)節(jié)，在熱力學(xué)與流體力學(xué)范疇達(dá)到過流面積梯度自由化，水力半徑最大量的臨界最優(yōu)。其次明確井下分層注水流量測(cè)試環(huán)節(jié)，井下相關(guān)可測(cè)物理量對(duì)于分層注水流量的影響和需要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模式分析的物理量矩陣。根據(jù)筆者相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，溫度是最終影響注水效果和參數(shù)的關(guān)鍵，也是誘發(fā)壓力異常和驅(qū)油效果的要因。所以進(jìn)行穩(wěn)定而精確的壓力測(cè)量是反應(yīng)地層水注入效果好壞的最終詮釋。所以水質(zhì)和水量的控制是各層封隔器驗(yàn)封效果是關(guān)鍵控制點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)人員需要做好相關(guān)工作。最后就是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集后基于預(yù)設(shè)分層注水流量進(jìn)行控制算法式的動(dòng)態(tài)控制，并及時(shí)校訂相關(guān)儀表的反饋信號(hào)。將流量控制與檢測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)性歸一化對(duì)比，優(yōu)化整體閉環(huán)體系。排除不良干擾和多重因素下誘發(fā)的互助式擾動(dòng)。

1.3井下自發(fā)電分層流量測(cè)調(diào)

儀器儀表及其相應(yīng)機(jī)械調(diào)控設(shè)備功耗較低但也需要一定的動(dòng)力電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而電纜永置能很好的解決相應(yīng)問題。不過在復(fù)雜地層環(huán)境與地面干擾下還需要進(jìn)行備用自給自足式電力系統(tǒng)的布設(shè)。在此運(yùn)用井下注水射流動(dòng)力進(jìn)行機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能成為首先。運(yùn)用小型發(fā)電機(jī)組不僅能節(jié)約成本提高系統(tǒng)穩(wěn)定性還能進(jìn)行脈沖信號(hào)式的分層流量微調(diào)。

該構(gòu)架的核心思想主要是優(yōu)化供電方式和傳輸方式，在節(jié)能減排的基礎(chǔ)上運(yùn)用渦輪注水發(fā)電提高穩(wěn)定的直流信號(hào)供給，保持地面與井下相關(guān)儀器儀表通信暢通。但是在檢維修上需要定期進(jìn)行維保，確保相關(guān)布局工作正常。

2 基于可調(diào)水嘴的配水器控制

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及相關(guān)前期研究成果，通過井下配水器是調(diào)控層間注水量的機(jī)械執(zhí)行，其主要工作過程為電機(jī)帶動(dòng)滑動(dòng)絲杠進(jìn)行閥芯的開啟與閉合，并根據(jù)相應(yīng)儀器儀表檢測(cè)量的不同而進(jìn)行水嘴開度的調(diào)整。其過程性清晰，主要為預(yù)設(shè)不同水嘴結(jié)構(gòu)形狀的流道核算性依托電機(jī)旋轉(zhuǎn)最終實(shí)現(xiàn)絲杠螺紋的調(diào)控的。相關(guān)的靈敏度由預(yù)設(shè)完善的執(zhí)行器進(jìn)行完成。具體工作剖面圖。可以明顯看出水嘴在不同狀態(tài)下水流的過程和配注量關(guān)系。

2.1基礎(chǔ)理論支撐

相關(guān)元器件在設(shè)計(jì)之初就基于了基礎(chǔ)理論的原始公式核算，該設(shè)備同樣如此。相關(guān)的精確控制需要靈敏的執(zhí)行器外還需要注水配水過程中對(duì)于不同形狀水嘴流體力學(xué)特征的實(shí)驗(yàn)核算。需要注意的是正式工況環(huán)境下往往會(huì)遇到層間壓差較大、低滲透油藏的惡劣井況下注水。需要在水嘴結(jié)構(gòu)精細(xì)核算的同時(shí)進(jìn)行一定欲度的預(yù)留。以適應(yīng)和完善相關(guān)控制時(shí)的不穩(wěn)定補(bǔ)償量。保證最中油層能量補(bǔ)充效果。基于自動(dòng)調(diào)節(jié)效能的水嘴需要在節(jié)流孔的幫助下進(jìn)行協(xié)調(diào)解決。而單一的三角形、菱形、橢網(wǎng)形、圓形、矩形、U型等不能滿足當(dāng)前復(fù)雜情況。運(yùn)用復(fù)合型形狀的水嘴形狀會(huì)事半功倍。以下在保密準(zhǔn)則下展示相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2.2實(shí)驗(yàn)仿真

通過流體力學(xué)平臺(tái)進(jìn)行一定水嘴模型物理量的真實(shí)開度下的仿真。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。在此預(yù)設(shè)20%、40%、60%、80%、100%當(dāng)量下的水嘴開度并做流量一壓差關(guān)系分析數(shù)據(jù)擬合曲線。供下步分析。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相應(yīng)的壓差梯度不斷增大的過程中，流量系數(shù)初設(shè)為急劇上升狀態(tài)，而隨著時(shí)間的推移相關(guān)數(shù)據(jù)緩慢下降并最終趨于平穩(wěn)如圖2所示。不過通過進(jìn)一步數(shù)據(jù)擬合可以看出一定水嘴壓差下的開度和流量存在典型非線性關(guān)系。所以數(shù)據(jù)有必要進(jìn)行進(jìn)一步加工處理和后續(xù)分析。

進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，運(yùn)用spass軟件進(jìn)行真實(shí)數(shù)據(jù)下的多重?cái)M合實(shí)驗(yàn)，細(xì)則為水嘴開度與流量系數(shù)采用三次樣條插值完成函數(shù)擬合。最終得出40%水嘴開度下的相應(yīng)值。流量系數(shù)最終在擬合實(shí)驗(yàn)下達(dá)到最大值，隨后還是依次進(jìn)行一定降幅的減小。

基于以上模擬性結(jié)果，在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行相應(yīng)實(shí)際流動(dòng)前提下的水嘴情況綜合實(shí)驗(yàn)論證。可以看出運(yùn)用不同水質(zhì)和溢流閥完成試壓泵的調(diào)配和電磁流量計(jì)的校訂。然后的電磁機(jī)械流量計(jì)的誘導(dǎo)下進(jìn)一步得出相應(yīng)對(duì)比數(shù)據(jù)列，然后方可開展下步工作。在集成系統(tǒng)的控制下運(yùn)用相應(yīng)控制器完成井底分層注水的協(xié)調(diào)性更正實(shí)驗(yàn)，最終得到真實(shí)情況下的水嘴前后壓差。

具體實(shí)驗(yàn)過程為：首先在溢流閥關(guān)閉情況下完成水嘴最大開度的過程性測(cè)試，具體操作時(shí)應(yīng)在20%開度下保持一定時(shí)間然后進(jìn)行逐步提升最終升至100%，隨后在進(jìn)行5～50Hz的試壓泵頻率變更式運(yùn)行，隨后記錄實(shí)驗(yàn)過程的全部可測(cè)物理量。最終通過真實(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)行不同水嘴開度、壓差下的流量核算，得出真實(shí)環(huán)境下的操作要點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)及成果分析：綜合不同工況下的真實(shí)注水井井況在配合前期水嘴擬合后得出相應(yīng)的適應(yīng)性規(guī)律，其中U型水嘴的相關(guān)產(chǎn)品智能調(diào)控效果最好，且維護(hù)性更好。在20%～100%的流體仿真和真實(shí)情況下過程實(shí)驗(yàn)中綜合可測(cè)物理量變化程度最優(yōu)，相應(yīng)設(shè)備磨損效果最小。在基于產(chǎn)品制造原則上進(jìn)行40%的開度時(shí)流量最大淡水相應(yīng)的非線性關(guān)系不成連續(xù)性變化，認(rèn)知為達(dá)到臨界狀態(tài)。綜合控制誤差率3%左有，實(shí)際試驗(yàn)與模擬仿真相比誤差可接受。

3 結(jié)語

驅(qū)油注水目前仍然是油田提高采收率的重要舉措，為了進(jìn)一步提高采收率，精細(xì)注水已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外油氣開采領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。文章主要研究了永置式的注水井分層流量測(cè)量與控制技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各層流量、溫度、壓力、水嘴開度，實(shí)現(xiàn)配水器注水量的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，對(duì)精細(xì)注水、提高注水井開采率具有重要的意義。

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