注水井智能分注技术研究进展

赵旭亮，刘永莉

（1.中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦 124010； 2. 渤海装备辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

分层注水是补充地层能量、缓解层间矛盾、提高采收率的重要手段。常规分注技术包括桥式偏心、桥式同心等，能满足水驱开发中不同时期的需求。但随着油田开发规模的扩大和开发进程的深入，常规分注技术暴露出一些不足之处，如测调工艺复杂、测调工作量和劳动强度大，特殊井（套变井、边缘井及大斜度井等）测调不方便甚至无法测调，只能周期性测调，无法长期保持较高的注水合格率，无法长期监测分注数据等。

国内外智能分注技术研究主要包括有缆式智能分注[1–3]、非接触式智能分注[4–6]及无缆式智能分注[7–10]等方式，能解决常规分注技术存在的问题，实现分层注水精细化、有效化、智能化的长期实时控制。

1 智能分注技术

1.1 有缆式智能分注

有缆式智能分注是地面控制系统通过电缆控制有缆式智能配水器，实现每个注水层配注量测调、封隔器验封及测试数据读取（图1）。过电缆封隔器在实现电缆穿越功能的前提下，封隔各注水层段，避免产生层间干扰。智能配水器可对管内注水压力、地层压力及流量等参数进行定时监测，并通过电缆传递至地面控制系统，配水器可定期对水嘴开度依据监测数据进行修正以保证注水量满足要求。

杨万有等[1–3]研制的智能配水器，水嘴设计为对称平衡结构，保证水嘴在高压差条件下的顺利开关，同时采用槽式进水设计防止水嘴砂卡。为了提高有缆式智能分注技术作业效率，设计了专用配套工具：①电缆连接器：在作业过程中实现电缆连接，密封方式设计为 2级或 3级密封以提高连接处有效密封；②电缆保护器：安装在油管接箍处，防止管柱下入时损害电缆；③电缆防压装置：安装在井口处，在管柱下入过程中防止吊卡损害电缆，提高作业效率；④过电缆井口密封装置：管柱下入作业间歇过程中确保井口管柱和电缆的有效密封，避免间歇封井时电缆被剪断后再连接产生的密封失效风险。

1.2 非接触式智能分注

非接触式智能分注是当测调或数据读取时，油管内通过电缆下入非接触调控仪至配水器有效通讯位置范围，地面控制系统实现与智能配水器双向数据传输；控制配水器进行测调，同时提取配水器前期测试数据（图2）。非接触式智能配水器对各层参数进行定时测量并存储至芯片中，水嘴驱动力由预置在配水器内的电池提供。水嘴开度可根据井下参数变化，定时通过控制芯片的流量自动测调算法并进行调整，以保证配注水量恒定。

雷创[4]等研制的非接触式智能配水器，自带压力计和流量计等传感器，监测各层压力、流量等数据，并将数据存储至芯片。后期下入短节与配水器非接触对接，提取存储数据，并通过现场试验确定数据监测周期为4 h，测调验封周期为10 d。

图1 有缆式智能分注结构

图2 非接触式智能分注结构

1.3 无缆式智能分注

无缆式智能分注是地面控制系统利用压力波或流量波通信技术，通过井口控制系统向井底发送预设的高低脉冲信号，控制井下无缆智能配水器执行配注测调等相关操作（图3）。智能配水器动力由预置在配水器内电池提供，配水器定时对井下参数进行测量，并定时调整水嘴开度以保证目的层注水量。读取井下数据时，地面控制系统通过井口控制系统下发测试数据回传指令，对应层位配水器利用波码传输技术实现测试数据回传。

图3 无缆式智能分注结构

杨玲智等[7]研制的无缆式智能配水器，建立了压差、流量及开度这三者的关系模型和配水器自学习模型，可确保分注流量达标。韦栋等[7]研究的压力波通信技术，可实现地面向井下和井下向地面的双向通信，指令为压力或流量序列，下发指令信息包括配水器仪器码和操作指令，上传指令包括层号、内压、外压、流量及开度等。朱苏青等[11]建立的地面控制调配注水量方法，以单层配注量为依据，向下发送开度指令，稳定后上传水嘴前后压差，地面控制系统计算并判定是否满足精度，如果不满足则继续调节。

2 三种分注方式对比

有缆式智能分注、非接触式智能分注及无缆式智能分注对比结果见表 1。有缆式智能分注技术测调动力通过电缆由井口提供，能够实时对井下数据进行监测，非接触式智能分注技术避免了起下电缆作业，无缆式智能分注技术采用波码双向传输技术实现测调和井下参数测试，适用于带压作业。3种方式各有优势，应根据具体情况选取。

表1 三种分注方式对比结果

3 智能分注研究方向

目前，智能分注技术除各自技术瓶颈外，在现场应用中主要存在两方面的核心问题：①水嘴堵塞：注水过程中由于水质[11–14]、地层返吐等影响导致水嘴堵塞，进而影响智能分注技术的使用寿命；②电池寿命：非接触式和无缆式智能分注的寿命主要由电池寿命决定，特别是无缆式智能分注技术采用井下水嘴开关向上传输数据，对电池性能要求较高。因此，电池使用寿命是制约该技术发展的瓶颈问题。

当前解决水嘴堵塞的对策主要有两种：一是建立定期水嘴调整机制，定期对水嘴清除堵塞物；二是采用特殊材质防止结垢，同时在结构上考虑进水处、出水处及水嘴的最小尺寸，通过机械结构防止堵塞物进入水嘴。下步应开展特殊结构防堵水嘴设计，利用注入水在井内的压差作为水嘴解堵动力，解决水嘴堵塞问题。开展可投捞水嘴智能分注技术研究，一旦水嘴堵死，可进行投捞作业更换水嘴，提高智能分注技术的使用寿命。

为确保电池寿命和管柱寿命一致，水嘴采用平衡压等设计，开关不受水嘴前和水嘴后压力的影响，降低测调功耗，同时对智能分注技术的测调周期、验封周期及数据上传次数等进行限制，以节省电池电量。下步应开展低功耗水嘴测调技术研究，在利用低功耗元器件的基础上，进一步降低功耗。加强高性能电池研究，提高电池的使用寿命。开展电池水嘴一体化投捞技术研究，实现水嘴和电池一体化设计，当电池没电或水嘴堵死时，进行投捞作业，更换一体化的带电池水嘴。

此外，还可开展同时具备有缆和无缆智能分注功能的耦合技术研究，前期采用无缆智能分注，当电池电量用完或需要实时监测数据时，可通过管内有缆或非接触对接，为井下配水器提供动力和数据实时传输通道，以提高智能分注管柱的使用寿命。

4 结论

（1）阐述了有缆式、非接触式及无缆式三种智能分注技术的工作原理和研究进展，并就配套工具、作业过程、动态监测、数据回传及技术瓶颈等方面对三种智能分注技术进行了对比。

（2）开展特殊结构防堵水嘴或可投捞水嘴智能分注技术研究解决水嘴堵塞问题，加强低功耗水嘴测调技术、高性能（可充电）电池研究及电池水嘴一体化技术研究提高电池寿命，进行多功能智能分注技术研究，实现三种智能分注技术的优势耦合，规避单种智能分注存在的技术限制是智能分注技术的发展方向。