注水井智能分注技術研究進展

趙旭亮，劉永莉

（1.中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010； 2. 渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

分層注水是補充地層能量、緩解層間矛盾、提高采收率的重要手段。常規分注技術包括橋式偏心、橋式同心等，能滿足水驅開發中不同時期的需求。但隨著油田開發規模的擴大和開發進程的深入，常規分注技術暴露出一些不足之處，如測調工藝復雜、測調工作量和勞動強度大，特殊井（套變井、邊緣井及大斜度井等）測調不方便甚至無法測調，只能周期性測調，無法長期保持較高的注水合格率，無法長期監測分注數據等。

國內外智能分注技術研究主要包括有纜式智能分注[1–3]、非接觸式智能分注[4–6]及無纜式智能分注[7–10]等方式，能解決常規分注技術存在的問題，實現分層注水精細化、有效化、智能化的長期實時控制。

1 智能分注技術

1.1 有纜式智能分注

有纜式智能分注是地面控制系統通過電纜控制有纜式智能配水器，實現每個注水層配注量測調、封隔器驗封及測試數據讀取（圖1）。過電纜封隔器在實現電纜穿越功能的前提下，封隔各注水層段，避免產生層間干擾。智能配水器可對管內注水壓力、地層壓力及流量等參數進行定時監測，并通過電纜傳遞至地面控制系統，配水器可定期對水嘴開度依據監測數據進行修正以保證注水量滿足要求。

楊萬有等[1–3]研制的智能配水器，水嘴設計為對稱平衡結構，保證水嘴在高壓差條件下的順利開關，同時采用槽式進水設計防止水嘴砂卡。為了提高有纜式智能分注技術作業效率，設計了專用配套工具：①電纜連接器：在作業過程中實現電纜連接，密封方式設計為 2級或 3級密封以提高連接處有效密封；②電纜保護器：安裝在油管接箍處，防止管柱下入時損害電纜；③電纜防壓裝置：安裝在井口處，在管柱下入過程中防止吊卡損害電纜，提高作業效率；④過電纜井口密封裝置：管柱下入作業間歇過程中確保井口管柱和電纜的有效密封，避免間歇封井時電纜被剪斷后再連接產生的密封失效風險。

1.2 非接觸式智能分注

非接觸式智能分注是當測調或數據讀取時，油管內通過電纜下入非接觸調控儀至配水器有效通訊位置范圍，地面控制系統實現與智能配水器雙向數據傳輸；控制配水器進行測調，同時提取配水器前期測試數據（圖2）。非接觸式智能配水器對各層參數進行定時測量并存儲至芯片中，水嘴驅動力由預置在配水器內的電池提供。水嘴開度可根據井下參數變化，定時通過控制芯片的流量自動測調算法并進行調整，以保證配注水量恒定。

雷創[4]等研制的非接觸式智能配水器，自帶壓力計和流量計等傳感器，監測各層壓力、流量等數據，并將數據存儲至芯片。后期下入短節與配水器非接觸對接，提取存儲數據，并通過現場試驗確定數據監測周期為4 h，測調驗封周期為10 d。

圖1 有纜式智能分注結構

圖2 非接觸式智能分注結構

1.3 無纜式智能分注

無纜式智能分注是地面控制系統利用壓力波或流量波通信技術，通過井口控制系統向井底發送預設的高低脈沖信號，控制井下無纜智能配水器執行配注測調等相關操作（圖3）。智能配水器動力由預置在配水器內電池提供，配水器定時對井下參數進行測量，并定時調整水嘴開度以保證目的層注水量。讀取井下數據時，地面控制系統通過井口控制系統下發測試數據回傳指令，對應層位配水器利用波碼傳輸技術實現測試數據回傳。

圖3 無纜式智能分注結構

楊玲智等[7]研制的無纜式智能配水器，建立了壓差、流量及開度這三者的關系模型和配水器自學習模型，可確保分注流量達標。韋棟等[7]研究的壓力波通信技術，可實現地面向井下和井下向地面的雙向通信，指令為壓力或流量序列，下發指令信息包括配水器儀器碼和操作指令，上傳指令包括層號、內壓、外壓、流量及開度等。朱蘇青等[11]建立的地面控制調配注水量方法，以單層配注量為依據，向下發送開度指令，穩定后上傳水嘴前后壓差，地面控制系統計算并判定是否滿足精度，如果不滿足則繼續調節。

2 三種分注方式對比

有纜式智能分注、非接觸式智能分注及無纜式智能分注對比結果見表 1。有纜式智能分注技術測調動力通過電纜由井口提供，能夠實時對井下數據進行監測，非接觸式智能分注技術避免了起下電纜作業，無纜式智能分注技術采用波碼雙向傳輸技術實現測調和井下參數測試，適用于帶壓作業。3種方式各有優勢，應根據具體情況選取。

表1 三種分注方式對比結果

3 智能分注研究方向

目前，智能分注技術除各自技術瓶頸外，在現場應用中主要存在兩方面的核心問題：①水嘴堵塞：注水過程中由于水質[11–14]、地層返吐等影響導致水嘴堵塞，進而影響智能分注技術的使用壽命；②電池壽命：非接觸式和無纜式智能分注的壽命主要由電池壽命決定，特別是無纜式智能分注技術采用井下水嘴開關向上傳輸數據，對電池性能要求較高。因此，電池使用壽命是制約該技術發展的瓶頸問題。

當前解決水嘴堵塞的對策主要有兩種：一是建立定期水嘴調整機制，定期對水嘴清除堵塞物；二是采用特殊材質防止結垢，同時在結構上考慮進水處、出水處及水嘴的最小尺寸，通過機械結構防止堵塞物進入水嘴。下步應開展特殊結構防堵水嘴設計，利用注入水在井內的壓差作為水嘴解堵動力，解決水嘴堵塞問題。開展可投撈水嘴智能分注技術研究，一旦水嘴堵死，可進行投撈作業更換水嘴，提高智能分注技術的使用壽命。

為確保電池壽命和管柱壽命一致，水嘴采用平衡壓等設計，開關不受水嘴前和水嘴后壓力的影響，降低測調功耗，同時對智能分注技術的測調周期、驗封周期及數據上傳次數等進行限制，以節省電池電量。下步應開展低功耗水嘴測調技術研究，在利用低功耗元器件的基礎上，進一步降低功耗。加強高性能電池研究，提高電池的使用壽命。開展電池水嘴一體化投撈技術研究，實現水嘴和電池一體化設計，當電池沒電或水嘴堵死時，進行投撈作業，更換一體化的帶電池水嘴。

此外，還可開展同時具備有纜和無纜智能分注功能的耦合技術研究，前期采用無纜智能分注，當電池電量用完或需要實時監測數據時，可通過管內有纜或非接觸對接，為井下配水器提供動力和數據實時傳輸通道，以提高智能分注管柱的使用壽命。

4 結論

（1）闡述了有纜式、非接觸式及無纜式三種智能分注技術的工作原理和研究進展，并就配套工具、作業過程、動態監測、數據回傳及技術瓶頸等方面對三種智能分注技術進行了對比。

（2）開展特殊結構防堵水嘴或可投撈水嘴智能分注技術研究解決水嘴堵塞問題，加強低功耗水嘴測調技術、高性能（可充電）電池研究及電池水嘴一體化技術研究提高電池壽命，進行多功能智能分注技術研究，實現三種智能分注技術的優勢耦合，規避單種智能分注存在的技術限制是智能分注技術的發展方向。