井下分層注水自動控制裝置的研究與應(yīng)用

王寶利，雷輝耀，周秀麗

（1.華油一機（河北）鉆井裝備有限公司，河北滄州062658；2.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘062550）

目前的油田分層注水技術(shù)是用封隔器之間的配水器調(diào)節(jié)注水井中各層段的注水量，使各層基本上能按分層配水量定量注水。調(diào)整注水井的吸水剖面，控制超注層的注水量、增加欠注層的注水量，使各層中的水線推進(jìn)比較均勻。通常分層注水為3～5個層段，對延長無水開采期和提高采收率起到了重要作用。目前，調(diào)整注水量時需要再次調(diào)配作業(yè)，效率低、周期長、費用較高，因而注水技術(shù)應(yīng)向方便重復(fù)調(diào)配的智能分注技術(shù)方向發(fā)展。分層注水控制裝置是用2個封隔器之間的電控配水器調(diào)節(jié)注水井中各層段的注水量，使各層基本上能按地質(zhì)預(yù)測的注水量進(jìn)行定量注水，從而調(diào)整注水井的吸水剖面，使各層中的水線推進(jìn)比較均勻，有效提高油井產(chǎn)量。

1 工作原理

在每組封隔器下部各自安裝1臺電控配水器，通過地面供電和調(diào)控，在單芯特制供電電纜和油管之間形成電源和信號回路，采用特殊電機和減速裝置逐級控制多套電控配水器。配水器在接收到電脈沖信號后反饋，根據(jù)地面計算機發(fā)出的控制指令分別調(diào)控本層位不同流量水嘴的開閉，直到滿足層位注水量的要求。注水管柱的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 注水管柱結(jié)構(gòu)示意

2 主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電控配水器

分層注水控制需采用電控配水器專用閥。只需要將電纜下入井內(nèi)，電纜頭與電控配水器采用壓接方式，同時將油管作為零線，在電纜與油管之間形成回路，即可正常工作。在每層調(diào)配前，通電后應(yīng)將電控配水器先關(guān)閉并復(fù)位到零位，然后再根據(jù)地面指令閥芯移動到對應(yīng)的水嘴位置。使用脈沖電動機作為動力源，步距角為1.8°，通過絲杠減少或增加推力，減速比為1∶43，轉(zhuǎn)30°需要發(fā)出716個脈沖。同時設(shè)計了一套定位機構(gòu)，該閥每旋轉(zhuǎn)180°就由定位機構(gòu)進(jìn)行定位，防止出現(xiàn)偏差，便于下一次起步時所有閥均從零起步。

該閥組初步設(shè)計為5層控制，層間啟閉相隔30°。當(dāng)脈沖電動機發(fā)出716個脈沖時，第1個電動閥開啟，其余關(guān)閉；發(fā)出1 432個脈沖時，第2個電動閥開啟，其余關(guān)閉；發(fā)出2 148個脈沖時，第3個電動閥開啟，其余關(guān)閉；發(fā)出2 864個脈沖時，第4個電動閥開啟，其余關(guān)閉；發(fā)出3 580個脈沖時，第5個電動閥開啟，其余關(guān)閉；發(fā)出4 296個脈沖以上時，所有電動閥關(guān)閉并復(fù)位到零度。

通過開閉不同的水嘴從而達(dá)到變流調(diào)控方式。沿配水器閥體軸向從上到下、流量從小到大排布10個水嘴，水嘴的過流范圍應(yīng)滿足該地層的需要，可根據(jù)地層的需要進(jìn)行定制。在絲杠的推動下，閥芯開啟并沿軸向下運動，可依次打開不同流量的水嘴，改變注入水流量。電控配水器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，絲杠每轉(zhuǎn)步進(jìn)0.2 mm，采取的脈沖信號通信方式可精確控制和接收絲杠轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制閥芯步進(jìn)距離。

2.2 遠(yuǎn)程控制

控制方式采用就地閉環(huán)控制。地面控制裝置可通過有線或無線方式與上位機相連，上位機接受來自井下的電脈沖信號，運用專門為該裝置開發(fā)的軟件發(fā)送配水命令，動作快速有效，可以對水量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制配水器的開關(guān)程度，同時對在工作中出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行聲光報警，滿足安全運行的要求。

圖2 電控配水器結(jié)構(gòu)示意

2.3 裝置技術(shù)指標(biāo)

由于裝置要下入注水井內(nèi)，而注水井注入壓力一般為10～30 MPa，同時裝置還會受到地層壓力和溫度的雙重影響，并且注水水質(zhì)中容易含有雜質(zhì)，也會增大裝置的運行阻力，所以裝置材料要滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

1)耐壓：0～50 MPa。

2)耐溫：0～70℃。

3)供電方式：直流60 V。

4)供電長度：2 500 m。

3 試驗效果

電控閥門首先進(jìn)行密封性試驗和壓力試驗，試驗壓力為3倍的工作壓力，試驗時間為120 min，隨后將壓力逐級降低到工作壓力，每級穩(wěn)壓5 min，以密封面不滲不漏為原則，下入試驗井內(nèi)，模擬正常注水井工作狀態(tài)，打壓注水，分別在20，30，50 MPa順利通過了開關(guān)控制試驗，電控閥門能按控制指令依次進(jìn)行各水嘴位置控制，絲杠閥芯運轉(zhuǎn)自如，閥體外筒采用耐壓低合金結(jié)構(gòu)鋼或不銹鋼，滿足了電控閥門開關(guān)在50 MPa極端情況下仍可正常工作的技術(shù)要求。

2017年5月15日針對淖1202井進(jìn)行吸水剖面測試。施工油壓為9.1 MPa，注水量為25 m3/d，視吸水指數(shù)為2.747 m3/（d·MPa）；施工方式為井下釋放，全井共3層吸水，其中5號層為主力吸水層，相對吸水量是48.87%，釋放井深1 100 m，關(guān)井2 h測井溫，該井5月吸水剖面數(shù)據(jù)見表1所列。

2017年6月2日下入井下分層自動控制裝置后再對淖1202井進(jìn)行吸水剖面測試。施工油壓為9.1 MPa，注水量為25 m3/d，視吸水指數(shù)為2.747 m3/（d·MPa）；施工方式為井下釋放，全井共2層吸水，其中6號層為主力吸水層，相對吸水量為91.05%，釋放井深1 100 m，該井6月吸水剖面數(shù)據(jù)見表2所列。

表1 5月淖1202井吸水剖面數(shù)據(jù)

表2 6月淖1202井吸水剖面數(shù)據(jù)

對比淖1202井注水前后兩側(cè)的吸水剖面數(shù)據(jù)可得知，5月其主吸水層為5，6號小層合為主吸水層，到6月變?yōu)?號小層為主吸水層，5月7號小層為次吸水層而6月變?yōu)椴晃畬印?/p>

應(yīng)用井下分層注水控制裝置后，注水井的吸水剖面有所改善，主力吸水層的吸水量由48.87%提高到91.05%，由此計算單井的注水系統(tǒng)效率可提高3%，減緩了注水井垢埋，稀釋了地層水的礦化度，降低了產(chǎn)出液的酸性，減緩了對井筒的腐蝕傷害，保證了油田正常生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

該項技術(shù)的應(yīng)用適用于注水井地面重復(fù)調(diào)配，提高了注水井的科學(xué)管理，實現(xiàn)了高效、合理、準(zhǔn)確的水驅(qū)目的。然而也存在很多問題，如注水水質(zhì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，水中含有雜質(zhì)勢必會影響電控閥門的靈活動作；注水壓力較高，會造成電纜使用壽命的降低；今后的運行和維護(hù)工作量大等。這些問題可在今后的試驗和現(xiàn)場應(yīng)用中進(jìn)一步的改進(jìn)和研究。