渤海油田遠程無線智能注水工藝技術(shù)及應用*

馮 碩 張藝耀 李 進 譚紹栩 孫帥帥 畢 闖

(中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

渤海油田以淺層疏松砂巖油藏為主，具有強非均質(zhì)性特點的油藏較多，常規(guī)籠統(tǒng)注水無法實現(xiàn)高效注水開發(fā)。為了提高油田注水開發(fā)效果，提高采收率，分層配注和調(diào)配工藝技術(shù)近年來在渤海油田的應用越來越廣泛[1-2]。目前，渤海油田常用分層配注工藝技術(shù)主要為一投三分、空心集成、同心測調(diào)、同心分注和自提升式防返吐分層注水等[3-5]。近年來，大斜度井和大位移注水井在渤海油田占比逐年增加，根據(jù)統(tǒng)計資料，占比超過20%的注水井為大斜度井或大位移井。常規(guī)注水井分層調(diào)配工藝主要通過電纜、鋼絲或動管柱作業(yè)，其中電纜或鋼絲作業(yè)僅適用于60°以內(nèi)井斜角的定向井[6-7]。因此，受井斜的影響，常規(guī)分層注水工藝無法滿足大斜度井和大位移井注水需求，且作業(yè)成功率較低，作業(yè)成本高。同時，無人平臺面臨注水井調(diào)配困難及施工成本高等難題[8-10]。因此，為了滿足大斜度井、大位移井和無人平臺注水井分層配注和調(diào)配的需求，研發(fā)和應用了遠程無線智能注水工藝技術(shù)，實現(xiàn)了遠程無線智能分層配注。

1 遠程無線智能注水裝置

遠程無線智能注水裝置主要由井下智能配水器、地面控制部分和遠程控制系統(tǒng)組成，是一套無線可視化生產(chǎn)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時監(jiān)控單井注水情況，可配合整個區(qū)塊注水與產(chǎn)量情況，進行大數(shù)據(jù)分析，有效改善儲層開發(fā)效果。

1.1 井下智能配水器

井下智能配水器主要通過接收井口控制器信號，依靠自身電路系統(tǒng)調(diào)節(jié)水嘴開度，從而達到調(diào)節(jié)注水量的目的，同時智能配水器還具備記錄壓力、溫度以及流量的功能。智能配水器由配水器控制供電系統(tǒng)、控制電路系統(tǒng)、軟件處理系統(tǒng)、工作狀態(tài)定位系統(tǒng)、電子壓力計、電動可調(diào)水嘴和機械過濾器等構(gòu)成，具備壓力傳感器、溫度傳感器和流量計，可監(jiān)測地層壓力和溫度等數(shù)據(jù)，配備有可調(diào)節(jié)的水嘴，通過調(diào)節(jié)工作筒水嘴開度可調(diào)節(jié)注水層注水量。該配水器采用高強度合金，具有良好的抗沖蝕和防結(jié)垢等特性。智能配水器工作筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—工作筒；2—檢測電路；3—電動機；4—接收器；5—數(shù)據(jù)存儲器；6—電池；7—開關(guān)器。

目前，智能配水器有三大系列可滿足各尺寸防砂封隔器的要求，其中單井最大注水量可達到3 000 m3/d，完全滿足渤海油田大部分注水井測調(diào)需求。智能配水器壓力工作范圍0～65 MPa，耐溫120 ℃，因為不受井斜限制，故適用于渤海油田大斜度井、大位移井或水平套管井的分層注水需求。井下智能配水器參數(shù)如表1所示。

表1 井下智能配水器參數(shù)Table 1 Parameters of downhole intelligent water injection allocator

1.2 地面控制部分

井口控制器是連接井下執(zhí)行器和電腦終端的中樞機構(gòu)，通過流量計和壓力計能夠完成對注水井井下數(shù)據(jù)的讀取，并通過相關(guān)通信模塊完成地面指令發(fā)送的任務。井口控制器總成包括流量計、調(diào)制解調(diào)器和壓力計。該部分的主要功能包括采集和傳送井下分層壓力與流量數(shù)據(jù)，自動智能控制井下分層流量，按指令調(diào)整電動可調(diào)水嘴的開度，實現(xiàn)井下儀器的調(diào)試。井口控制器流量計的參數(shù)如下：測量精度1%，重復性優(yōu)于0.5%，起始最小流量0.05 m3/h，最大量程50 m3/h，工作電壓220 VAC/12 VDC，功耗0.5 W，防護等級IP65。井口控制器壓力計的參數(shù)如下: 工作電壓12 VDC，功耗0.25 W，控制精度0.2%，壓力測量范圍0～60 MPa。井口控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 井口控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of wellhead controller

1.3 遠程控制系統(tǒng)

遠程控制系統(tǒng)是指智能分層注水控制系統(tǒng)，它主要由地面計算機系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)、地面與井下智能配水器之間的通信網(wǎng)絡組成，可實現(xiàn)智能配水器與遠程終端的雙向通信。智能分層注水控制系統(tǒng)主要功能包括控制中心與井口通信連接，實現(xiàn)人機對話；實現(xiàn)總流量、分層流量、流程壓力、注水壓力以及井口控制器狀態(tài)等遠程數(shù)據(jù)的接收與控制；通過遠程終端計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲、分析和實時控制。

2 遠程無線智能分層注水技術(shù)

遠程無線智能分層注水技術(shù)地面計算機系統(tǒng)主要是通過壓電脈沖和編譯通信波實現(xiàn)井口控制器與井下智能配水器的雙向控制與通信；可通過地面布線或安裝SIM卡實現(xiàn)地面計算機或手機遠程對智能配水器的監(jiān)測與控制，針對海上油田特殊情況，主要以地面計算機為主，實時反映各層注入壓力、水嘴開度和注入流量等注水數(shù)據(jù)。

遠程智能信號波是完成井下井上信息傳遞的媒介，通過水嘴開關(guān)，造成水嘴前后壓力變化，形成一條波，每5條波構(gòu)成一組信號波。由井上傳遞至井下的波叫指令波，由井下傳遞至井上的波叫狀態(tài)波。遠程智能信號波原理如圖3所示。

圖3 遠程智能信號波原理圖Fig.3 Schematic diagram of remote intelligent signal wave

井上至井下的指令波：地面調(diào)制解調(diào)器連續(xù)關(guān)閉5次水嘴，關(guān)閉的時間長短代表不同的指令。

井下至井上的狀態(tài)波：前兩波為數(shù)據(jù)類型，后三波為數(shù)據(jù)值(其中第三波代表整數(shù)部分，第四波代表小數(shù)點，第五波代表小數(shù)部分。)

遠程無線智能分層注水技術(shù)全程免投撈，通過遠程操控井下執(zhí)行器進行測調(diào)作業(yè)，調(diào)配過程相較于普通分層注水簡單，作業(yè)工期短，可實現(xiàn)后期調(diào)配低成本。可通過遠程無線控制和數(shù)據(jù)實時傳送，控制各層段的注水誤差，隨時讀取和存儲各層段注水壓力與注入流量等數(shù)據(jù)；同時井下智能配水器多達72個開度，可實現(xiàn)精細調(diào)配和控制，確保注水誤差小于10%，全井注水誤差不超過5%。材質(zhì)上采用陶瓷水嘴，耐井下液體沖蝕，同時也能防止結(jié)垢。全程可視化注水與調(diào)配，可直觀讀取每層注水數(shù)據(jù)；可儲存記錄注水曲線，實現(xiàn)回讀歷史注水曲線，全面了解地層吸水規(guī)律。數(shù)字化管理，生產(chǎn)過程實現(xiàn)計算機遠程控制與調(diào)配。

3 現(xiàn)場應用

K平臺為渤海油田首座智能無人化平臺。該平臺依托國內(nèi)現(xiàn)有無人化開發(fā)模式，以遠程數(shù)據(jù)采集及視頻監(jiān)控為主要手段，生產(chǎn)流程和設備具備完善的智能控制條件，最大限度地減少了人員登無人平臺的頻率和相關(guān)作業(yè)時間。M井為該平臺沙河街組2井區(qū)的一口大位移注水井，一開?406.4 mm井眼至652.00 m，下?339.7 mm套管至651.24 m；二開?311.2 mm井眼至3 633.00 m，下?244.5 mm套管至3 629.80 m；三開?215.9 mm井眼至完鉆井深4 424.00 m，下?177.8 mm尾管至4 419.60 m，最大井斜為68.3°。M井注水層位為東三段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ油組，射開純油層27.2 m，分3個防砂段注水，設計最大井口注入壓力12.5 MPa，設計注入能力為374 m3/d。為了提高油田注水井注水的開發(fā)效果，需按各層的配注量實施分層調(diào)配，M井整井設計日配注量為300 m3/d，其中第一段設計日配注量為115 m3/d，第二段設計日配注量為110 m3/d，第三段設計日配注量為75 m3/d。

M井968.57～4 424.00 m(井底)井斜超過60°，常規(guī)分層注水工藝無法滿足分層調(diào)配的要求，且在該無人平臺常規(guī)分層注水工藝無法實現(xiàn)智能調(diào)配，因此采用無線智能注水技術(shù)工藝。現(xiàn)場將井口控制器通過串聯(lián)的方式安裝在油嘴與流程之間，通過從電泵間連接電壓為4.5 V的電源線為井口控制器供電，通過連接另一條數(shù)據(jù)線至中控，中控電腦通過專用的調(diào)配軟件可以實現(xiàn)對井下智能注水器的智能控制。

為了評價M井注入能力及油層吸水能力的大小，分析注水井工作制度及油層吸水能力的變化，通過智能分層注水控制系統(tǒng)調(diào)整井下智能配水器開度至全開狀態(tài)，對地層進行全開吸水指數(shù)測試，測試結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，第一層至第三層吸水指數(shù)分別為35、20和18 m3/ (d·MPa)，第一層吸水能力最好，第二層和三層次之。

表2 M井吸水指數(shù)測試Table 2 Injectivity index test for Well M

在地層吸水指數(shù)測試的基礎上，為了提高注水開發(fā)效果，需要按照表3所示設計配注量調(diào)節(jié)井下流量：關(guān)第三層配水器，關(guān)第二層配水器，按照配注調(diào)整第一層配水器；開啟第二層，按照地質(zhì)配注調(diào)整第二層配水器；開啟第三層，按照地質(zhì)配注調(diào)整第三層配水器。

表3 M井流量調(diào)配數(shù)據(jù)Table 3 Flow allocation data for Well M

通過遠程調(diào)配，井下配水器第一層開度為2，第二層開度為8，第三層開度為1；在井口壓力為11.3 MPa時，第一、二、三層均達到設計配注量的配注要求，且與設計誤差小于1%。最終調(diào)配結(jié)果如表4所示。地面調(diào)配軟件實時界面如圖4所示。

表4 最終調(diào)配流量對照Table 4 Comparison of final allocated flow rates

圖4 地面調(diào)配軟件實時界面Fig.4 Real-time interface of ground allocation software

同時，通過地面流量計和井下流量計的流量對比，校核井下配水器流量顯示的準確性，結(jié)果如表5所示。由表5可知，地面流量計與井下配水器流量計顯示誤差較小，滿足作業(yè)要求。M井于2019年10月26日投注，初期配注300 m3/d，實際注入量302 m3/d，井口壓力7.0 MPa，注水正常。截至2021年1月21日，M井井口注入壓力11.5 MPa，注入量286 m3/d，注水正常。

表5 地面流量與井下流量對照Table 5 Comparison between ground flow rate and downhole flow rate

4 結(jié) 論

(1)針對渤海油田大斜度井、大位移井和無人平臺分層配注與調(diào)配困難的技術(shù)難題，研究開發(fā)了遠程無線智能注水工藝技術(shù)及相關(guān)設備，該技術(shù)具有注水井實時動態(tài)遠程監(jiān)測、在線調(diào)配和控制的特點，可實現(xiàn)智能化注水。

(2)遠程無線智能注水工藝技術(shù)在渤海油田M井首次成功應用，解決了無人平臺及大斜度井分層調(diào)配困難的難題，滿足了該井分層配注和調(diào)配需求。

(3)現(xiàn)場應用結(jié)果表明，遠程無線智能注水工藝實現(xiàn)了無井斜限制、井下無電纜控制、無需鋼絲或電纜作業(yè)，既保障了調(diào)配的精度和成功率，又實現(xiàn)了渤海油田注水工藝智能化，可為油田智能化、數(shù)字化和無人化控制提供參考。