基于波碼通訊的分層注水裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙新勝，白文雄，郭 棟，師德俊，李曉平，毛 勇，孫 琦

(1．長(zhǎng)慶油田分公司機(jī)械制造總廠 陜西 西安 710201；2. 中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

長(zhǎng)慶油田是典型的超低滲油田，98%的油藏采用注水開發(fā)。目前常規(guī)分層注水技術(shù)以橋式同心分注和橋式偏心分注為主[1]，單井測(cè)調(diào)周期長(zhǎng)，一般維持在每年1.5～2次，同時(shí)人工測(cè)調(diào)工序繁雜，配套設(shè)備費(fèi)用高，測(cè)調(diào)遇阻頻發(fā)導(dǎo)致后期檢測(cè)、帶壓作業(yè)費(fèi)用高，受壓力波動(dòng)、地層吸水能力變化等因素影響，超過3個(gè)月注水合格率將會(huì)大幅下降[2]，難以滿足油田精細(xì)化分層注水的需要。2020年橋式同心分注年測(cè)調(diào)遇阻率在11%，橋式偏心分注年測(cè)調(diào)遇阻率在18%，常規(guī)的分層注水在后期的維護(hù)過程中需投入更多的人力物力。由于這些問題引起的多注、少注會(huì)造成采油過程中含水率升高、水驅(qū)率下降，直接影響采油廠生產(chǎn)指標(biāo)。

為解決常規(guī)分層注水的問題，長(zhǎng)慶油田探索應(yīng)用了數(shù)字式分層注水技術(shù)，將原來測(cè)調(diào)的功能分成控制和執(zhí)行2個(gè)部分，分配到地面控制器和井下數(shù)字式配水器中，由地面控制器下發(fā)配水指令，井下數(shù)字式配水器完成水嘴調(diào)節(jié)，這樣就可以很大程度提高數(shù)據(jù)的采集密度，能及時(shí)根據(jù)地層工況變化調(diào)整注水工藝，保證較高的注水合格率，達(dá)到增產(chǎn)增效的目的[3]。

地面控制器和數(shù)字式配水器的連接方式分為有纜式和無纜式2種。其中有纜式是通過鎧裝電纜把地面控制器與各層的數(shù)字式配水器串聯(lián)起來，以電源載波的形式在地面控制器和配水器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，達(dá)到指令下發(fā)和數(shù)據(jù)回傳的目的。有纜分層注水技術(shù)在定向井中，配水器下井過程電纜保護(hù)難度大，無法滿足帶壓作業(yè)要求，制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。無纜式也叫波碼式，其依據(jù)液體的不可壓縮性，通過改變井口注水壓力的大小產(chǎn)生壓力波實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。基于波碼通訊的分層注水技術(shù)打破了常規(guī)分層注水無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)采集、實(shí)時(shí)下發(fā)配置信息的禁錮。隨著波碼通信技術(shù)日趨成熟，逐漸代替了常規(guī)分層注水、有纜式分層注水。

本文介紹了基于波碼通信的分層注水裝置的系統(tǒng)組成、通訊原理、編碼規(guī)則及波碼指令傳輸，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了分層注水量自動(dòng)測(cè)調(diào)、分層注水?dāng)?shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)，提高了注水合格率。

1 基于波碼通訊的分層注水裝置系統(tǒng)組成

基于波碼通訊的分層注水裝置組成如圖1所示，由裝有地面控制器、協(xié)議箱的地面配水閥組和安裝在井下的多個(gè)數(shù)字式配水器[4]組成。帶壓的水經(jīng)地面配水閥組進(jìn)水口，流進(jìn)地面控制器后進(jìn)入注水井口，再?gòu)淖⑺挠凸芰鞯骄聰?shù)字式配水器，經(jīng)不同層位配水器水嘴，進(jìn)入到地層中。

1—地面配水閥組；2—地面控制器；3—協(xié)議箱；4—注水井口；5—油管；6—油管井底部分；7、8—數(shù)字式配水器。圖1 基于波碼通訊的分層注水裝置組成圖

1.1 地面控制器

地面控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。它能夠接收注水站站控系統(tǒng)通過協(xié)議箱發(fā)送的配注指令，將配注量轉(zhuǎn)換成水嘴開度，再以波碼的形式將指令傳遞給井下不同層位的數(shù)字式配水器，實(shí)現(xiàn)分層注水量調(diào)節(jié)。當(dāng)各層配注量調(diào)節(jié)完成后，就實(shí)現(xiàn)了整口井注水量的調(diào)節(jié)。

1—電磁流量計(jì)；2、3—壓力傳感器；4—配對(duì)法蘭；5—電控調(diào)節(jié)閥；6—主控裝置。圖2 地面控制器結(jié)構(gòu)圖

1.2 數(shù)字式配水器

數(shù)字式配水器結(jié)構(gòu)如圖3所示。它用于識(shí)別地面控制器發(fā)送的波碼指令，通過波碼解析到該層位的配注量后調(diào)節(jié)水嘴大小[5]，實(shí)現(xiàn)注水量調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完成后配水器進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次配注指令到來將自動(dòng)喚醒。同時(shí)數(shù)字式配水器具有向地面控制器傳遞數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)數(shù)字式配水器被喚醒后，通過有規(guī)律的開關(guān)水嘴，引起井筒內(nèi)水壓變化，向地面控制器傳輸記錄的井下各層的注水壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)。

1—上接頭；2—中心過流通道；3—電池；4—壓力傳感器；5—控制電路；6—電機(jī)；7—機(jī)電一體化水嘴；8—外護(hù)管；9—下接頭。圖3 數(shù)字式配水器結(jié)構(gòu)圖

1.3 地面配水閥組

地面配水閥組根據(jù)分層注水井的數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，1個(gè)閥組可滿足多口注水井分層注水的需求。地面配水閥組通過協(xié)議箱接收站控系統(tǒng)的指令，并將指令傳遞給地面控制器，地面控制器再傳遞給井下各注水層的數(shù)字式配水器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配注。地面配水閥組結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—電動(dòng)球閥；2—電熱板；3—分水器；4—壓力變送器；5—協(xié)議箱； 6—閘閥；7-地面控制器組成。圖4 地面配水閥組結(jié)構(gòu)

2 波碼通信的原理及編碼規(guī)則

波碼通信技術(shù)[6]以井筒內(nèi)的水為載體，通過短時(shí)間改變地面控制器電控調(diào)節(jié)閥或井下數(shù)字式配水器水嘴的開度，建立井筒內(nèi)的流量波動(dòng)，并將流量波動(dòng)轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地面至井下數(shù)據(jù)或井下至地面數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離無線傳輸。波碼通信技術(shù)采用壓力+時(shí)長(zhǎng)的編碼方式進(jìn)行指令編碼，低位為信息碼，長(zhǎng)度根據(jù)傳遞信息變化,高位為間隔碼，長(zhǎng)度始終保持不變。

地面向井下的指令編碼由“喚醒碼+層位碼+開度碼+結(jié)束碼”組成，其中，喚醒碼代表喚醒各層數(shù)字式配水器，層位碼代表明確執(zhí)行指令的數(shù)字式配水器所處層位，開度碼代表數(shù)字式配水器水嘴應(yīng)打開的開度值，結(jié)束碼代表提示數(shù)字式配水器指令結(jié)束。

層位通過長(zhǎng)短不同的時(shí)間段表示，S是指令發(fā)送間隔時(shí)長(zhǎng)，不同層位編碼就是S的倍數(shù)，編碼如表1所示。

表1 層位編碼

為提高波碼識(shí)別率，水嘴開度用K1+K2兩個(gè)不同的時(shí)間段標(biāo)示，如設(shè)第二層數(shù)字式配水器的開度為3，波形如圖5所示。

T-喚醒碼時(shí)長(zhǎng)；S-指令發(fā)送間隔時(shí)長(zhǎng)；C1-層位碼；K1+K2-井下數(shù)字式配水器水嘴開度碼。圖5 地面向井下傳輸指令編碼

同理也可以編制從井下向地面指令的編碼。在編碼過程中，要根據(jù)注水井的深度，確定壓力波從地面?zhèn)髦辆缀蛷木讉髦恋孛娴臅r(shí)長(zhǎng)，即指令發(fā)送間隔時(shí)長(zhǎng)，如果時(shí)長(zhǎng)不夠，波碼識(shí)別率會(huì)大大降低。同時(shí)為了提高壓力波的辨識(shí)度，發(fā)送指令時(shí)，盡量在井筒內(nèi)形成較大壓差。

3 基于波碼通訊的分層注水裝置的指令傳輸

3.1 地面向井下的指令傳輸

地面配水閥組按照站控系統(tǒng)發(fā)送的指令，通過控制地面控制器調(diào)節(jié)閥的開度，規(guī)律性地改變注水井油管中的注水流量，建立井筒內(nèi)的壓力波動(dòng)；如果調(diào)節(jié)閥無法形成較大壓差，可以用地面配水閥組的電動(dòng)球閥開關(guān)，傳遞波碼指令，發(fā)送指令流程如圖6所示，在井下產(chǎn)生壓力波動(dòng)信號(hào)[7]，完成波碼指令的傳輸。井下數(shù)字式配水器集成的壓力變送器監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)壓力值，配水器的控制器調(diào)取壓力值并解析壓力波，將其轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)來控制水嘴開度，實(shí)現(xiàn)不同地層注水流量的調(diào)節(jié)，接收指令流程如圖7所示。

圖6 地面控制器向井下發(fā)送波碼流程

圖7 數(shù)字式配水器接收波碼流程

3.2 井下向地面的數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)字式配水器根據(jù)井下數(shù)據(jù)發(fā)送指令控制水嘴開度，建立注水井的井筒流量波動(dòng)，并在井口產(chǎn)生壓力波動(dòng)信號(hào)，地面控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口壓力值，將監(jiān)測(cè)到的壓力波信號(hào)解析成數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)井下分層注水流量、壓力和溫度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)向地面有效傳輸。

4 應(yīng)用情況

2020年至2021年，該裝置已經(jīng)推廣應(yīng)用43套，注水井共計(jì)109口，最遠(yuǎn)通訊距離超過2 500 m，試驗(yàn)區(qū)注水井的含水上升速度穩(wěn)定，分注合格率達(dá)到87%以上，水驅(qū)開發(fā)效果改善明顯。

基于波碼通信的分層注水裝置替代傳統(tǒng)的人工測(cè)調(diào)，實(shí)現(xiàn)分層注水量遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，測(cè)調(diào)周期由8個(gè)月縮短至1個(gè)月，分注合格率提升26%，連續(xù)獲取分層注水的流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)為油田開發(fā)精準(zhǔn)注水提供了數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié) 論

1)基于波碼通信技術(shù)研制的分層注水裝置，實(shí)現(xiàn)了注水井層間分層注水，能有效提高水驅(qū)儲(chǔ)量控制程度、動(dòng)用程度，改善油藏開發(fā)效果，提高采收率。

2)波碼通信分層注水技術(shù)相較于傳統(tǒng)分注技術(shù)，具有測(cè)調(diào)效率高、無遇阻問題、無需測(cè)調(diào)費(fèi)用投入等優(yōu)點(diǎn)。但由于受電池儲(chǔ)能及轉(zhuǎn)換效率影響，井下數(shù)字式配水器的工作頻次具有一定的局限性，如何解決供電問題將是下一個(gè)需要攻克的難題。