油田注水井分層流量監測及控制工藝研究

王小軍 甄浩

摘要：隨著油氣田勘探開發步伐的加快與相關工藝設備的進步運用多重工藝進行油層壓力的保持與能量供給是保持老區上產和新區增油的良好手段。運用傳統分層注水技術進行相應工作存在測調裝置上提、下放過程中的卡頓和不準確。且不能進行實時的動態數據監控還會給現場帶來危險和復雜的工作量，綜合能動性較差。為了研究油田注水井分層流量監測及控制新工藝。通過對分層流量監測設計領域展開相關研究，最終在基于可調水嘴的配水器控制設備試驗框架下提出解決方案，為同行提供建設性意見。

關鍵詞：油田;注水井;分層流量;監測

中圖分類號：TE934 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0037-04

隨著油氣田勘探開發步伐的加快與相關工藝設備的進步運用多重工藝進行油層壓力的保持與能量供給是保持老區上產和新區增油的良好手段。其中運用復合工藝進行相關油氣田綜合開發效率的提高也是重中之重，根據相關油氣田已有勘探資料可知，我國油氣藏儲集層具有一定規律性，其中以陸相碎屑沉積巖為代表的沉積體系較為廣泛，相關非均質性強，在縱向上存在一定地層差異[1]。而在復雜斷塊前提下的老區油氣田開發歷程中，不同因素下的層內層間矛盾問題突出，運用精細調整技術的分層注水手段顯得格外重要[2]。

在該方面，運用傳統分層注水技術進行相應工作存在測調裝置上提、下放過程中的卡頓和不準確。且不能進行實時的動態數據監控還會給現場帶來危險和復雜的工作量，綜合能動性較差。如若井間干擾或其他地質因素誘發的注水過程地層壓力不受控或異常變化，相關工藝人員不能及時發現，最終導致層間注水情況不明確，注水施工失敗甚至誘發各層注入量不明導致的衍生性惡劣影響。所以基于現場的不同影響因素下的層間注水量實時監測和調節是當前石油工業又一熱點，需要計算機、數學、動力工程、機械工程相關領域知識架構進行支撐[3]。

永置式測調技術工藝能在工作量和成本有限的前提下進行井下注水工藝的可測物理量實時獲取，并在友好接口下進行數據列的輸出，方便計算機分析和相應軟件模擬[4]。相關的地面控制中心在接到指令后能及時根據油氣產量進行科學注水調配，使相關配水器最終實現自動定量化的多層注水流量精細調節。

1 分層流量監測設計

運用井上動力裝置進行鋼絲拖拽式的電纜測調作業測試會對封隔器、配產器等相關部件帶來磨損，一定程度上影響層系間的相關密封性。其有限的工作效率對數據監測的連貫性也產生一定制約。后續的調刨及其油水聯動核算不能及時有效的進行，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效率，在此提出永置式智能測調系統設計，并做實質性闡述。

1.1分層流量測調工作原理

在注水井部署過程中先期對各層段產生一定認識，優選不同可測物理量探測器，在完井階段進行不同層位的多元智能測調裝置部署，然后通過主/備單芯電纜傳輸信號線進行多元矩陣相控模式下的流量、壓力、溫度、水嘴開度等可測物理量監控和數據反饋。然后通過地面計算機平臺進行分析和調控，在外界因素變化最小的前提下進行即時命令發布，優化單井及其井網注采比，全面調配各層注水量，該階段需要用到智能化傳感器和井下控制器，通過控制器動作進行配水器的智能化調控，在此該項設備主要是通過水嘴開度的調節來進行的。而流量的自動化調節需要實時數據的反饋式輔助調節。廣義式智能架構下的分層注水原理構想。

該系統主要零部件有智能配水器、過電纜封隔器、單芯電纜、地面監控室、遠程監控中心、井下測調及其相應井下作業工具。

智能配水器指，井筒中用電纜封隔器進行劃分層位，并依托相應電纜信號進行實時數據傳輸與命題下達，然后通過控制可調水嘴開度進行不同流量不同時間的注水調配。

井下測調部件指，運用電纜傳感方式進行不同電信號轉換式的綜合測定，以判定水嘴開度大小及其相關執行機構工作狀態，并最終通過數據轉換得到相關流量參數實現實時監控。

單芯電纜能實現雙回路通訊，在最低能耗下進行井下設施的供電和信號采集，但因為井下環境惡劣，該種電纜成本較高，且壽命不長。

渦輪發電機是指，運用注水過程中井下多項流擾動及其熱能進行自供電式的能量守候配給，并進行相應井下儀器的備用供電。

相應地面監控室與遠程監控中心配合進行現場一手數據的獲取和擬合，當所有可測物理量（井下流量、溫度、壓力、水嘴開度）的數據序列累計到一定時進行數學模型化的等位升序列排布，然后根據一手數據模擬結果通過地面監控室進行相應的地下設備設施密封性能檢測并進行各參數監控，后續的遠程監控中心在進行工區系統分析后得出相應調配策略，動態下發二級命令至地面監控室進行局部獲取井網間的調配，實時進行雙向數據通信。全面實現工區數字化生產。

1.2電纜永置式分層流量測調

基于前人研究及其相應自控系統邏輯量設置，通過本研究的永置式智能注水測調系統在電纜永置式分層流量測調過程中得到了最大化的改進。在前期研究過程中相應的設備設施和相關測控技術得到了實驗論證和現場運用，其中所用的分層流量測試與控制需要能進行全面而協調的配合性優化使用，全面適應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行井下作業并修理。在此進行改進方案式的永置式測調系統構架展示，通過在不同工區的測試發現，井下流量特征不穩定是影響相關設備故障的要因。在全面簡化部件后進行扁平化的邏輯遙感設置，并將相關成本進行壓縮最終得到4個主要方面的控制模塊（電纜供電與載波通信、地面控制器、多層流量快速調配算法、井下機械執行裝置）。在過程控制向量滿足系統冗余率后方可進行協調式工作，得到高質量用戶數據反饋全面指引生產運行工作。

其中首選明確井下分層流量測試相關的可測物理量（溫度、壓力、流量和水嘴開度），在基于注水過程參數優化的前提下建立相關屬性模型，為傳感器和補償器的改進與測定進行相關補償式操作。另外可以進行水嘴閥芯閥套設計部分的節流孔流道優化，從單一的菱形、圓形、U型等孔道升級成三角形+菱形+橢圓形等不同流體聯通式的優化，全面適應大范圍高頻次的流量調節，在熱力學與流體力學范疇達到過流面積梯度自由化，水力半徑最大量的臨界最優。其次明確井下分層注水流量測試環節，井下相關可測物理量對于分層注水流量的影響和需要進行數學建模式分析的物理量矩陣。根據筆者相關經驗，溫度是最終影響注水效果和參數的關鍵，也是誘發壓力異常和驅油效果的要因。所以進行穩定而精確的壓力測量是反應地層水注入效果好壞的最終詮釋。所以水質和水量的控制是各層封隔器驗封效果是關鍵控制點，相關技術人員需要做好相關工作。最后就是在基礎數據收集后基于預設分層注水流量進行控制算法式的動態控制，并及時校訂相關儀表的反饋信號。將流量控制與檢測進行系統性歸一化對比，優化整體閉環體系。排除不良干擾和多重因素下誘發的互助式擾動。

1.3井下自發電分層流量測調

儀器儀表及其相應機械調控設備功耗較低但也需要一定的動力電源進行驅動。而電纜永置能很好的解決相應問題。不過在復雜地層環境與地面干擾下還需要進行備用自給自足式電力系統的布設。在此運用井下注水射流動力進行機械能轉換電能成為首先。運用小型發電機組不僅能節約成本提高系統穩定性還能進行脈沖信號式的分層流量微調。

該構架的核心思想主要是優化供電方式和傳輸方式，在節能減排的基礎上運用渦輪注水發電提高穩定的直流信號供給，保持地面與井下相關儀器儀表通信暢通。但是在檢維修上需要定期進行維保，確保相關布局工作正常。

2 基于可調水嘴的配水器控制

依據現場實際及相關前期研究成果，通過井下配水器是調控層間注水量的機械執行，其主要工作過程為電機帶動滑動絲杠進行閥芯的開啟與閉合，并根據相應儀器儀表檢測量的不同而進行水嘴開度的調整。其過程性清晰，主要為預設不同水嘴結構形狀的流道核算性依托電機旋轉最終實現絲杠螺紋的調控的。相關的靈敏度由預設完善的執行器進行完成。具體工作剖面圖。可以明顯看出水嘴在不同狀態下水流的過程和配注量關系。

2.1基礎理論支撐

相關元器件在設計之初就基于了基礎理論的原始公式核算，該設備同樣如此。相關的精確控制需要靈敏的執行器外還需要注水配水過程中對于不同形狀水嘴流體力學特征的實驗核算。需要注意的是正式工況環境下往往會遇到層間壓差較大、低滲透油藏的惡劣井況下注水。需要在水嘴結構精細核算的同時進行一定欲度的預留。以適應和完善相關控制時的不穩定補償量。保證最中油層能量補充效果。基于自動調節效能的水嘴需要在節流孔的幫助下進行協調解決。而單一的三角形、菱形、橢網形、圓形、矩形、U型等不能滿足當前復雜情況。運用復合型形狀的水嘴形狀會事半功倍。以下在保密準則下展示相關實驗參數。

2.2實驗仿真

通過流體力學平臺進行一定水嘴模型物理量的真實開度下的仿真。實驗數據如圖1所示。在此預設20%、40%、60%、80%、100%當量下的水嘴開度并做流量一壓差關系分析數據擬合曲線。供下步分析。

通過以上實驗數據可知，相應的壓差梯度不斷增大的過程中，流量系數初設為急劇上升狀態，而隨著時間的推移相關數據緩慢下降并最終趨于平穩如圖2所示。不過通過進一步數據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系。所以數據有必要進行進一步加工處理和后續分析。

進一步處理數據，運用spass軟件進行真實數據下的多重擬合實驗，細則為水嘴開度與流量系數采用三次樣條插值完成函數擬合。最終得出40%水嘴開度下的相應值。流量系數最終在擬合實驗下達到最大值，隨后還是依次進行一定降幅的減小。

基于以上模擬性結果，在真實環境下進行相應實際流動前提下的水嘴情況綜合實驗論證。可以看出運用不同水質和溢流閥完成試壓泵的調配和電磁流量計的校訂。然后的電磁機械流量計的誘導下進一步得出相應對比數據列，然后方可開展下步工作。在集成系統的控制下運用相應控制器完成井底分層注水的協調性更正實驗，最終得到真實情況下的水嘴前后壓差。

具體實驗過程為：首先在溢流閥關閉情況下完成水嘴最大開度的過程性測試，具體操作時應在20%開度下保持一定時間然后進行逐步提升最終升至100%，隨后在進行5～50Hz的試壓泵頻率變更式運行，隨后記錄實驗過程的全部可測物理量。最終通過真實數據和實驗仿真進行不同水嘴開度、壓差下的流量核算，得出真實環境下的操作要點。

實驗要點及成果分析：綜合不同工況下的真實注水井井況在配合前期水嘴擬合后得出相應的適應性規律，其中U型水嘴的相關產品智能調控效果最好，且維護性更好。在20%～100%的流體仿真和真實情況下過程實驗中綜合可測物理量變化程度最優，相應設備磨損效果最小。在基于產品制造原則上進行40%的開度時流量最大淡水相應的非線性關系不成連續性變化，認知為達到臨界狀態。綜合控制誤差率3%左有，實際試驗與模擬仿真相比誤差可接受。

3 結語

驅油注水目前仍然是油田提高采收率的重要舉措，為了進一步提高采收率，精細注水已經成為了國內外油氣開采領域的熱點研究問題。文章主要研究了永置式的注水井分層流量測量與控制技術，通過實時監測井下各層流量、溫度、壓力、水嘴開度，實現配水器注水量的自動控制與調節，對精細注水、提高注水井開采率具有重要的意義。

參考文獻

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