油田注水井分层流量监测及控制工艺研究

王小军 甄浩

摘要：随着油气田勘探开发步伐的加快与相关工艺设备的进步运用多重工艺进行油层压力的保持与能量供给是保持老区上产和新区增油的良好手段。运用传统分层注水技术进行相应工作存在测调装置上提、下放过程中的卡顿和不准确。且不能进行实时的动态数据监控还会给现场带来危险和复杂的工作量，综合能动性较差。为了研究油田注水井分层流量监测及控制新工艺。通过对分层流量监测设计领域展开相关研究，最终在基于可调水嘴的配水器控制设备试验框架下提出解决方案，为同行提供建设性意见。

关键词：油田;注水井;分层流量;监测

中图分类号：TE934 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0037-04

随着油气田勘探开发步伐的加快与相关工艺设备的进步运用多重工艺进行油层压力的保持与能量供给是保持老区上产和新区增油的良好手段。其中运用复合工艺进行相关油气田综合开发效率的提高也是重中之重，根据相关油气田已有勘探资料可知，我国油气藏储集层具有一定规律性，其中以陆相碎屑沉积岩为代表的沉积体系较为广泛，相关非均质性强，在纵向上存在一定地层差异[1]。而在复杂断块前提下的老区油气田开发历程中，不同因素下的层内层间矛盾问题突出，运用精细调整技术的分层注水手段显得格外重要[2]。

在该方面，运用传统分层注水技术进行相应工作存在测调装置上提、下放过程中的卡顿和不准确。且不能进行实时的动态数据监控还会给现场带来危险和复杂的工作量，综合能动性较差。如若井间干扰或其他地质因素诱发的注水过程地层压力不受控或异常变化，相关工艺人员不能及时发现，最终导致层间注水情况不明确，注水施工失败甚至诱发各层注入量不明导致的衍生性恶劣影响。所以基于现场的不同影响因素下的层间注水量实时监测和调节是当前石油工业又一热点，需要计算机、数学、动力工程、机械工程相关领域知识架构进行支撑[3]。

永置式测调技术工艺能在工作量和成本有限的前提下进行井下注水工艺的可测物理量实时获取，并在友好接口下进行数据列的输出，方便计算机分析和相应软件模拟[4]。相关的地面控制中心在接到指令后能及时根据油气产量进行科学注水调配，使相关配水器最终实现自动定量化的多层注水流量精细调节。

1 分层流量监测设计

运用井上动力装置进行钢丝拖拽式的电缆测调作业测试会对封隔器、配产器等相关部件带来磨损，一定程度上影响层系间的相关密封性。其有限的工作效率对数据监测的连贯性也产生一定制约。后续的调刨及其油水联动核算不能及时有效的进行，所以注水安全得不到保证。基于此全面提高油气田注水开发效率，在此提出永置式智能测调系统设计，并做实质性阐述。

1.1分层流量测调工作原理

在注水井部署过程中先期对各层段产生一定认识，优选不同可测物理量探测器，在完井阶段进行不同层位的多元智能测调装置部署，然后通过主/备单芯电缆传输信号线进行多元矩阵相控模式下的流量、压力、温度、水嘴开度等可测物理量监控和数据反馈。然后通过地面计算机平台进行分析和调控，在外界因素变化最小的前提下进行即时命令发布，优化单井及其井网注采比，全面调配各层注水量，该阶段需要用到智能化传感器和井下控制器，通过控制器动作进行配水器的智能化调控，在此该项设备主要是通过水嘴开度的调节来进行的。而流量的自动化调节需要实时数据的反馈式辅助调节。广义式智能架构下的分层注水原理构想。

该系统主要零部件有智能配水器、过电缆封隔器、单芯电缆、地面监控室、远程监控中心、井下测调及其相应井下作业工具。

智能配水器指，井筒中用电缆封隔器进行划分层位，并依托相应电缆信号进行实时数据传输与命题下达，然后通过控制可调水嘴开度进行不同流量不同时间的注水调配。

井下测调部件指，运用电缆传感方式进行不同电信号转换式的综合测定，以判定水嘴开度大小及其相关执行机构工作状态，并最终通过数据转换得到相关流量参数实现实时监控。

单芯电缆能实现双回路通讯，在最低能耗下进行井下设施的供电和信号采集，但因为井下环境恶劣，该种电缆成本较高，且寿命不长。

涡轮发电机是指，运用注水过程中井下多项流扰动及其热能进行自供电式的能量守候配给，并进行相应井下仪器的备用供电。

相应地面监控室与远程监控中心配合进行现场一手数据的获取和拟合，当所有可测物理量（井下流量、温度、压力、水嘴开度）的数据序列累计到一定时进行数学模型化的等位升序列排布，然后根据一手数据模拟结果通过地面监控室进行相应的地下设备设施密封性能检测并进行各参数监控，后续的远程监控中心在进行工区系统分析后得出相应调配策略，动态下发二级命令至地面监控室进行局部获取井网间的调配，实时进行双向数据通信。全面实现工区数字化生产。

1.2电缆永置式分层流量测调

基于前人研究及其相应自控系统逻辑量设置，通过本研究的永置式智能注水测调系统在电缆永置式分层流量测调过程中得到了最大化的改进。在前期研究过程中相应的设备设施和相关测控技术得到了实验论证和现场运用，其中所用的分层流量测试与控制需要能进行全面而协调的配合性优化使用，全面适应不同层位不同物性的井下工作条件，但是如若遇到不可逆故障需要进行井下作业并修理。在此进行改进方案式的永置式测调系统构架展示，通过在不同工区的测试发现，井下流量特征不稳定是影响相关设备故障的要因。在全面简化部件后进行扁平化的逻辑遥感设置，并将相关成本进行压缩最终得到4个主要方面的控制模块（电缆供电与载波通信、地面控制器、多层流量快速调配算法、井下机械执行装置）。在过程控制向量满足系统冗余率后方可进行协调式工作，得到高質量用户数据反馈全面指引生产运行工作。

其中首选明确井下分层流量测试相关的可测物理量（温度、压力、流量和水嘴开度），在基于注水过程参数优化的前提下建立相关属性模型，为传感器和补偿器的改进与测定进行相关补偿式操作。另外可以进行水嘴阀芯阀套设计部分的节流孔流道优化，从单一的菱形、圆形、U型等孔道升级成三角形+菱形+椭圆形等不同流体联通式的优化，全面适应大范围高频次的流量调节，在热力学与流体力学范畴达到过流面积梯度自由化，水力半径最大量的临界最优。其次明确井下分层注水流量测试环节，井下相关可测物理量对于分层注水流量的影响和需要进行数学建模式分析的物理量矩阵。根据笔者相关经验，温度是最终影响注水效果和参数的关键，也是诱发压力异常和驱油效果的要因。所以进行稳定而精确的压力测量是反应地层水注入效果好坏的最终诠释。所以水质和水量的控制是各层封隔器验封效果是关键控制点，相关技术人员需要做好相关工作。最后就是在基础数据收集后基于预设分层注水流量进行控制算法式的动态控制，并及时校订相关仪表的反馈信号。将流量控制与检测进行系统性归一化对比，优化整体闭环体系。排除不良干扰和多重因素下诱发的互助式扰动。

1.3井下自发电分层流量测调

仪器仪表及其相应机械调控设备功耗较低但也需要一定的动力电源进行驱动。而电缆永置能很好的解决相应问题。不过在复杂地层环境与地面干扰下还需要进行备用自给自足式电力系统的布设。在此运用井下注水射流动力进行机械能转换电能成为首先。运用小型发电机组不仅能节约成本提高系统稳定性还能进行脉冲信号式的分层流量微调。

该构架的核心思想主要是优化供电方式和传输方式，在节能减排的基础上运用涡轮注水发电提高稳定的直流信号供给，保持地面与井下相关仪器仪表通信畅通。但是在检维修上需要定期进行维保，确保相关布局工作正常。

2 基于可调水嘴的配水器控制

依据现场实际及相关前期研究成果，通过井下配水器是调控层间注水量的机械执行，其主要工作过程为电机带动滑动丝杠进行阀芯的开启与闭合，并根据相应仪器仪表检测量的不同而进行水嘴开度的调整。其过程性清晰，主要为预设不同水嘴结构形状的流道核算性依托电机旋转最终实现丝杠螺纹的调控的。相关的灵敏度由预设完善的执行器进行完成。具体工作剖面图。可以明显看出水嘴在不同状态下水流的过程和配注量关系。

2.1基础理论支撑

相关元器件在设计之初就基于了基础理论的原始公式核算，该设备同样如此。相关的精确控制需要灵敏的执行器外还需要注水配水过程中对于不同形状水嘴流体力学特征的实验核算。需要注意的是正式工况环境下往往会遇到层间压差较大、低渗透油藏的恶劣井况下注水。需要在水嘴结构精细核算的同时进行一定欲度的预留。以适应和完善相关控制时的不稳定补偿量。保证最中油层能量补充效果。基于自动调节效能的水嘴需要在节流孔的帮助下进行协调解决。而单一的三角形、菱形、椭网形、圆形、矩形、U型等不能满足当前复杂情况。运用复合型形状的水嘴形状会事半功倍。以下在保密准则下展示相关实验参数。

2.2实验仿真

通过流体力学平台进行一定水嘴模型物理量的真实开度下的仿真。实验数据如图1所示。在此预设20%、40%、60%、80%、100%当量下的水嘴开度并做流量一压差关系分析数据拟合曲线。供下步分析。

通过以上实验数据可知，相应的压差梯度不断增大的过程中，流量系数初设为急剧上升状态，而随着时间的推移相关数据缓慢下降并最终趋于平稳如图2所示。不过通过进一步数据拟合可以看出一定水嘴压差下的开度和流量存在典型非线性关系。所以数据有必要进行进一步加工处理和后续分析。

进一步处理数据，运用spass软件进行真实数据下的多重拟合实验，细则为水嘴开度与流量系数采用三次样条插值完成函数拟合。最终得出40%水嘴开度下的相应值。流量系数最终在拟合实验下达到最大值，随后还是依次进行一定降幅的减小。

基于以上模拟性结果，在真实环境下进行相应实际流动前提下的水嘴情况综合实验论证。可以看出运用不同水质和溢流阀完成试压泵的调配和电磁流量计的校订。然后的电磁机械流量计的诱导下进一步得出相应对比数据列，然后方可开展下步工作。在集成系统的控制下运用相应控制器完成井底分层注水的协调性更正实验，最终得到真实情况下的水嘴前后压差。

具体实验过程为：首先在溢流阀关闭情况下完成水嘴最大开度的过程性测试，具体操作时应在20%开度下保持一定时间然后进行逐步提升最终升至100%，随后在进行5～50Hz的试压泵频率变更式运行，随后记录实验过程的全部可测物理量。最终通过真实数据和实验仿真进行不同水嘴开度、压差下的流量核算，得出真实环境下的操作要点。

实验要点及成果分析：综合不同工况下的真实注水井井况在配合前期水嘴拟合后得出相应的适应性规律，其中U型水嘴的相关产品智能调控效果最好，且维护性更好。在20%～100%的流体仿真和真实情况下过程实验中综合可测物理量变化程度最优，相应设备磨损效果最小。在基于产品制造原则上进行40%的开度时流量最大淡水相应的非线性关系不成连续性变化，认知为达到临界状态。综合控制误差率3%左有，实际试验与模拟仿真相比误差可接受。

3 结语

驱油注水目前仍然是油田提高采收率的重要举措，为了进一步提高采收率，精细注水已经成为了国内外油气开采领域的熱点研究问题。文章主要研究了永置式的注水井分层流量测量与控制技术，通过实时监测井下各层流量、温度、压力、水嘴开度，实现配水器注水量的自动控制与调节，对精细注水、提高注水井开采率具有重要的意义。

参考文献

[1]杨学武，周美红，张宏涛，等.超低渗油藏分注地质标准及注采剖面劈分方法探讨[J].石油化工应用，2019，38（5）：104-106+115.

[2]穆停华.胜利海上油田分层注水工艺技术现状与展望[J].内江科技，2019，40（5）：34-35.

[3]李刚，张永，李艾峰.同心配水器及配套系统设计及应用[J].清洗世界，2019，35（04）：77-78.

[4]鲍蕊，王旱祥，魏振，等.三级分层注水管柱蠕动研究[J].石油机械，2019，47（4）：110-117.