数字式分层注水实时监控系统的设计与应用

胡改星, 姬振宁, 刁广智, 冯杰瑞, 汪广轮, 靳筱宣, 王尔珍

1中国石油长庆油田公司油气工艺研究院 2低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 3中国石油长庆油田分公司第五采油厂 4中国石油长庆油田分公司第十二采油厂 5中国石油长庆油田分公司第二采油厂

0 引言

分层注水是保持油气储层压力，改善油田开发效果的有效方法[1- 3]。目前国内油田的分层注水主要采用“桥式偏心注水管柱+电缆直读测调”方式[4- 5]，但对于水平井的测调存在电缆下入困难等问题，采用地面/井下数据的双向无线传输、注水流量监测、水嘴开度智能调控的数字式分层注水实时监控技术可以解决这一难题[6- 9]。长庆油田地处鄂尔多斯盆地，具有典型的“低渗、低压、低产”特点，水驱产量达96%以上，目前采取定时定点的传统测调方式，数据呈点状分布，无法为储藏分析提供连续监测数据，通过自主研发“流体波码通讯+井下自动测调”数字式智能分层注水技术，实现了地面与井下双向数据传输和注水过程的连续监控，数字化分层注水实时监控系统的设计包括系统组成、地面/井下的无线通讯、注水量的智能测调与监测、数据的远程传输与管理等。

1 数字式分层注水实时监控系统组成

数字式分层注水实时监控系统由井下智能配水器、地面装置和数据的远程无线传输模块组成，如图1所示。地面与井下信息的传输采用流体波码通讯方式，利用地面与井下配水器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注水数据的双向无线传输。井下多个智能配水器串接实现分层注水，各配水器之间通过封隔器隔离。智能配水器进行地层注水流量的自动调节、电控阀压差测量、数据存储并通过调节配水器电控阀开度实现数据的上传；地面装置实现注水管流量调节、向井下配水器发送指令，完成井下上传信号的接收与处理；数据远程无线传输模块将注水管流量、配水压力、各注水层流量、井下压力等实时监测的数据通过无线网络远程传输至监控中心。

图1 数字式分层注水实时监控系统

1.1 井下智能配水器

智能配水器由中心过流通道、机电一体化水嘴、压力检测传感器、流量计、电路板电池、电机电池、主控电路等组成，见图2，电控阀由电机驱动，阀出口接水嘴，电控阀和水嘴组成通流面积可变水嘴(可调水嘴)。智能配水器具有地面下传命令的接收、注入层流量计算、电控阀开度自动调整、快速改变电控阀开度实现数据调制与上传的功能；配水器工作启动流量为1 m3/d，测试精度2%，电池容量可满足井下正常工作4年。

图2 井下智能配水器结构

智能配水器下井前，在地面设置复位压力、外加压力、水嘴延迟开启时间、自动测调周期、采样间隔等参数，检测正常后下井；正常注水时，智能配注器按照预设参数，自动测试调节分层注水量、自动封隔器验封、自动分层压力测试，长期监测井下分层动态数据，全过程免人工作业，提高分注过程自动化水平。

1.2 地面装置

地面装置包括泄压阀、磁电流量计、井口电控阀、井口压力传感器、信号处理与数据解码模块等，见图3。地面装置完成注水井流量控制、井口压力控制、数据通讯，通过快速调节井口电控阀开度向配水器发送指令，指示其改变注水流量或向地面发送数据，进行井下上传信号的接收、处理与数据显示。

图3 地面控制系统结构示意图

1.3 数据远程无线传输

远程控制系统由IP模块服务器、数据采集服务器、控制客户端、数据上传软件组组成，借助油田内部网络作为通讯通道，实现对分注井的远程监测。井下智能配水器下至设计位置，地面系统按照要求改造安装完成后，在中控室设立专用服务器并安装智能注水客户端软件，单井地面控制系统中设置相应的IP，实现无线远程监控及数据的采集分析。主要监控的动态数据包括：井口配水压力、井口注水压力、注水管流量、累计流量、分层注水压力、分层流量、累计分层流量等。

2 关键技术的应用

2.1 流体波码无线传输技术

2.1.1 地面命令的下传

地面控制系统通过规律性地改变井口电控阀开度使注水管流量发生脉冲状变化，建立注水井井筒压力波码，给井下智能配水器传送信号，实现地面至井下的指令传送。井下智能配水器通过检测此种规律性的压力或流量波动并完成解码，并将其转换为控制信号来控制测调水嘴。

2.1.2 井下至地面的数据

井下智能配水器通过规律性地改变电控阀开度，使注入地层的流量呈脉冲变化，进而引起注水流量及井口压力的波动，将井下分层流量、电控阀前、后压力、可调水嘴开度、温度等动态数据向地面传输。

2.2 井下分层流量自动测控技术

通过调测获得各注水层的配水器电控阀开度、压差与流量数据，采用人工智能处理得到各层的注入压力变化特征并形成流量修正图版，修正图版会根据随测数据进行不断更新。受压力计分辨率及测量误差的限制，通过压差计算得到的流量误差为量程的5%，如果电控阀压差变化过小，流量误差将增大，此时系统会启用修正图版，根据井筒注入压力变化，按照图版的规律对各层的压差进行修正，并根据修正结果，从流量图版中读取对应的流量值作为实时流量，将分层流量控制在误差范围内，达到精细分注的目的。

3 现场试验与应用

3.1 现场测调试验

配水器测调是根据实测注水层流量与预设流量之差调整配水器电控阀开度使注水层流量达到设定值[10]。测调分层流量时，地面向井下发送控制命令打开各层配水器的电控阀，然后向某一层配水器发送水嘴开度变化命令及注水流量设定值，指示某层配水器电控阀改变开度同时测取水嘴流量，智能配水器根据水嘴流量与预设流量之差自动调整配水器电控阀开度使水嘴流量达到设定值，某层测调完成后会发出相应信号至地面，然后再进行下一层的测调，直到各层注水流量均达到要求。

图4为关X井的测调曲线，配水器共进行了两次自动测调，配置自动测调时间10 min，预设流量10 m3/d，启动自动测调。第一次自调时，配水器检测到注入流量为20 m3/d，超过预设流量10 m3/d的15%允许范围，配水器开始自动测调，水嘴开度由开始时的14%调至8%，流量达到10 m3/d左右，达到预设的配注要求；第二次自调时，配水器检测到注入流量为7 m3/d，超过预设流量10 m3/d的15%允许范围，配水器开始自动测调，水嘴开度由开始时的4%调至9%，流量达到10 m3/d左右，达到预设的配注要求。图5为关X井测调时地面控制系统向井下各层配水器发送的将水嘴打开到指定开度的命令码脉冲图及流量测调结果；图6为对第一层测调时地面与井下发送的命令码及井下向地面返回数据的脉码图；图6中，地面控制系统向井下配水器发送读取第一层流量值的命令，先发送流量读取命令，再发送选层位号命令唤醒第一层配水器，然后地面控制系统接受数据，上传的波形解析为流量数据7.3 m3/d，目标配注流量是7 m3/d，配注流量误差满足配注要求。

图4 关X井智能配水器自动测调曲线

图5 关X井调整各层配水器水嘴开度的命令码脉冲图

图6 关X井读取第一层注水流量的命令与返回的数据编码脉冲图

3.2 现场应用

数字式分层注水实时监控系统在长庆油田进行了1 600余口井现场应用，最大井深2 902 m、最大井斜角59.3°、最小单层配注流量5 m3/d、最多分注层级6层。其中在华庆油田白153试验区累计应用78口井，对应油井产量平稳，平均吸水厚度由19.3 m增加到19.8 m，水驱动用程度由65.6%提高到67.9%，产量自然递减由5.4%降为3.6%，油气井采出液综合含水上升速度由3.7%降为-1.1%，应用效果明显。

以关Y井为例，该井井深2 543 m，井斜角31.5°，注水层2层，上层配注流量10 m3/d，下层配注流量8 m3/d，投产后，储层吸水厚度由12.7 m增加到15.8 m，日产量由5.72 t增加到7.84 t，生产状态得到明显改善。图7为该井的分层流量与压力的测量曲线。

图7 关Y井各层流量与压力的实时监测图

4 结论

(1)数字式分层注水实时监控系统采用流体波码通讯方式实现地面与井下稳定、可靠的双向无线通讯，克服了常规有缆分层注水装置在水平井中电缆下入困难、施工难度高等问题，可广泛应用于常规直井及斜井、水平井等特殊工艺井的精细分层注水。

(2)智能配水器的水嘴开度控制及水嘴流量控制的分辨率较高，可实现地层注水流量的精细调节。

(3)数字式分层注水实时监控系统的应用可大幅减少人工测试工作量，提高注水数据采集的实时性，对于合理指导注水政策调整，大幅提升分层注水自动化、智能化水平，及时掌握超低渗透油藏分层注水井的分层测调与管理起着必要的支持作用，为油田单井实时自动测调数字化、区块油藏动态调整信息化、地质工程设计调控一体化的第四代分层注水技术目标的实现奠定了基础。