大慶油田電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)研究與應用*

佟音 宋興良 金振東 張偉超 徐文林 劉軍利

（1.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室）

大慶油田開發(fā)進入特高含水后期階段，儲層中剩余油分散，油與水動態(tài)關系復雜且不穩(wěn)定，難以長期保持注水合格率。在精準注水精準開發(fā)的需求下，分層注水井數(shù)逐年增長，分注層段愈加精細。目前高效測調(diào)分層注水技術(shù)是油田注水開發(fā)的主體技術(shù)，該技術(shù)較上一代鋼絲測調(diào)分注技術(shù)在測調(diào)效率方面有了一定程度的提高，但1口7層段分注井的測調(diào)時間仍需要4 d左右，測調(diào)效率仍需要提高。受測調(diào)效率不高和測試隊伍不充足的影響，在當前分層注水技術(shù)背景下，測調(diào)周期一般為4個月，測試間隔時間長，無法保證各分注井的注水合格率，必然會影響油田注水開發(fā)效果。同時四個月測試一次井下的參數(shù)，測取的數(shù)據(jù)無法準確反應儲層的動態(tài)變化，不能滿足精準開發(fā)對數(shù)據(jù)的需求。常規(guī)分層注水技術(shù)（包括高效測調(diào)注水技術(shù)）之所以測調(diào)時間長，主要有三個原因：一是需要向井筒內(nèi)下入測試儀器，調(diào)整儀器位置和提/撈過程耗費時間；二是測調(diào)完當前層，其它層段的注入量又有變化的可能，需要反復測試；三是需要測試人員和車輛都到現(xiàn)場[1-3]。為此，攻關形成了電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)，不需要下入測試儀器，操控軟件實時監(jiān)測各層段井下參數(shù)，并實現(xiàn)在辦公室用戶端對分層注水井的遠程無線控制[4-6]。

1 工藝設計

1.1 總體思路

電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)工藝示意圖見圖1。其中電纜、過電纜封隔器、智能配水器是井下管柱的核心組成部分，服務器、Mcwill網(wǎng)絡、中轉(zhuǎn)站是地面無線遠程控制的核心組成部分。技術(shù)人員在辦公室用戶端發(fā)送操控指令，通過Mcwill網(wǎng)絡將指令發(fā)送至地面控制站，再以電纜作為向井下供電和通信的媒介將指令發(fā)送至井下目標層段的智能配水器，智能配水器接受到指令后可進行井下注入壓力、地層壓力、溫度、流量、流量控制閥開度大小以及設備自身參數(shù)的采集，并通過電纜、地面控制站、Mcwill網(wǎng)絡將上述數(shù)據(jù)反饋給用戶端。根據(jù)需求，設定參數(shù)采集周期和臨界值預警監(jiān)測，實現(xiàn)不到現(xiàn)場、不下入儀器，實時監(jiān)測井下參數(shù)動態(tài)變化，遠程、快速完成測調(diào)。

圖1 電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)工藝示意圖Fig.1 Process diagram of water injection technology for cable direct control real-time monitoring

1.2 智能配水器機械結(jié)構(gòu)設計

智能配水器是電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)的核心單元，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測注入壓力、地層壓力、注入量，通過流量控制閥調(diào)節(jié)注入量，主要組成有以下幾個部分：流量計、壓力計、流量控制閥、上接頭、集線機構(gòu)、下接頭，智能配水器結(jié)構(gòu)見圖2。其中，流量控制閥、流量計、壓力計均采用螺紋連接的方式分別安裝于上接頭上，使用穩(wěn)定支撐桿和集線機構(gòu)對其進行固定，以達到穩(wěn)定流量控制閥、流量計、壓力計機械結(jié)構(gòu)的效果。針對于數(shù)據(jù)傳輸和供電功能，采用單芯電纜傳輸，設計配水器兩端電纜結(jié)構(gòu)，并使用固定密封組件對其進行固定。

圖2 智能配水器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of intelligent water distributor

流量控制閥是智能配水器調(diào)節(jié)注入量的執(zhí)行機構(gòu)，其工作原理為電動機通過傳動軸使絲杠運動，絲杠的運動導致動閥芯與靜閥芯的相對位置改變，實現(xiàn)過流面積的改變。通過在聯(lián)軸器上設計磁鋼，實現(xiàn)流量控制閥開度的測量，進而實現(xiàn)準確控制。智能配水器主體為U型通道結(jié)構(gòu)，在完成連通工藝孔的加工后，進行工藝孔的封堵，保留U型通道流體從濾網(wǎng)進入流量計，流經(jīng)主體的U型通道，受流量控制閥的閥芯控制進入地層，通過閥芯的軸向移動，實現(xiàn)單層流量控制[7-9]。

1.3 測控電路設計

智能配水器測控電路組成示意圖見圖3。其中，單片機測控系統(tǒng)是整個測控電路的核心；指令信號前置處理單元用于來自地面?zhèn)魉蛠淼闹噶罨驍?shù)據(jù)信號的拾波、濾波、放大、整形、處理；數(shù)據(jù)信號功放載波單元用于井下數(shù)據(jù)信號的功率放大后，載波于供電傳輸給地面；纜頭電壓取樣單元輸入電壓按比例分壓后，傳輸給單片機控制系統(tǒng)發(fā)送給地面；功率放大驅(qū)動單元用于控制驅(qū)動變速直流電動機；流量線路單元、地層壓力線路單元、管柱壓力線路單元、溫度線路單元分別將流量傳感器、地層壓力傳感器、管柱壓力傳感器、溫度傳感器測量的信號處理后傳輸給單片機控制系統(tǒng)并發(fā)送給地面；穩(wěn)壓電源模塊將來自單芯電纜的供電，降壓、穩(wěn)壓并輸出+12 VDC、-12 VDC、+3.3 VDC、+48 VDC，供井下各用電單元。

圖3 智能配水器測控電路組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of circuit relationship of intelligent water distributor

1.4 遠程控制系統(tǒng)設計

為及時獲取井下智能配水器采集到的分層壓力、流量數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)對井下智能配水器分層流量的實時調(diào)整，研發(fā)了地面無線遠程控制系統(tǒng)。在井口附近安裝地面控制柜并在其中安裝地面控制箱，用于對井下智能配水器進行數(shù)據(jù)獲取及流量控制；在地面控制箱上安裝無線傳輸模塊，用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接吞锷a(chǎn)無線網(wǎng)。油田生產(chǎn)無線網(wǎng)是油田生產(chǎn)網(wǎng)的無線擴展部分，與油田生產(chǎn)網(wǎng)為同一網(wǎng)段，但與油田辦公網(wǎng)互相隔離不能直接通信，而用于查看井下數(shù)據(jù)及進行測調(diào)的計算機位于油田辦公網(wǎng)，因此，將無線遠程控制系統(tǒng)的服務器部署于油田生產(chǎn)網(wǎng)及油田辦公網(wǎng)之間的隔離區(qū)（DMZ），辦公室的控制電腦通過油田辦公網(wǎng)連接到隔離區(qū)的服務器，進而連接到油田生產(chǎn)網(wǎng)中的地面控制箱，從而實現(xiàn)對井下智能配水器分層流量的實時調(diào)整。地面無線遠程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 地面無線遠程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Fig.4 Network structure diagram of ground wireless remote control system

整個系統(tǒng)采用模塊化設計，各個分析模塊相互獨立，系統(tǒng)主要由以下功能模塊組成：數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊、流量遠程調(diào)控模塊、數(shù)據(jù)多樣化圖表展示模塊、異常信息報警模塊、與現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口模塊、實時數(shù)據(jù)存儲模塊以及權(quán)限控制模塊。系統(tǒng)除手動控制外，還實現(xiàn)了對井下分層流量的自動測調(diào)、自動巡檢、在線驗封、測靜壓實時監(jiān)控反饋等功能，實現(xiàn)對注水井的全過程管理，根據(jù)獲取到的實時返回數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)注水井各層段注水狀況，有效的處理注水井發(fā)現(xiàn)的問題，節(jié)省大量的人工、設備開銷。

2 實驗與分析

2.1 智能配水器室內(nèi)實驗

2.1.1 密封實驗

智能配水器內(nèi)部有大量電子元器件，當有水進入到測控電路板，就會引起電氣短路以致整套智能配水器失效，為此在井下高壓環(huán)境下各密封接口能否保證密封效果至關重要。實驗步驟為：將智能配水器置于實驗套管內(nèi)，打壓35 MPa，通信測試，穩(wěn)壓24 h，取出配水器。密封實驗結(jié)果分析分兩個方面：一是在打壓過程對智能配水器進行通信測試，通訊正常并且各個參數(shù)按照設計要求返回為合格；二是對智能配水器進行拆解，內(nèi)置的流量控制閥、壓力計、流量計以及測控電路均無滲漏為合格[10]。

2.1.2 綜合模擬實驗

為驗證電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)的綜合性能，在分層開采實驗室進行綜合模擬實驗。實驗步驟為：模擬注水井管柱連接智能配水器/過電纜封隔器/油管等，用電纜將智能配水器連接并從過電纜封隔器穿出，通至井口并固定；啟動實驗室高壓分層注水實驗系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)高壓注水泵運行頻率，測試智能配水器流量計/壓力機測量范圍及精度，測試流量控制閥漏失量及開關有無卡頓，智能配水器室內(nèi)綜合模擬實驗見圖5。試驗結(jié)果：用戶端與智能配水器通訊良好，數(shù)據(jù)及指令傳輸穩(wěn)定；流量計測量范圍：0～150 m3/d，測量精度：±3%FS；壓力計測量范圍：0～60 MPa，測量精度：±0.1%FS；流量控制閥開關過程平穩(wěn)無卡頓，在10 MPa壓差下漏失量為0。試驗表明，電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)滿足設計要求。

圖5 智能配水器室內(nèi)綜合模擬實驗Fig.5 Indoor comprehensive simulation experiment of intelligent water distributor

2.2 現(xiàn)場試驗

2.2.1 單項功能試驗

1）壓力、流量監(jiān)測功能。應用電纜直控實時監(jiān)測技術(shù)，可監(jiān)測到注水井井下注入流量、咀前壓力和咀后壓力的實時動態(tài)變化。根據(jù)注水要求，可通過調(diào)節(jié)智能配水器內(nèi)的流量控制閥來調(diào)節(jié)分層注入流量。壓力流量監(jiān)測和注水指示曲線見圖6。

圖6 壓力流量監(jiān)測和注水指示曲線Fig.6 Pressure flow monitoring and water injection indication curve

2）在線驗封功能。以A井為例，若要對A井Ⅰ層和Ⅱ?qū)又g的封隔器是否密封，可關閉Ⅰ層的流量控制閥（Ⅱ?qū)恿髁靠刂崎y狀態(tài)不變并保證未完全關閉），實時監(jiān)測咀前壓力、咀后壓力和注入流量，A井驗封曲線見圖7。Ⅰ層的咀后壓力不隨咀前壓力的變化而變化，Ⅱ?qū)拥木缀髩毫﹄S咀前壓力的變化而變化，并且在Ⅱ?qū)恿髁吭黾拥那闆r下Ⅰ層流量降低。A井Ⅰ層和Ⅱ?qū)又g的封隔器密封，利用電纜直控實時監(jiān)測技術(shù)進行在線驗封，快速且準確。

圖7 A井驗封曲線Fig.7 Sealing inspection curve of well A

3）遠程無線控制功能。目前地面遠程控制系統(tǒng)平臺已投入使用，現(xiàn)場100余口井已納入平臺管理。系統(tǒng)可遠程實時監(jiān)測注水井井下數(shù)據(jù)，并根據(jù)設置的目標值自動調(diào)節(jié)。系統(tǒng)同時具有歷史數(shù)據(jù)存儲和顯示功能、在線驗封功能、異常信息報警功能以及批量數(shù)據(jù)處理功能等，地面無線遠程控制系統(tǒng)操控界面見圖8。當前系統(tǒng)每12 h自動錄取一次數(shù)據(jù)，共采集數(shù)據(jù)20萬余組，為技術(shù)人員優(yōu)化注水方案提供數(shù)據(jù)支持。

圖8 地面無線遠程控制系統(tǒng)操控界面Fig.8 Control interface of ground wireless remote control system

2.2.2 經(jīng)濟效益及前景分析

1）開采回收率分析。電纜直控實時監(jiān)測技術(shù)所應用的130余口井，如果采用原有分注技術(shù)，預計產(chǎn)油43.64×104t，產(chǎn)生效益5.6億元，按照平均單井日注入50 t計算，累計消耗992.8×104t注入水，花費5 510.04萬元，開采回采率10.16%。應用電纜直控實時監(jiān)測技術(shù)4 a后，累計產(chǎn)油46.83×104t，產(chǎn)生效益6.06億元，按照平均單井日注入50 t計算，累計消耗992.8×104t注入水，花費5 510.04萬元，開采回采率11.00%，提升效果明顯。

2）勞動生產(chǎn)率分析。進行注水井測調(diào)時，原技術(shù)需要3人組成專業(yè)測試班組進行現(xiàn)場測試，7段井測調(diào)時間平均為3.9 d。應用電纜直控實時監(jiān)測技術(shù)，僅需1人再辦公室即可完成對井下生產(chǎn)參數(shù)的加測及調(diào)控，7段井測調(diào)時間在1 h以內(nèi)，勞動生產(chǎn)率大幅度提高。

3）節(jié)約成本分析。應用電纜直控實時監(jiān)測技術(shù)，不再需要專業(yè)隊伍到現(xiàn)場去驗封、測調(diào)，所以可以節(jié)約驗封費用、測調(diào)費用、測試車輛費用以及測試人員費用。

4）節(jié)水減排分析。針對試驗區(qū)層間矛盾突出、無效循環(huán)嚴重問題，利用智能分注技術(shù)精準調(diào)控，測調(diào)精度由±30%提升至±10%，保證高滲透層注水精準控制。以A試驗區(qū)為例，該試驗區(qū)共20口智能注水井，運行1 a以上，日注水量由869 m3降至669 m3，明顯下降，而連通油井產(chǎn)量基本保持不變。統(tǒng)計應用電纜直控實時監(jiān)測技術(shù)所應用的130余口井，含水比預期下降0.5%，按照平均單井日產(chǎn)液50 t計算，連通的油井年減少處理水量2.73×104t，節(jié)水效果顯著。

3 結(jié)論及應用前景

1）電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)實現(xiàn)了井下分層流量、壓力遠程實時監(jiān)測及連續(xù)調(diào)節(jié)，具備在線測試分層指示曲線及在線驗封等功能，大幅度提高了測調(diào)效率。

2）電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)節(jié)約了驗封、測調(diào)費用、測試車輛及人員費用，同時增油、節(jié)水，經(jīng)濟效益顯著。

3）電纜直控實時監(jiān)測注水技術(shù)達到了通過科學精確的注水來提高采收率和降低成本的要求，提升了油田注水控制系統(tǒng)自動化和智能化管理水平，隨著大慶油田數(shù)字化、智能化發(fā)展，應用前景巨大。

4）下一步建議擴大現(xiàn)場試驗規(guī)模和遠程控制系統(tǒng)的覆蓋率，實現(xiàn)操作人員由“藍領”向“白領”的跨越。