基于無線充電及通信技術的智能配注水系統分析

金振東，朱振坤 ，張偉超，石玉卿，佟 音，郭 穎

(1. 大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453; 2. 黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室，黑龍江 大慶 163453)

特高含水期油田注采關系復雜，井下參數變化頻繁，提高注水合格率是保證注水開發效果的有效方法，為此需要縮短測調周期來提高配水精度。實踐證明前期發展的高效測調技術可提高測調效率1倍以上，成功地將測調周期由6個月縮短到4個月，長期分注合格率由60%提高到70%以上。統計分析現場試驗效果，油藏動用比例提高了10%。如將長期分注合格率提高到80%以上，動用比例將在現有基礎上還有提高空間，但測調周期將縮短至1個月,當前以人工參與測試方式為主體的分注工藝，在測調周期和單層配注精度上受到技術限制[1-10]。根據以上預測，考慮工作量和投入成本，現有配注技術無法滿足這一需要，因此研究了智能配注技術，通過實時監測井下參數、自動調整注入量來保持較高的注水合格率，提高油藏動用比例，實現剩余油的精細挖潛，延長油田經濟有效開采壽命，同時為油藏分析提供更多數據支持，增強措施的針對性和合理性[11-13]。

1 總體方案

注水井智能配注工藝是將智能配注器隨注水管柱下入，在井下長期連續工作,如圖1所示。當注水管柱坐封后，智能配注器按照預先設置好的測調周期和目標注入量進行測量和調配，測量到的井下參數和調配過程以數據的形式存儲在智能配注器內部存儲單元中。對歷史數據的讀取可通過下入智能測控充電一體儀來實現，該儀器的作用是為地面測試人員與井下智能配注器提供信息傳送通道，實現歷史記錄的上傳；智能配注器采用電池組供電，該儀器同時可為井下智能配注器補充電能。地面測試人員還可通過該儀器實現智能配注器流量的人工測調及控制參數的重新定制。

圖1 注水井智能配注工藝系統組成

2 核心工具

2.1 智能配注器

智能配注器是智能配注技術的關鍵工具，可實現對井下分層油管壓力、地層壓力、注入流量、溫度等數據的測量，又可實現對分層注入流量定期自動調配。智能配注器結構原理如圖2所示，其中流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、測控電路板構成了工作參數采集組件；測控電路板上的水下無線數據傳輸模塊、天線構成了數據通信組件；流量控制閥采用大轉矩電機驅動減速器及傳動軸總成來控制閥芯的開度，實現流量電控調節；電能轉換器次級、測控電路板上的電源管理電路、電池組構成電源管理組件；主控制電路對各組件進行統一管理，存儲器內存儲測調周期、目標注入量等工作數據。在自動測調狀態，當測調周期到來時，智能配注器主控制電路會自動喚醒，按照寫在主邏輯處理電路CPU中的智能測調算法去工作。智能測調算法是根據測量到的注入量和流量調節機構執行動作形成的閉環反饋實現分層流量的自動測調的，完成測調后智能配注器進入休眠狀態。人工測調時，當前端控制器到達智能配注器后，智能配注器進入到喚醒狀態，通過無線通信組件接收地面的控制信息，可實現井下參數人工測量、注入量調配、歷史監測數據上傳以控制參數重新定制等[14-15]。

圖2 智能配注器結構原理

2.2 智能測控充電一體儀

智能測控充電一體儀用于定期測試，檢測井下智能配注器工作狀態、錄取歷史監測數據、發送控制指令、為智能配注器充電等。核心的相關技術是DC—AC逆變技術與電磁感應技術[16-18]。智能測控充電一體儀電磁感應等效電路原理如圖3 所示，其中，V1為初級輸入電壓，I1為初級線圈的電流，C1、L1、R1分別為初級線圈的電容、電感和電阻，V0為次級輸出電壓，I2為次級線圈的電流，C2為次級線圈補償電容，L2、R2分別為次級線圈的電感和電阻，R0為電路的負載，M為初級線圈和次級線圈的互感。

圖3 智能測控充電一體儀電磁感應等效電路原理

由圖3的等效電路可得式(1)，要增大輸出電壓V0首先需增大次級線圈感應電壓jωL2C2。通過選擇次級線圈的補償電容C2，使得ω2L2C2=1,從而減小式(1)分母項的模值，即增大輸出電壓。由式(1)可得式(2)。式(3)中負載R0與輸出功率成正比，但是R0越大，負載側并聯諧振品質因數Q2也越大，對應的諧振曲線越尖，負載輸出能力對工作頻率等參數的變化越敏感。實際工作中工作點相對于諧振點較小的偏移便會引起輸出能力很大的降低，因此通過增大負載來提高輸出功率的方法在工程上不實際。當負載一定時，結合式(1)、式(3)可以看出影響輸出功率的因數分別是初級線圈電流的頻率、幅值以及互感與次級側的比值。

(1)

(2)

(3)

式中：V0為輸出電壓，V；M為初級線圈與次級線圈的互感，H；L1為初級線圈的電感，H；L2為次級線圈的電感，H；C2為次級線圈的補償電容，F；R0為電路負載電阻，Ω；I1為初級線圈電流，A；P0為輸出功率，W。

智能測控充電一體儀電路系統組成如圖4所示。將地面不同標準的交流電統一轉換成310 V直流電，經電纜傳送到智能測控充電一體儀，然后初級電能轉換模塊應用逆變原理產生1 500 V正弦交流電，傳送到初級繞組上。初級繞組產生的交變電磁場在智能配注器內部的次級繞組上產生感應電流，該電流經次級轉換模塊的濾波，整流，降壓、穩壓處理后換成直流穩定輸出，為智能配注器內部用電設備提供穩定電源；該模塊對電池組當前電力的使用狀態進行分析，根據當前狀態采用恒壓后恒流的方式對電池組進行充電管理；當智能測控充電一體儀通過智能配注器時，在次級繞組上產生電脈沖信號，該信號被次級模塊捕捉確認后，通知測控電路打開水下無線數據傳送模塊，使其處于待機狀態。當智能測控充電一體儀與智能配注器達到通信距離后，可實現地面與井下的數據通信。

圖4 智能測控充電一體儀電路系統組成

智能測控充電一體儀組成如圖5所示，儀器長1.4 m，外徑?36 mm。采用?3.2 mm單芯鋼管電纜進行測試，與高效測調儀兼容。與井下智能配注器有效無線通信距離1 m，有效非接觸充電距離0.2 m，可同時完成數據通信和非接觸充電。

圖5 智能測控充電一體儀組成

2.3 地面通信控制主機

地面通信控制主機的作用是承載地面與井下智能測控充電一體儀間通信與供電功能，將地面電源穩壓輸出傳送至井下測控充電一體儀，同時將井下返回信號進行解碼處理后傳送至控制計算機進行數據或圖形化輸出。主機和智能測控充電一體儀之間采用有線二線制通訊方式，采用電阻小于100 Ω的單芯電纜，穩定通訊距離3 500 m。地面通信控制主機包含有線通訊模塊、無線通訊模塊、數字式電壓表電流表、串行通訊模塊、USB通訊模塊，全部由開關電源模塊供電。為了使電源系統能適合在油田現場電源的復雜情況，設計成可以在380 V或者220 V交流環境下工作，由電源選擇開關S1控制，可以在交流220 V電源和交流380 V電源環境下進行選擇切換。同時，變壓器T1起到隔離的作用，對現場電機或者變頻器引起的干擾信號進行隔離。經過變壓器處理的電源一路送給備用插座和開關電源模塊，另一路經過各項處理最后送給智能測控充電一體儀，包括過載保護、防浪涌電路、差模抑制電路、共模抑制電路、過壓保護等。地面通信控制主機電路原理如圖6所示。主機和智能測控充電一體儀之間采用有線二線制通訊方式，采用電阻小于100 Ω的單芯電纜，穩定通訊距離3 500 m。

圖6 地面通信控制主機電路原理

3 室內試驗

3.1 智能測控充電一體儀與智能配注器對接試驗

將智能測控充電一體儀與測試車鋼管電纜連接，下入模擬井中，進行智能測控充電一體儀與智能配注器對接耦合試驗。通過測試車控制測控充電一體儀的下放速度，測控充電一體儀下放速度不大于 3 m/s。通過智能配注器中心主通道后，智能配注器內部的數據通信系統可將耦合信號發送到地面控制主機，智能配注器被喚醒，對接成功。重復對接30次，成功率100%。

3.2 智能配注器室內充電試驗

在智能測控充電一體儀與智能配注器對接成功后，進行無線充電試驗。表1為5支智能配注器的充電試驗數據。

表1 智能配注器室內充電試驗數據

試驗數據表明，智能測控充電一體儀在為電池組充電過程中，最大充電電流2 280 mA，充電時間為1.8 h左右，電能傳輸穩定可靠。

3.3 智能配注器流量計試驗

將智能配注器與油管連接下入模擬井中，同時下入智能測控充電一體儀進行實時監測，通過控制柱塞泵的沖次和調節控制閥的開度，調節流量。通過實驗室的流量標定系統來檢定流量計的測量精度。測量結果如圖7所示，分析圖7的數據可知流量計的測量精度在±3%FS以內。

圖7 流量計試驗數據曲線

3.4 智能配注器流量控制閥試驗

關閉智能配注器流量控制閥至全關狀態，控制實驗室檢測系統流程，使流量控制閥前后壓差達到10 MPa以上，監測漏失量。通過開、關流量控制閥，監測電機工作電流和控制閥是否有卡阻情況。智能配注器流量控制閥試驗數據如表2所示。

表2 流量控制閥試驗數據

表2(續)

試驗結果表明，流量控制閥在10.18～10.56 MPa壓差下，漏失量在1 m3/d以內；開、關過程電機反饋電流正常，控制閥沒有卡阻現象。

3.5 智能配注器使用壽命試驗

為了驗證智能配注器使用壽命達到2 a的指標，開展了室內試驗，對其使用壽命進行檢驗。在實驗室內12 h連續不間斷進行開關閥調控試驗，與現場2 a時間內控制閥調控強度進行對比測試，控制閥調節強度達到2.4 a的調配強度，試驗后控制閥工作狀態正常。智能配注器現場要求的壽命數據如表3所示。智能配注器壽命室內試驗數據如表4所示。室內試驗結果表明，智能配注器使用壽命能夠達到2 a以上，滿足考核指標要求。

表3 智能配注器現場試驗壽命指標

表4 智能配注器壽命室內試驗數據

4 應用情況

現場試驗18口井，跟蹤測試106井次，平均層段5.1層，最長工作時間44個月，實現了分層注水井井下參數的實時監測、定期自動調配、無線充電及數據錄取，限制層注水合格率91.3%，層段自動調節水量誤差在±8.7%以內。

A井為5層段細分注入井，其配注量及智能調配結果如表4。P3層自動測調監控曲線如圖8所示。

表5 A井小層配注量及調配結果

圖8 P3層自動測調監控曲線

在自動調配前，A井P3層實注量與配水量均相差較大，井下智能配注器按照配注要求設定參數自動調配后，注水量均調配合格，調配誤差均在±10%以內，符合配注要求。

5 結論

1) 形成了基于無線充電和通信的智能配注工藝，研制了井下智能配注器，實現井下參數連續監測及注水量定期自動調配，注水合格率可長期保持在90%以上，開發效果明顯改善；研制了智能測控充電一體儀，在2 h內可完成歷史數據上傳和無線充電。

2) 通過該技術對井下參數連續監測，緩解了測試隊伍的壓力，可為油藏開發方案的調整提供依據，為注采規律的研究提供充足的數據支持，為油田實現“注好水、注夠水”的目標提供了技術支持。

3) 為延長智能配注器使用壽命，減少充電時間和次數，建議開展大容量長壽命電池在智能配注器上的應用研究。