基于壓力波通信的注水井分層調控系統研究*

胡改星 劉延青 張天杰 孫玉芹 姬振寧 李正添 宋文平

(1.長慶油田分公司油氣工藝研究院2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室3.長慶油田分公司第一采油廠4.長慶油田分公司第七采油廠5.哈爾濱工業大學)

胡改星,劉延青,張天杰,等.基于壓力波通信的注水井分層調控系統研究.石油機械,2022,50(11):104-110.

0 引言

注水采油是我國油田采油的常用開采方式之一,油田含水率隨注水過程延續而不斷攀升,長慶、大慶、渤海等絕大部分主力油田已進入中高含水期,其特點是層間吸水差異大,導致水驅動用程度低、層間和層內矛盾突出、自然遞減大等采油問題。以華慶油田為例,該油田是長慶油田主力開發區塊之一,處于陜北鄂爾多斯沉積盆地斜坡南部,具有地質儲量豐、油層厚度大且存在多層疊合等特征。但儲層間表現出較強的非均質性,油藏埋深2 200～2 600 m,平均孔隙度12.1%,滲透率0.53 mD,是典型的超低滲透油藏。此類油田開發過程中動態裂縫多方向開啟,見水方向復雜,治理難度大,整體開發效果差。通過持續攻關和配套完善,近年來形成了以機電一體化測調技術為核心的橋式同心、橋式偏心分注技術[1-3]。但分層注水測試調配過程復雜,且不能實時監測和調節井下各層注入量,井下作業風險和操作成本高。

針對以上技術難點,筆者開發了基于壓力波通信的注水井分層流量調配技術,利用壓力波通信技術、水嘴壓差流量計算理論及智能調節技術,使注水井的分注合格率保持較高水平,并能通過長期定時監測,有效反映各層注入量、壓力和溫度等參數,實現井下各層流量自動測調、自動壓降測試、自動驗封和參數實時監測錄取等功能[4-8],為注水開發策略調整提供技術依據,為油田精細注水提供有效的技術手段。

1 注水井分層調配系統技術分析

1.1 系統組成

基于壓力波通信的注水井分層調配系統主要包括井下智能配水器與地面智能閥組2部分,如圖1所示。井下智能配水器是智能注水的執行機構,通過配水器水嘴開度的調節實現地層注水量與管道壓力值的主動調控;同時,水嘴開度調節能夠在管道內產生有規律的壓力變化,實現壓力波通信,進而實現井下向地面的傳輸數據,將管外壓力、管內壓力和注水流量傳回地面;地面智能閥組主要負責控制全井注水量以及向各智能配水器下發目標配注量、水嘴開度等指令,通過調節地面閥的開關狀態,在管道內產生壓力脈沖,形成特定的壓力波通信,實現指令下發?；趬毫Σㄍㄐ诺淖⑺謱诱{配系統致力于實現地面與井下“一站式”遠程無線通信、井下分層流量自動調節、自動驗封、井下注水動態參數實時監測與遠程傳輸[9-11]。

圖1 基于壓力波通信的注水井分層調配系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of separate allocation system for water injection well based on pressure wave communication

1.2 井下智能配水器

井下智能配水器整體結構如圖2所示。由圖2可知,井下智能配水器集成機電一體化水嘴、壓力檢測傳感器、流量計、電機、電池組、主控電路等組件,具有分層流量自動測試與調節、封隔器驗封、分層動態數據監測及存儲、與地面設備壓力波通信等功能[12]。井下智能配水器下井前,在地面設置自動測調周期、采樣間隔、數據上傳周期等參數,檢測正常后隨油管下井;正常注水時,井下智能配水器按照預設參數,自動測試調節分層注水量,長期監測井下分層動態數據,全過程免人工作業,提高分注過程自動化水平。配水器工作溫度范圍為-30～120℃,工作壓差為35 MPa,電機輸出扭矩為6 N·m,流量測試精度為2%,電池容量可滿足在井下正常工作4 a。

圖2 井下智能配水器結構示意圖Fig.2 Schematic structure of downhole intelligent water injection allocator

1.3 地面智能閥組

圖3為地面智能閥組的結構示意圖。圖4為其實物圖。地面智能閥組主要由電控調節閥、地面控制器、閥前壓力傳感器、電磁流量計和閥后壓力傳感器5部分組成,各部分以模塊化形式串接在油田注水管線上。由圖3可知,來水依次流經電磁流量計、閥前壓力傳感器、閥后壓力傳感器,傳感器檢測到的來水參數通過標準modbus通信協議傳輸給地面控制器。當以日常恒流注水時,地面控制器根據電磁流量計實時測得的流量數據與全井的目標配注量進行比對;當偏差超過1%時,電控調節閥的開度將自動調節,使流量滿足目標配注要求。

圖3 地面智能閥組結構示意圖Fig.3 Schematic structure of surface intelligent valve group

圖4 地面智能閥組實物圖Fig.4 Physical drawing of surface intelligent valve group

當需向井下智能配水器下傳控制指令時,通過地面控制器軟件進行一鍵打碼操作,根據不同壓力波通信指令,電控調節閥將進行有規律的開關切換,在油管內產生具有特定規則的壓力波通信,井下智能配水器進行檢測并解碼,執行目標動作。

當需從井下智能配水器上傳數據時,智能配水器水嘴進行有規律的開關切換,在井口產生具有特定規則的壓力波通信。地面智能閥組通過閥后壓力傳感器進行檢測,并由地面控制器進行解碼,從而獲得井下智能配水器上傳的流量與壓力數據。

此外,地面控制器具有良好的人機交互功能,能夠顯示全井實時數據,包括瞬時注水量、累計注水量、調節閥開度、注水溫度、來水壓力與注水壓力;還能夠顯示分層實時數據,包括分層配注量、分層實注量、分層壓力、分層累計流量等,并將實時壓力、流量等數據發送至廠區的監控平臺。

2 壓力波通信原理與算法

2.1 壓力波通信與解析算法

地面智能閥組或井下智能配水器按通信程序重復執行流量閥開關動作時,會在油管內產生高、低2種壓力狀態。壓力狀態的變化以及該狀態的持續時間可以作為一組編碼,實現地面與井下的遠程無線傳輸,這種通信方式稱之為壓力波通信。地面智能閥組與井下智能配水器均設置有壓力傳感器,可以通過識別壓力波波動獲取傳輸的指令或數據信號。井下智能配水器采用電池組供電,因此采用定時休眠與壓力喚醒的方式延長電池組使用壽命。智能配水器每5 min記錄1次壓力值并與1 h內的平均壓力值進行對比,當連續2次記錄得到的壓力差值超過閾值Δp(默認為0.5 MPa)時,便將智能配水器喚醒,進入工作模式。

地面智能閥向井下特定層位的智能配水器發送流量調節指令時,采用“喚醒碼+層位碼+指令碼+三位數據碼+校驗碼+結束碼”的通信規則,且單位時長設置為T0=2 min,每個碼段持續時長與單位時長的比值為該碼段對應的數字。以圖5所示的壓力波通信下傳曲線為例,地面智能閥組先后執行如下動作。

圖5 壓力波通信下傳曲線Fig.5 Pressure wave communication downward curve

(1)喚醒碼:地面智能閥組的流量閥全開、保持時長Tx=10 min,井下智能配水器檢測到壓力升高(Δp≥0.5 MPa),處于“高壓”狀態,智能配水器被喚醒,并開始持續監測所處層位壓力。

(2)層位碼:地面智能閥組的流量閥全關、保持時長Tc=4 min,井下智能配水器檢測到壓力回落,處于“低壓”狀態,Tc/T0=2,對應信息為層位2。此后僅層位2智能配水器進入命令接收狀態,其余層位的智能配水器進入休眠。

(3)指令碼(配注量指令):地面智能閥組的流量閥全開、保持時長Tz=4 min,井下智能配水器檢測到的壓力升高(Δp≥0.5 MPa),處于“高壓”狀態,Tc/T0=2,對應信息為下發層位2智能配水器的目標配注量。

(4)數據碼(配注量十位、個位、十分位):采用3位數格式,分別對應目標配注量的十位、個位和十分位,生成與解析壓力波通信的方式同上。

(5)校驗碼:若層位碼、指令碼及3位數據碼累加的和為奇數,則校驗碼值為1;若累加的和為偶數,則校驗碼值為2;若識別的校驗碼值與規則不符,則說明存在誤碼,智能配水器不會執行相應動作。生成與解析壓力波通信的方式同上。

(6)結束碼:其時長為固定值,時長Tj=T0。生成與解析壓力波通信的方式同上。

井下智能配水器向地面上傳的數據主要是當前層位的注水量與壓力值,上傳數據的通信方式與指令下傳的通信方式基本相同。數據上傳過程中,地面智能閥組維持恒定開度,此時壓力波通信由智能配水器中電控水嘴的開啟、關閉所產生,并由地面智能閥組接收與解析。一組壓力波通信數據包括層位碼、注水量數據碼、壓差數據碼、校驗碼和結束碼。其中注水量數據碼與壓差數據碼均為3位數,按位數由高到低的順序發送,層位碼、校驗碼、結束碼均只包含1位數。圖6所示的壓力波通信上傳曲線對應的信息為:1號層位注水量14.3 m3/d,壓差0.5 MPa。

圖6 壓力波通信上傳曲線Fig.6 Pressure wave communication upward curve

2.2 壓力波通信下傳理論計算

管網通過一定長度的輸水管接至注水井,設輸水管與注水管中流體處于紊流狀態,通過對管路任一橫截剖面的流體參數進行分析,建立管網至地面電控調節閥出口處的伯努利方程:

進一步地,式(1)可改寫為:

式中:p1為管網入口處壓力,Pa;p2為地面電控調節閥出口處壓力,Pa;Q為流量,m3/s;ρ為流體密度,kg/m3;γ為容重,N/m3;z1為輸水管高程,m;z2為地面電控調節閥高程,m;v1為管網入口處流速,m/s;v2為地面電控調節閥出口處流速,m/s;pl1為輸水管沿程壓力損失,Pa;pw1為輸水管的局部壓力損失,Pa;Δpu為地面電控調節閥的局部壓力損失,Pa;A1為輸水管截面積,m2;A2為地面電控調節閥出口處管道截面積,m2;λ1為輸水管阻力系數,無量綱;l1為輸水管長度,m;d1為輸水管內徑,m;ξ1為輸水管的總局部系數,無量綱;ξu為地面電控調節閥阻力系數。

由于z1≈z2,則:地面電控調節閥開度ku被定義為閥體當前過流截面積與最大過流截面積的比值,即:

式中:Au為閥體當前過流截面積,m2;A0為閥體最大過流截面積,m2;du為閥體當前過流截面等效直徑,m;d0為閥體最大過流截面等效直徑,m。

地面電控調節閥產生的阻力系數由此可表示為:

式中:σ為流體收縮系數,取σ=0.63。

地面電控調節閥開度影響注水管流量,當閥體開度由ku1增加到ku2,流量由Q1提升至Q2,則地面電控調節閥出口處的壓力變化(信號幅度)為:

2.3 壓力波通信上傳理論計算

設井下各智能配水器管路的流體均處于紊流狀態,通過對管路任一橫截剖面的流體參數進行分析,建立第i個配水器入口至對應注入層(配水器水嘴出口)的伯努利方程:

式中:p3為配水器入口處壓力,Pa;p4為注入層壓力,Pa;z3為配水器入口處高程,m;z4為注入層高程,m;v3為配水器入口處流速,m/s;v4為配水器水嘴出口處流速,m/s;Δpvi為配水器中心過流通道的壓力損失,Pa;pmi為配水器水嘴的壓力損失,Pa。

由于z3≈z4,因此可進一步推導得:

式中:QΔi為配水器的水嘴流量,m3/s;Am為配水器水嘴截面積,m2;Aw為配水器入口處截面積,m2;Ad為配水器中心過流通道截面積,m2;ξvi為配水器中心過流通道的阻力系數,無量綱;ξm為配水器水嘴的阻力系數,無量綱。

設地層壓力不變,地面電控閥全開;改變1號配水器的水嘴開度,其余各配水器開度均不變,當1號配水器的水嘴開度減小時,其水嘴阻力系數由ξv11變為ξv12,該配水器的水嘴流量由QΔ11變為QΔ12,則井下1號配水器水嘴入口處產生的壓力變化(信號幅度)為:

式中:QΔ11為1號配水器水嘴開度改變前的水嘴流量,m3/s;QΔ12為1號配水器水嘴開度改變后的水嘴流量,m3/s;ξv11為1號配水器水嘴開度改變前的阻力系數,無量綱;ξv12為1號配水器水嘴開度改變后的阻力系數,無量綱。

3 室內試驗研究

3.1 室內試驗系統搭建

室內試驗系統主要由儲液系統、監測系統、地面智能閥組與智能配水器組成,如圖7所示。儲液系統包括儲罐、泵、穩流罐及分流閥,主要實現液體存儲,并為液體循環流動提供動力;監測系統主要包括流量計與壓力計,對液體流動狀態與管路內壓力狀態進行監測;地面智能閥組實現壓力波通信下傳與回傳信號的解析;智能配水器是主要試驗對象,試驗測試其指令接收、流量調節、數據上傳等功能。采用2套智能配水器串聯的布局方式模擬現實工況中井下的2個注水層段。

圖7 室內試驗系統結構示意圖Fig.7 Schematic structure of indoor test system

通過地面智能閥組的開關切換進行壓力波通信指令下傳操,在測試管線內產生目標指令的壓力波通信。管線上的智能配水器通過內置壓力傳感器檢測并解析來水的壓力波動,從而執行目標動作;壓力波通信數據上傳操作時,通過配水器內置的電控水嘴開關切換在測試管線內產生上傳數據對應的壓力波通信。通過地面智能閥組監測并解析,獲得來自智能配水器的上傳數據。

3.2 數據下傳試驗

初始階段管道內的流動狀態為恒流30 m3/d(圖8中藍色曲線為流量曲線、紅色曲線為壓力曲線),通過壓力波通信試驗,將層位-智能配水器目標配注量變更至12 m3/d。首先發送喚醒碼,智能配水器被喚醒后,依次發送層位碼、配注量指令碼、數據碼及校驗碼。其中數據碼分為3位,分別為數據碼1位對應目標流量的十位,數據碼2位對應目標流量的個位,數據碼3位對應目標流量的十分位。發送成功后層位-智能配水器接收并解析壓力波通信指令,開始進行自動調整,流量由初始的30 m3/d自動調整為12 m3/d,由此證明控制指令下傳成功。

圖8 下傳配注量變更壓力波通信曲線圖Fig.8 Pressure wave communication downward curve diagram of injection allocation change data

3.3 數據上傳試驗

初始狀態下1號層位配水器的平均流量為13.3 m3/d、壓差為0.55 MPa,進行1號層位數據壓力波通信上傳測試。首先發送喚醒碼(圖9中藍色曲線為流量曲線、紅色曲線為壓力曲線),智能配水器被喚醒后,地面智能閥組依次發送層位碼、流量與壓差指令碼、數據碼及校驗碼。1號層位智能配水器接收到上述壓力波通信指令后,開始通過有規律地開啟和關閉水嘴,上傳流量與壓差數據,首先上傳層位碼,再依次上傳層位-流量的十位值、個位值、十分位值,然后依次上傳層位-壓差的個位值、十分位值、百分位值,最后依次上傳校驗碼與結束碼。地面系統接收到的流量與壓力曲線。

由圖9可知,解析后獲得的層位-上傳數據為流量13.30 m3/d、壓差0.55 MPa,與實際數值一致。由此證明通過壓力波通信方式可以成功上傳智能配水器中的流量與壓力數據。

圖9 上傳流量與壓差數據壓力波通信曲線圖Fig.9 Pressure wave communication upward curve diagram of flow and pressure differential data

4 現場應用

截至目前,基于壓力波通信的注水井分層流量調配技術在華慶油田白153試驗區已應用85口井,最大下入深度2 475 m,最大井斜角55.25°,最大分注層數為5層,最長運行時間超過50個月。試驗區分注合格率長期保持在95%以上。實施井組綜合開采曲線如圖10所示。由圖10可知,油井產量遞減速率由5.6%下降至3.4%,油井含水上升率由3.7%下降至1.2%,5年累計增油3.7萬t,促進開發效果持續提升。

圖10 試驗區實施井組生產曲線Fig.10 Production curve of application wells in test area

試驗井“關128-143”于2019年10月12日完井,井深2 221 m,井斜35°,注入介質為清水,全井配注33 m3/d(上層配注15 m3/d、下層配注18 m3/d),測調周期為7 d,采樣間隔為8 h。圖11為試驗井分層流量及壓力的實時監測曲線。分層流量曲線表明:各層注水量能夠長期滿足地質配注要求,實現了全天候達標分注。

圖11 關128-143井分層動態數據Fig.11 Separate dynamic data of Well Guan128-143

5 結論

(1)室內試驗及現場應用表明,基于壓力波通信的注水井分層流量調配技術實現了地面設備與井下智能配水器之間的遠程通信與控制,能夠將井下各層段的目標配注量等控制指令下傳至智能配水器,且井下智能配水器監測到的流量、壓力等數據能夠通過壓力波信號傳回地面系統,反饋井下工作狀態。

(2)基于壓力波通信的注水井分層流量調配技術實現了地面與井下遠程雙向無線通信、井下分層流量自動調節、井下注水動態參數實時監測提取與遠程傳輸,為實現單井實時自動測調數字化、區塊油藏動態調整信息化、地質工程設計調控一體化的第四代分層注水技術目標奠定了堅實基礎。

(3)基于壓力波通信的注水井分層流量調配技術可加速注水井智能化管理,將引領油田精細分層注水領域向智能化、自動化、一體化方向發展,為及時掌握超低滲透油藏分層注水井的分層測調與管理起著重要的支持作用。