數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡改星, 姬振寧, 刁廣智, 馮杰瑞, 汪廣輪, 靳筱宣, 王爾珍

1中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室 3中國石油長慶油田分公司第五采油廠 4中國石油長慶油田分公司第十二采油廠 5中國石油長慶油田分公司第二采油廠

0 引言

分層注水是保持油氣儲(chǔ)層壓力，改善油田開發(fā)效果的有效方法[1- 3]。目前國內(nèi)油田的分層注水主要采用“橋式偏心注水管柱+電纜直讀測調(diào)”方式[4- 5]，但對于水平井的測調(diào)存在電纜下入困難等問題，采用地面/井下數(shù)據(jù)的雙向無線傳輸、注水流量監(jiān)測、水嘴開度智能調(diào)控的數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)可以解決這一難題[6- 9]。長慶油田地處鄂爾多斯盆地，具有典型的“低滲、低壓、低產(chǎn)”特點(diǎn)，水驅(qū)產(chǎn)量達(dá)96%以上，目前采取定時(shí)定點(diǎn)的傳統(tǒng)測調(diào)方式，數(shù)據(jù)呈點(diǎn)狀分布，無法為儲(chǔ)藏分析提供連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過自主研發(fā)“流體波碼通訊+井下自動(dòng)測調(diào)”數(shù)字式智能分層注水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地面與井下雙向數(shù)據(jù)傳輸和注水過程的連續(xù)監(jiān)控，數(shù)字化分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)組成、地面/井下的無線通訊、注水量的智能測調(diào)與監(jiān)測、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與管理等。

1 數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成

數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由井下智能配水器、地面裝置和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸模塊組成，如圖1所示。地面與井下信息的傳輸采用流體波碼通訊方式，利用地面與井下配水器電控閥開度調(diào)制流量來改變井口與井下壓力，實(shí)現(xiàn)地面控制命令與井下注水?dāng)?shù)據(jù)的雙向無線傳輸。井下多個(gè)智能配水器串接實(shí)現(xiàn)分層注水，各配水器之間通過封隔器隔離。智能配水器進(jìn)行地層注水流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)、電控閥壓差測量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并通過調(diào)節(jié)配水器電控閥開度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳；地面裝置實(shí)現(xiàn)注水管流量調(diào)節(jié)、向井下配水器發(fā)送指令，完成井下上傳信號的接收與處理；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸模塊將注水管流量、配水壓力、各注水層流量、井下壓力等實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心。

圖1 數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 井下智能配水器

智能配水器由中心過流通道、機(jī)電一體化水嘴、壓力檢測傳感器、流量計(jì)、電路板電池、電機(jī)電池、主控電路等組成，見圖2，電控閥由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，閥出口接水嘴，電控閥和水嘴組成通流面積可變水嘴(可調(diào)水嘴)。智能配水器具有地面下傳命令的接收、注入層流量計(jì)算、電控閥開度自動(dòng)調(diào)整、快速改變電控閥開度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)制與上傳的功能；配水器工作啟動(dòng)流量為1 m3/d，測試精度2%，電池容量可滿足井下正常工作4年。

圖2 井下智能配水器結(jié)構(gòu)

智能配水器下井前，在地面設(shè)置復(fù)位壓力、外加壓力、水嘴延遲開啟時(shí)間、自動(dòng)測調(diào)周期、采樣間隔等參數(shù)，檢測正常后下井；正常注水時(shí)，智能配注器按照預(yù)設(shè)參數(shù)，自動(dòng)測試調(diào)節(jié)分層注水量、自動(dòng)封隔器驗(yàn)封、自動(dòng)分層壓力測試，長期監(jiān)測井下分層動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，全過程免人工作業(yè)，提高分注過程自動(dòng)化水平。

1.2 地面裝置

地面裝置包括泄壓閥、磁電流量計(jì)、井口電控閥、井口壓力傳感器、信號處理與數(shù)據(jù)解碼模塊等，見圖3。地面裝置完成注水井流量控制、井口壓力控制、數(shù)據(jù)通訊，通過快速調(diào)節(jié)井口電控閥開度向配水器發(fā)送指令，指示其改變注水流量或向地面發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行井下上傳信號的接收、處理與數(shù)據(jù)顯示。

圖3 地面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由IP模塊服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、控制客戶端、數(shù)據(jù)上傳軟件組組成，借助油田內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)作為通訊通道，實(shí)現(xiàn)對分注井的遠(yuǎn)程監(jiān)測。井下智能配水器下至設(shè)計(jì)位置，地面系統(tǒng)按照要求改造安裝完成后，在中控室設(shè)立專用服務(wù)器并安裝智能注水客戶端軟件，單井地面控制系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的IP，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)的采集分析。主要監(jiān)控的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括：井口配水壓力、井口注水壓力、注水管流量、累計(jì)流量、分層注水壓力、分層流量、累計(jì)分層流量等。

2 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

2.1 流體波碼無線傳輸技術(shù)

2.1.1 地面命令的下傳

地面控制系統(tǒng)通過規(guī)律性地改變井口電控閥開度使注水管流量發(fā)生脈沖狀變化，建立注水井井筒壓力波碼，給井下智能配水器傳送信號，實(shí)現(xiàn)地面至井下的指令傳送。井下智能配水器通過檢測此種規(guī)律性的壓力或流量波動(dòng)并完成解碼，并將其轉(zhuǎn)換為控制信號來控制測調(diào)水嘴。

2.1.2 井下至地面的數(shù)據(jù)

井下智能配水器通過規(guī)律性地改變電控閥開度，使注入地層的流量呈脈沖變化，進(jìn)而引起注水流量及井口壓力的波動(dòng)，將井下分層流量、電控閥前、后壓力、可調(diào)水嘴開度、溫度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)向地面?zhèn)鬏敗?/p>

2.2 井下分層流量自動(dòng)測控技術(shù)

通過調(diào)測獲得各注水層的配水器電控閥開度、壓差與流量數(shù)據(jù)，采用人工智能處理得到各層的注入壓力變化特征并形成流量修正圖版，修正圖版會(huì)根據(jù)隨測數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷更新。受壓力計(jì)分辨率及測量誤差的限制，通過壓差計(jì)算得到的流量誤差為量程的5%，如果電控閥壓差變化過小，流量誤差將增大，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟用修正圖版，根據(jù)井筒注入壓力變化，按照圖版的規(guī)律對各層的壓差進(jìn)行修正，并根據(jù)修正結(jié)果，從流量圖版中讀取對應(yīng)的流量值作為實(shí)時(shí)流量，將分層流量控制在誤差范圍內(nèi)，達(dá)到精細(xì)分注的目的。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場測調(diào)試驗(yàn)

配水器測調(diào)是根據(jù)實(shí)測注水層流量與預(yù)設(shè)流量之差調(diào)整配水器電控閥開度使注水層流量達(dá)到設(shè)定值[10]。測調(diào)分層流量時(shí)，地面向井下發(fā)送控制命令打開各層配水器的電控閥，然后向某一層配水器發(fā)送水嘴開度變化命令及注水流量設(shè)定值，指示某層配水器電控閥改變開度同時(shí)測取水嘴流量，智能配水器根據(jù)水嘴流量與預(yù)設(shè)流量之差自動(dòng)調(diào)整配水器電控閥開度使水嘴流量達(dá)到設(shè)定值，某層測調(diào)完成后會(huì)發(fā)出相應(yīng)信號至地面，然后再進(jìn)行下一層的測調(diào)，直到各層注水流量均達(dá)到要求。

圖4為關(guān)X井的測調(diào)曲線，配水器共進(jìn)行了兩次自動(dòng)測調(diào)，配置自動(dòng)測調(diào)時(shí)間10 min，預(yù)設(shè)流量10 m3/d，啟動(dòng)自動(dòng)測調(diào)。第一次自調(diào)時(shí)，配水器檢測到注入流量為20 m3/d，超過預(yù)設(shè)流量10 m3/d的15%允許范圍，配水器開始自動(dòng)測調(diào)，水嘴開度由開始時(shí)的14%調(diào)至8%，流量達(dá)到10 m3/d左右，達(dá)到預(yù)設(shè)的配注要求；第二次自調(diào)時(shí)，配水器檢測到注入流量為7 m3/d，超過預(yù)設(shè)流量10 m3/d的15%允許范圍，配水器開始自動(dòng)測調(diào)，水嘴開度由開始時(shí)的4%調(diào)至9%，流量達(dá)到10 m3/d左右，達(dá)到預(yù)設(shè)的配注要求。圖5為關(guān)X井測調(diào)時(shí)地面控制系統(tǒng)向井下各層配水器發(fā)送的將水嘴打開到指定開度的命令碼脈沖圖及流量測調(diào)結(jié)果；圖6為對第一層測調(diào)時(shí)地面與井下發(fā)送的命令碼及井下向地面返回?cái)?shù)據(jù)的脈碼圖；圖6中，地面控制系統(tǒng)向井下配水器發(fā)送讀取第一層流量值的命令，先發(fā)送流量讀取命令，再發(fā)送選層位號命令喚醒第一層配水器，然后地面控制系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)，上傳的波形解析為流量數(shù)據(jù)7.3 m3/d，目標(biāo)配注流量是7 m3/d，配注流量誤差滿足配注要求。

圖4 關(guān)X井智能配水器自動(dòng)測調(diào)曲線

圖5 關(guān)X井調(diào)整各層配水器水嘴開度的命令碼脈沖圖

圖6 關(guān)X井讀取第一層注水流量的命令與返回的數(shù)據(jù)編碼脈沖圖

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在長慶油田進(jìn)行了1 600余口井現(xiàn)場應(yīng)用，最大井深2 902 m、最大井斜角59.3°、最小單層配注流量5 m3/d、最多分注層級6層。其中在華慶油田白153試驗(yàn)區(qū)累計(jì)應(yīng)用78口井，對應(yīng)油井產(chǎn)量平穩(wěn)，平均吸水厚度由19.3 m增加到19.8 m，水驅(qū)動(dòng)用程度由65.6%提高到67.9%，產(chǎn)量自然遞減由5.4%降為3.6%，油氣井采出液綜合含水上升速度由3.7%降為-1.1%，應(yīng)用效果明顯。

以關(guān)Y井為例，該井井深2 543 m，井斜角31.5°，注水層2層，上層配注流量10 m3/d，下層配注流量8 m3/d，投產(chǎn)后，儲(chǔ)層吸水厚度由12.7 m增加到15.8 m，日產(chǎn)量由5.72 t增加到7.84 t，生產(chǎn)狀態(tài)得到明顯改善。圖7為該井的分層流量與壓力的測量曲線。

圖7 關(guān)Y井各層流量與壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測圖

4 結(jié)論

(1)數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用流體波碼通訊方式實(shí)現(xiàn)地面與井下穩(wěn)定、可靠的雙向無線通訊，克服了常規(guī)有纜分層注水裝置在水平井中電纜下入困難、施工難度高等問題，可廣泛應(yīng)用于常規(guī)直井及斜井、水平井等特殊工藝井的精細(xì)分層注水。

(2)智能配水器的水嘴開度控制及水嘴流量控制的分辨率較高，可實(shí)現(xiàn)地層注水流量的精細(xì)調(diào)節(jié)。

(3)數(shù)字式分層注水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可大幅減少人工測試工作量，提高注水?dāng)?shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，對于合理指導(dǎo)注水政策調(diào)整，大幅提升分層注水自動(dòng)化、智能化水平，及時(shí)掌握超低滲透油藏分層注水井的分層測調(diào)與管理起著必要的支持作用，為油田單井實(shí)時(shí)自動(dòng)測調(diào)數(shù)字化、區(qū)塊油藏動(dòng)態(tài)調(diào)整信息化、地質(zhì)工程設(shè)計(jì)調(diào)控一體化的第四代分層注水技術(shù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。