海上油田注水井智能監測與控制技術研究

徐興安　張鳳輝　楊萬有

摘????? 要： 為提高渤海油田注水增產效率，實現注水井分層注水的精細化管理，針對渤海油田大排量注水的應用需求，設計開發了一種井下分層注水智能配水器及配套地面監控設備。該配水器具有井下數據實時采集、分層注水量自動調控、分層在線驗封、注水安全監測等功能，配水器由機械部分和電控電路兩部分組成，其中電控電路包括井下電源模塊、微控制器模塊、數據采集模塊、解碼電路、發碼電路、電機驅動電路。配水器借助鋼管電纜與地面監控設備相連，即可在中控遠程實現分層注水的在線監測與分層注水量的動態調控，單層配注量最大可達1 000 m³·d^-1，單井測調時間可縮短至幾個小時，減少了后期調配作業和修井費用，截至2019年12月現場已成功應用87口井，累計298套，節約測調費用約1 370萬元，降本增效顯著。

關? 鍵? 詞：海上油田;注水;智能配水器;測試儀器;分層注水

中圖分類號：TE357.8?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1396-04

Research on Intelligent Monitoring and Control

Technology of Water Injection Well in Offshore Oilfields

XU Xing-an， ZHANG Feng-hui， YANG Wan-you

（Energy Technology & Services-oilfield Technology Services Co.， CNOOC， Tianjin 300452， China）

Abstract：? In order to improve the efficiency of water injection in Bohai oilfield and realize the fine management of layered water injection in water injection wells， a kind of underground layered water injection intelligent water distribution device with cable and supporting ground monitoring equipments was designed and developed according to the application demand of large displacement water injection in Bohai oilfield. The water distribution device has the functions of real-time data collection， automatic control of layered water injection， layered online sealing test， water injection safety monitoring， etc. The water distributor is composed of mechanical part and electric control circuit. The electric control circuit includes underground power module， micro controller module， data acquisition module， decoding circuit， code sending circuit and motor driving circuit. The water distributor can be connected to the ground monitoring equipment with the help of steel pipe and cable， which can realize the online monitoring of layered water injection and the dynamic regulation of layered water injection in the central control remotely. The single-layer water injection can be up to 1 000 m3·d-1 at most， and the single well test and adjustment time can be shortened to a few hours， which can reduce the cost of later deployment and workover. As of December 2019， 87 wells have been successfully applied on site， with a total of 298 sets. The saved adjustment cost is about 13.7 million Yuan， cost reduction and efficiency increase are significant.

Key words：? Offshore oil field; water injection; intelligent water distributor; Testing instrument; Layered water injection

渤海油田注水開發占比達78%，現有注水井811口，其中分層注水井742口，分注井占比超過90%。渤海油田常規的分注技術主要有同心分層注水技術、空心集成分層注水技術、邊測邊調分層注水技術等^[1-7]，分層測調、層間驗封均需要借助鋼絲或電纜作業配合，受平臺作業窗口、井斜、單井測調周期長等多方面因素的影響，普遍存在注水井分層測調不及時、大斜度井無法測調、測調效率低等問題，造成渤海油田注水井三率較低，嚴重地影響了油田注水開發的效果。

針對常規分層注水技術的不足，渤海油田開展了注水井智能測調技術的攻關，形成了具有海油特色的井下智能分注技術與配套井下智能配水器^[8-9]。智能配水器的應用實現了注水井分層注水量、注水壓力、地層壓力等參數的實時監測和注水量的自動化調整，分層注水合格率、測調效率均大幅度提升，為油藏分析提供了實時與準確的數據，促進了分層注水技術向數字化、智能化的升級，為渤海油田的注水高效開發提供技術支持。

1? 技術原理

技術組成如圖1所示，有纜智能配水器作為井下智能分注技術的關鍵工具，每一個注水層段對應一個智能配水器，各層智能配水器獨立工作，采集井下分層注水流量、注水壓力、地層壓力、溫度、電機電流、閥開度等數據，并根據分層配注量自動控制水嘴開度大小，實現分層注水的自動化調整，確保分層注水量在分層配注允許的范圍內。相鄰兩個注水層位采用一個過電纜插入密封工具進行分隔，防止注水層間的干擾。各層配水器由一根鋼管電纜串聯，并共用該電纜與地面控制器相連與通信，地面控制器借助鋼管電纜向各配水器供電并傳送控制指令，各層配水器接收控制指令后，一方面控制可調水嘴開度調控，實現分層注水的動態控制;另一方面將調控過程中實時采集的數據遠傳給地面控制器，實現地面控制器對分層調配的實時監控。

2? 智能配水器設計

有纜智能配水器如圖2所示，工具主要由上接頭、上滑套、流量計、上外套管、主體、一體化可調水嘴（包括閥芯、絲杠、電機和減速器、行程開關等組件）、測控電路、下外套管、下滑套、下接頭流量計等組成。

2.1? 流量計設計

有纜智能配水器流量測試優選電磁流量計，流量計以其具有抗污能力強、結構簡單、無運動部件等優點特別適用于井下流量的長期測試，同時針對海上大排量注水的應用需求，配水器采用雙流量計結構設計，設計有2個過流注水通道，分別用于有大流量和小流量分層注水，流量測量范圍可達

1 000 m³·d^-1，2個過流注水通道由一體化可調水嘴進行開關控制，通過可調水嘴閥芯的位置變化，即可實現分層注水量的無級調整。

2.2? 一體化可調水嘴設計

一體化可調水嘴結構如圖3所示，主要由密封腔、閥芯、連桿、行程開關、霍爾傳感器、磁鋼、絲杠螺母副、電機和減速器組成。

可調水嘴的閥芯結構在電機和減速器的驅動下可沿出水口軸向運動，可開關水嘴、切換流量計通道。在某一流量計的行程范圍內，可通過改變出水口面積調節流量。可調水嘴內部全關位置設計有密封圈，密封采用格蘭圈密封，可有效防止由于水流沖刷造成的密封失效問題，當水嘴運行到全關極限位置時，閥芯與密封圈配合密封注水環形空間，實現注水通道的安全關閉。可調水嘴采用平衡壓設計，可滿足壓差20 MPa下一體化可調水嘴的開關調控。一體化可調水嘴在行程的全開和全關2個極限位置，設置有2個行程開關，用于極限位置切斷電機供電，實現電機的防過載保護。

2.3? 耐腐蝕性

渤海油田單井酸化增產增注措施實施頻繁，對井下智能配水器的耐酸性能提出較高的要求。現場試驗發現，電磁流量計的電極材料在酸性環境中（酸化處理液包含j（HCl）12.0%+j（HF）3.0%+ j（緩蝕劑配制酸液）0.5%）存在嚴重腐蝕的問題，造成井下智能配水器進液而電氣短路，導致測調系統癱瘓的故障。為此，開展了電極材料的篩選評價試驗，試驗結果如表1所示。同時關鍵部件為不銹鋼材質，并對工具進行QPQ表面處理。

2.4? 防砂卡設計

配水器出水口設計有單向防反吐組件，可避免注水井停注或反洗井時，環空砂或雜物造成配水器水嘴砂埋、堵塞等風險;同時，為減小油管內注入水質含砂、結垢造成水嘴開關調控困難的風險^[10]，流量計和水嘴進水口為離心結構，并安裝有過濾網，可有效避免砂礫或結垢物造成可調水嘴閥芯開關遇阻、調控困難的問題。

3? 智能配水器硬件電路設計

智能配水器電路由主控電路、解碼電路、發碼電路、溫度測量電路、壓力測量電路及電機驅動電路等部分組成，其原理框圖如圖4所示。

主控芯片通過解碼電路獲取地面控制器下傳命令，根據上位機軟件設置的調節時間調節水嘴開度。通過AD采集芯片采集內壓、外壓以及環境溫度，并通過發碼電路將獲取的數據發送給地面控制器。

3.1? 處理器電路設計

采用dsPIC30F6012A為主控芯片，結合16位單片機控制特點和DSP高速運算優點，兼具高速度、低電壓、低功耗、大電流驅動能力和低價位OTP及Flash技術，支持4 M×24位的可尋址Flash程序存儲體、32 K×16位的數據存儲空間及2.5～5.5 V供電電壓。

3.2? 發碼電路設計

發碼電路與配水器內部的微處理器連接，接收處理器發來的井下分層實時數據，并通過發碼電路將數字信號轉換為模擬信號，經信號耦合通過單芯電纜的直流載波方式上傳給地面控制器，發碼電路結構設計，如圖5所示。

3.3? 解碼電路設計

解碼電路經單芯電纜和地面控制器連接，將地面控制器下傳的模擬信號轉換為數字信號，并發送至配水器內部的微處理器，進行指令分析和運算處理，解碼電路如圖6所示。

4? 現場應用效果

截至2019年12月，有纜智能分注技術已在渤海油田應用87口井，智能配水器累計應用298套，最大下深3 333.00 m，最多井下6層級聯調控，最大井斜87.62°，最大分層注水量800 m³·d^-1，在酸化、微壓裂等增產措施下配水器運行穩定、可靠。井下智能配水器的應用，降本增效顯著，節約了單井測調費投入，單井測調時間由4 d縮短至4 h，測調效率提高20余倍，單井測調頻次將有1次·a^-1提高至3次·a^-1，注水井三率提升顯著，據估算智能配水器在87口井的應用，將節省測調費用約1 370萬元·a^-1。

5? 結 論

1）井下智能配水器的應用，實現了分層注水的遠程在線監測和自動化調控，分層測調無須占用平臺作業窗口、無須鋼絲電纜作業配合、無須拆裝井口，解決了作業時間沖突、大斜度井無法鋼絲或電纜測調、拆裝井口的安全和作業風險，節約了測調費用投入，提高了測調效率，減小了額外作業風險。該技術特別適用于大斜度井、水平井、無人平臺分層注水的測試與調配。

2）井下智能配水器久置于井下各注水層段，通過配水器內的壓力計可實時獲取井下分層注水數據，并可將數據實時傳輸至地面監控設備，實現了分層注水的在線監測;同時智能配水器可接收地面監控設備的控制指令，快速完成分注層注水量的調整，測調效率更高。

3）井下智能配水器的穩定性與可靠性是智能分注技術的關鍵點和難點，應持續跟蹤工具的現場應用效果、問題，不斷地優化和改進工具;同時考慮油田智能注采的發展方向，與智能采油技術相結合，搭建智能注采平臺統一技術接口，建立智能分注與分采系統的數據庫，為油藏分析和注采方案的優化調整提供數據支持和技術保障。

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基金項目： 國家科技重大專項，渤海油田油水井高效測調一體化技術示范基金項目（項目編號：2016ZX05058-003-015）。

收稿日期： 2020-03-27

作者簡介： 徐興安（1984-），男，黑龍江省綏化市人，工程師，碩士研究生，2012年畢業于西南石油大學精密儀器及機械專業，研究方向：海上采油工藝。E-mail：xuxa@cnooc.com.cn。