智能分注系统中流体波码信号的传输机理

2020-07-14胡改星王子建毕福伟刘延青欧阳诗昆

科学技术与工程 2020年17期

胡改星, 王子建, 毕福伟, 刘延青, 欧阳诗昆

(1.长庆油田公司油气工艺研究院，西安 710081；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710081；3.长庆油田公司第十二采油厂，庆阳 745000)

油气田开发过程中，储层压力的下降造成对油气的驱动能力减弱，为保证储层中的油气继续向生产井中运移，需要对储层注水以增强地层能量[1-4]。精细分层注水技术针对各个储层的能量衰减情况进行有区别的能量补充，有利于能量衰竭型储层及低渗、超低渗储层的有效开发。该技术的核心为分层注水智能监控系统。该系统的信息双向传输采用流体波码通信方式，利用流体压力的变化来进行控制命令下传与数据的上传。对于智能分层注水：文献[5-7]介绍了智能分层注水系统的结构及在超低渗储层开发中的应用；文献[8]通过建立注水井分层注水的流动特性模型，计算各注水层的压力、流量与配水器电控阀开度关系，用于优化注水参数；文献[9-10]叙述了智能分层注水系统的现场测调方法；文献[11]叙述了流体波码通信装置的工作原理及流体压力信号的编码与解码方法。但上述研究均未涉及流体波码的产生与传输机理。流体波码通信是智能分层注水系统的核心。研究表明，由于注水管流速较低，流体波码与用于随钻测量(MWD)信息传输的钻井液压力脉冲技术在信号的产生与传输方式上均不相同[12-13]。此外，流体波码的信号强度及传输距离受流体参数、输水管网参数、注水管或井筒参数、流体装置结构及流体控制参数的影响，同时各参数之间的相互影响造成系统设计困难。通过数学分析解析波码信号强度及传输距离与相关影响参数之间的关系，揭示流体压力信号的产生与波码传输机理，有助于波码通信系统的设计与性能改善。笔者基于稳定流的流体能量方程建立流体压力信号的产生与传输过程的数学模型，研究了相关参数对压力信号传输的影响。

1 智能分层注水系统的信号传输

1.1 系统组成与管路模型

智能分层注水系统包括地面注水流量的控制、井下配水器电控阀开度的监控、井下各个注水层的注入流量监控、地面与井下信息的无线双向传输等，图1所示为其结构示意图。

图1 智能分层注水系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the intelligent separated layer water flooding system struction

管网经输水管通过地面电控阀连接到注水管(井筒)，注水管下部连接有多个配水器，配水器电控阀通过改变开度来调控流量并经水嘴注入地层，各配水器水嘴之间通过封隔器隔离。为实现地面控制命令的下传，地面电控阀按控制编码要求通过短时间改变阀的开度使注水管流量呈脉冲状变化，引起井口压力及井下配水器电控阀入口处压力的改变，向配水器控制电路发出指令，指示改变水嘴流量或准备上传井下数据。为实现井下数据的上传，配水器控制电路根据编码数据形成的电压脉冲控制电控阀开度来改变水嘴流量，使注水管流量发生变化，引起配水器电控阀的入口处压力及井口压力的改变，将各配水器电控阀的开度、压力、水嘴流量等信息传输至地面。利用电控阀开度调制流量来改变井口与井下压力，实现地面控制命令与井下数据的双向无线传输，称之为流体波码通信。

图2所示为分层注水系统的管路模型，其中，Q为注水管流量；p1为管网压力；z1为输水管高程；v1为输水管流速；pl1为输水管沿程压力损失；pw1为输水管的局部压力损失；p2为地面电控阀出口处压力；z2为地面电控阀高程；v2为电控阀出口处管道流速；Δpu为地面电控阀产生的局部压力损失；p2为注水管井口处压力；z3为井底高程；v3为注水管流速；pl2为注水管沿程压力损失；p3为配水器电控阀入口处压力；v4为配水器偏通管流速；QΔi为水嘴流量；p4为地层压力；z4为配水器水嘴出口处高程；pmi为水嘴压力损失；v5为水嘴流速；Δpvi为配水器电控阀产生的局部压力损失，i=1～n，n为配水器水嘴数。

图2 分层注水系统管路模型Fig.2 Pipeline model for separated layer water flooding system

1.2 井下多配水器管路流体的流动分析

1.2.1 各配水器管路的流量分配

(1)

1.2.2 配水器开度引起的注水管流量变化分析

(2)

Q=Δp/r

(3)

由于配水器上部管路的流阻较大，在一定程度上限制住了整体管路的流阻变化，总管路流量有一些变化。数值计算表明，配水器数量越多，某一配水器电控阀开度的改变对总管路流量的影响越小。

2 数学模型

2.1 压力信号下传的传输机理及特性分析

2.1.1 地面电控阀产生的压力信号

管网通过一定长度的输水管接至注水井，设输水管与注水管中流体处于紊流状态，通过对管路a—a剖面的流体参数分析，建立管网至地面阀出口处的流体能量(伯努利)方程：

(4)

(5)

地面阀开度影响注水管流量，当电控阀从某一开度增加到另一开度时，注水管流量由Q1增加到Q2，地面阀出口处的压力变化(信号幅度)为

(6)

2.1.2 地面阀开度改变在井下引起的压力变化

设各配水器流体处于紊流状态，通过对注水管路d—d剖面的流体参数分析，建立地面至井下配水器1电控阀入口处的伯努利方程：

(7)

设井垂深h=z2-z3，由于配水器数为n，如果各配水器电控阀开度相同，有QΔ1=Q/n，因此:

(8)

(9)

式(9)说明，地面阀开度改变引起的注水管流量变化诱导产生井下压力信号，可以看作是信号的传递，信号下传的传递函数为

(10)

2.2 压力信号上传的传输机理及特性分析

2.2.1 井下配水器电控阀产生的压力信号

设各配水器管路的流体处于紊流状态，通过对管路c—c剖面的流体参数分析，建立某一配水器电控阀入口至地层处的伯努利方程:

(11)

式(11)中:v5=QΔi/Am为水嘴流速。由于z3≐z4，因此:

(12)

设地层压力不变，地面电控阀全开，改变配水器1的电控阀开度，其余各配水器电控阀开度均相同；当配水器1开度减小时，电控阀阻力系数由ζv11→ζv12，该配水器的水嘴流量由QΔ11→QΔ12，此井下配水器电控阀入口处产生的压力变化(信号幅度)为

（三）数学家华罗庚曾说过：“数缺形时少直觉，形少数时难人微，数型结合百般好，隔离分家万事非。”用多媒体辅助教学有助于数学知识的内化和深化，把一些呆板的无法言表的内容有抽象变为直观，图文并茂，声像具备，形象生动，有利于提要课堂教学效率，促进教育教学质量大幅度提高。本案中，对于探究为任意角，公式都成立，其内容较为抽象，学生不易理解。这时我应用几何画板展示公式动态相等过程，使内容直观化、具体化，吸引学生的注意力，启迪学生思维，更有利于培养学生正确有序的观察方法和空间想象能力。

(13)

2.2.2 配水器开度改变在井口引起的压力变化

设地面电控阀全开，仅改变配水器1电控阀开度，其余各配水器均与配水器1的初始开度相同；通过对管路b—b剖面的流体参数分析，建立注水井井口至地层处的伯努利方程:

(14)

由于h=z2-z4，则地面阀出口(注水井井口)处压力为

(15)

设配水器1开度改变时地层压力不变。当配水器1开度减小时，其电控阀的阻力系数由ζv11→ζv12，该配水器的水嘴流量由QΔ11→QΔ12，注水管流量由Q1→Q2，则配水器1开度减小时在井口引起的压力变化(信号幅度)为

(16)

由于

因此，

(17)

式(17)说明，井下某一配水器开度改变引起的流量变化诱导产生井口压力信号。信号上传的传递函数为

(18)

3 数值计算与分析

计算条件：输水管长度l1=500 m；内径d1=30 mm；流量Q=75 m3/d；水黏度μ=1 mPa·s；密度ρ=1 000 kg/m3；井口电控阀出口处管内径d2=60 mm；输水管局部阻力系数ξ1=0.75；地面电控阀内腔直径du=30 mm，Au=706 mm2，阀孔最大流通截面积A0=140 mm2；流体收缩系数σ=0.63；注水管内径d3=62 mm；长度l2=3 000 m；偏通管直径dw=24 mm；水嘴管直径dm=8 mm；配水器电控阀内腔直径dd=24 mm，Ad=452 mm2，阀孔最大流通截面积Ak=50.25 mm2；配水器数n=3。

3.1 流量对地面阀及配水器的压力信号影响

注清水时，输水管与注水管流体的雷诺数Re>2 300，管中流体处于紊流状态。

信号幅度与流量呈平方关系，因此流量对信号的影响较大。取流体密度ρ=1 000 kg/m3，井下各配水器开度均为50%，地面阀开度从1%增加至100%。改变注水管最大流量情况下根据式(6)计算，地面阀产生的压力信号幅度与注水管流量关系如图3所示。

设地面阀全开，取流体密度ρ=1 000 kg/m3，井下配水器1的开度从50%减小至25%，其余各配水器开度均为50%。改变注水管最大流量情况下根据式(13)计算，配水器1产生的压力信号幅度与注水管流量关系如图4所示。

图3 注水管流量对地面阀产生的压力信号影响Fig.3 Influence of water injection pipe flow on pressure signal generated by the ground valve

图4 注水管流量对配水器产生的压力信号影响Fig.4 Influence of water injection pipe flow on pressure signal generated by the downhole flow control device

从图3和图4可以看出，注水管最大流量严重影响压力信号幅度，由于配水器水嘴流量远小于注水管流量，且配水器的开度变化范围远小于地面阀，因此其产生的压力信号幅度远小于地面阀产生的信号。

3.2 压力信号在注水管中的传输特性

3.2.1 信号下传

图5 注水管长度对压力信号下传的影响Fig.5 Influence of water injection pipe length on pressure signal downlink transmission

流体密度ρ=1 000 kg/m3，注水管最大流量Qmax=75 m3/d，井下各配水器电控阀开度均为50%，地面控制阀开度从1%增加至100%。根据式(9)与式(10)计算，下传至井下的压力信号幅度与注水管长度关系如图5所示，信号下传时的传递函数值与注水管长度关系如图6所示。

图6 注水管长度对信号下传传递函数的影响Fig.6 Influence of water injection pipe length on transfer function of the signal downlink transmission

从图5和图6可以看出：①下传至井下的信号幅度基本与注水管长度无关，说明注水管长度对地面压力信号的下传基本无影响；②由于注水管长度影响地面阀小开度时的流量，导致地面阀产生的压力信号幅度随注水管长度的增加而增大，因此信号下传的传递函数值随注水管长度的增加而逐渐减小。

3.2.2 信号上传

地面控制阀全开，流体密度ρ=1 000 kg/m3，注水管最大流量Qmax=75 m3/d，井下配水器1的开度从50%减小至25%，其余各配水器开度均为50%。根据式(17)与式(18)计算，上传至井口的压力信号幅度与注水管长度关系如图7所示，信号上传时的传递函数值与注水管长度关系如图8所示。

从图7和图8可以看出，上传至井口的压力信号幅度随注水管长度的增加线性减小，说明注水管长度对井下压力信号的上传有一定影响，信号上传的传递函数值随注水管长度的增加而逐渐减小。

图7 注水管长度对压力信号上传的影响Fig.7 Influence of water injection pipe length on the pressure signal uploading

图8 注水管长度对信号上传传递函数的影响Fig.8 Influence of water injection pipe length on transfer function of the signal uploading

4 室内实验

室内实验在流体波码传输实验装置上进行，实验装置由平流泵、100 m循环管路、电传压力计、模拟地面电控阀、模拟井下配水器电控阀、电控旁路阀、储水箱、计算机数据采集与阀控系统所组成，如图9所示。循环管路为内径15 mm高压盘管，平流泵最大排量为60 L/h，产生的管流速与现场2.5 in(63.5 mm)管内径的注水管在流量25 m3/d下的流速相同。该装置可以模拟地面阀及井下配水器产生的压力脉冲信号，并可测量地面阀开度改变时引起的井下压力变化及井下配水器开度改变时引起的地面压力变化。

图9 流体波码传输实验装置Fig.9 Experimental device for fluid wave code transmission

图10所示为模拟地面阀的控制命令在井下产生的压力响应图形，其中地面阀开度根据控制命令脉冲进行1%到100%的调节，命令编码为10100110。可以看出，管流量随地面命令脉冲同步变化，井下压力信号与地面命令脉冲序列一致，说明地面阀开度改变使流量发生变化形成流体波码，将控制命令传递至井下，与理论分析相符。图11所示为模拟井下配水器根据数据编码产生的压力脉冲信号传输至地面的压力响应图形，其中配水器电控阀开度根据数据脉冲进行60%到28%的调节，数据编码为10011001。可以看出，地面压力信号随井下压力信号同步变化，地面压力信号整形后与井下数据脉冲序列一致，说明井下数据通过改变井下配水器电控阀开度导致注水管流量变化形成的流体波码可以将数据传输至地面，符合理论分析结果。