基于压力波通信的注水井分层调控系统研究*

2022-12-08胡改星刘延青张天杰孙玉芹姬振宁李正添宋文平

石油机械 2022年11期

胡改星刘延青张天杰孙玉芹姬振宁李正添宋文平

(1.长庆油田分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.长庆油田分公司第一采油厂4.长庆油田分公司第七采油厂5.哈尔滨工业大学)

胡改星,刘延青,张天杰,等.基于压力波通信的注水井分层调控系统研究.石油机械,2022,50(11):104-110.

0 引言

注水采油是我国油田采油的常用开采方式之一,油田含水率随注水过程延续而不断攀升,长庆、大庆、渤海等绝大部分主力油田已进入中高含水期,其特点是层间吸水差异大,导致水驱动用程度低、层间和层内矛盾突出、自然递减大等采油问题。以华庆油田为例,该油田是长庆油田主力开发区块之一,处于陕北鄂尔多斯沉积盆地斜坡南部,具有地质储量丰、油层厚度大且存在多层叠合等特征。但储层间表现出较强的非均质性,油藏埋深2 200～2 600 m,平均孔隙度12.1%,渗透率0.53 mD,是典型的超低渗透油藏。此类油田开发过程中动态裂缝多方向开启,见水方向复杂,治理难度大,整体开发效果差。通过持续攻关和配套完善,近年来形成了以机电一体化测调技术为核心的桥式同心、桥式偏心分注技术[1-3]。但分层注水测试调配过程复杂,且不能实时监测和调节井下各层注入量,井下作业风险和操作成本高。

针对以上技术难点,笔者开发了基于压力波通信的注水井分层流量调配技术,利用压力波通信技术、水嘴压差流量计算理论及智能调节技术,使注水井的分注合格率保持较高水平,并能通过长期定时监测,有效反映各层注入量、压力和温度等参数,实现井下各层流量自动测调、自动压降测试、自动验封和参数实时监测录取等功能[4-8],为注水开发策略调整提供技术依据,为油田精细注水提供有效的技术手段。

1 注水井分层调配系统技术分析

1.1 系统组成

基于压力波通信的注水井分层调配系统主要包括井下智能配水器与地面智能阀组2部分,如图1所示。井下智能配水器是智能注水的执行机构,通过配水器水嘴开度的调节实现地层注水量与管道压力值的主动调控;同时,水嘴开度调节能够在管道内产生有规律的压力变化,实现压力波通信,进而实现井下向地面的传输数据,将管外压力、管内压力和注水流量传回地面;地面智能阀组主要负责控制全井注水量以及向各智能配水器下发目标配注量、水嘴开度等指令,通过调节地面阀的开关状态,在管道内产生压力脉冲,形成特定的压力波通信,实现指令下发。基于压力波通信的注水井分层调配系统致力于实现地面与井下“一站式”远程无线通信、井下分层流量自动调节、自动验封、井下注水动态参数实时监测与远程传输[9-11]。

图1 基于压力波通信的注水井分层调配系统示意图Fig.1 Schematic diagram of separate allocation system for water injection well based on pressure wave communication

1.2 井下智能配水器

井下智能配水器整体结构如图2所示。由图2可知,井下智能配水器集成机电一体化水嘴、压力检测传感器、流量计、电机、电池组、主控电路等组件,具有分层流量自动测试与调节、封隔器验封、分层动态数据监测及存储、与地面设备压力波通信等功能[12]。井下智能配水器下井前,在地面设置自动测调周期、采样间隔、数据上传周期等参数,检测正常后随油管下井;正常注水时,井下智能配水器按照预设参数,自动测试调节分层注水量,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。配水器工作温度范围为-30～120℃,工作压差为35 MPa,电机输出扭矩为6 N·m,流量测试精度为2%,电池容量可满足在井下正常工作4 a。

图2 井下智能配水器结构示意图Fig.2 Schematic structure of downhole intelligent water injection allocator

1.3 地面智能阀组

图3为地面智能阀组的结构示意图。图4为其实物图。地面智能阀组主要由电控调节阀、地面控制器、阀前压力传感器、电磁流量计和阀后压力传感器5部分组成,各部分以模块化形式串接在油田注水管线上。由图3可知,来水依次流经电磁流量计、阀前压力传感器、阀后压力传感器,传感器检测到的来水参数通过标准modbus通信协议传输给地面控制器。当以日常恒流注水时,地面控制器根据电磁流量计实时测得的流量数据与全井的目标配注量进行比对;当偏差超过1%时,电控调节阀的开度将自动调节,使流量满足目标配注要求。

图3 地面智能阀组结构示意图Fig.3 Schematic structure of surface intelligent valve group

图4 地面智能阀组实物图Fig.4 Physical drawing of surface intelligent valve group

当需向井下智能配水器下传控制指令时,通过地面控制器软件进行一键打码操作,根据不同压力波通信指令,电控调节阀将进行有规律的开关切换,在油管内产生具有特定规则的压力波通信,井下智能配水器进行检测并解码,执行目标动作。

当需从井下智能配水器上传数据时,智能配水器水嘴进行有规律的开关切换,在井口产生具有特定规则的压力波通信。地面智能阀组通过阀后压力传感器进行检测,并由地面控制器进行解码,从而获得井下智能配水器上传的流量与压力数据。

此外,地面控制器具有良好的人机交互功能,能够显示全井实时数据,包括瞬时注水量、累计注水量、调节阀开度、注水温度、来水压力与注水压力;还能够显示分层实时数据,包括分层配注量、分层实注量、分层压力、分层累计流量等,并将实时压力、流量等数据发送至厂区的监控平台。

2 压力波通信原理与算法

2.1 压力波通信与解析算法

地面智能阀组或井下智能配水器按通信程序重复执行流量阀开关动作时,会在油管内产生高、低2种压力状态。压力状态的变化以及该状态的持续时间可以作为一组编码,实现地面与井下的远程无线传输,这种通信方式称之为压力波通信。地面智能阀组与井下智能配水器均设置有压力传感器,可以通过识别压力波波动获取传输的指令或数据信号。井下智能配水器采用电池组供电,因此采用定时休眠与压力唤醒的方式延长电池组使用寿命。智能配水器每5 min记录1次压力值并与1 h内的平均压力值进行对比,当连续2次记录得到的压力差值超过阈值Δp(默认为0.5 MPa)时,便将智能配水器唤醒,进入工作模式。

地面智能阀向井下特定层位的智能配水器发送流量调节指令时,采用“唤醒码+层位码+指令码+三位数据码+校验码+结束码”的通信规则,且单位时长设置为T0=2 min,每个码段持续时长与单位时长的比值为该码段对应的数字。以图5所示的压力波通信下传曲线为例,地面智能阀组先后执行如下动作。

图5 压力波通信下传曲线Fig.5 Pressure wave communication downward curve

(1)唤醒码:地面智能阀组的流量阀全开、保持时长Tx=10 min,井下智能配水器检测到压力升高(Δp≥0.5 MPa),处于“高压”状态,智能配水器被唤醒,并开始持续监测所处层位压力。

(2)层位码:地面智能阀组的流量阀全关、保持时长Tc=4 min,井下智能配水器检测到压力回落,处于“低压”状态,Tc/T0=2,对应信息为层位2。此后仅层位2智能配水器进入命令接收状态,其余层位的智能配水器进入休眠。

(3)指令码(配注量指令):地面智能阀组的流量阀全开、保持时长Tz=4 min,井下智能配水器检测到的压力升高(Δp≥0.5 MPa),处于“高压”状态,Tc/T0=2,对应信息为下发层位2智能配水器的目标配注量。

(4)数据码(配注量十位、个位、十分位):采用3位数格式,分别对应目标配注量的十位、个位和十分位,生成与解析压力波通信的方式同上。

(5)校验码:若层位码、指令码及3位数据码累加的和为奇数,则校验码值为1;若累加的和为偶数,则校验码值为2;若识别的校验码值与规则不符,则说明存在误码,智能配水器不会执行相应动作。生成与解析压力波通信的方式同上。

(6)结束码:其时长为固定值,时长Tj=T0。生成与解析压力波通信的方式同上。

井下智能配水器向地面上传的数据主要是当前层位的注水量与压力值,上传数据的通信方式与指令下传的通信方式基本相同。数据上传过程中,地面智能阀组维持恒定开度,此时压力波通信由智能配水器中电控水嘴的开启、关闭所产生,并由地面智能阀组接收与解析。一组压力波通信数据包括层位码、注水量数据码、压差数据码、校验码和结束码。其中注水量数据码与压差数据码均为3位数,按位数由高到低的顺序发送,层位码、校验码、结束码均只包含1位数。图6所示的压力波通信上传曲线对应的信息为:1号层位注水量14.3 m3/d,压差0.5 MPa。

图6 压力波通信上传曲线Fig.6 Pressure wave communication upward curve

2.2 压力波通信下传理论计算

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,通过对管路任一横截剖面的流体参数进行分析,建立管网至地面电控调节阀出口处的伯努利方程:

进一步地,式(1)可改写为:

式中:p1为管网入口处压力,Pa;p2为地面电控调节阀出口处压力,Pa;Q为流量,m3/s;ρ为流体密度,kg/m3;γ为容重,N/m3;z1为输水管高程,m;z2为地面电控调节阀高程,m;v1为管网入口处流速,m/s;v2为地面电控调节阀出口处流速,m/s;pl1为输水管沿程压力损失,Pa;pw1为输水管的局部压力损失,Pa;Δpu为地面电控调节阀的局部压力损失,Pa;A1为输水管截面积,m2;A2为地面电控调节阀出口处管道截面积,m2;λ1为输水管阻力系数,无量纲;l1为输水管长度,m;d1为输水管内径,m;ξ1为输水管的总局部系数,无量纲;ξu为地面电控调节阀阻力系数。

由于z1≈z2,则:地面电控调节阀开度ku被定义为阀体当前过流截面积与最大过流截面积的比值,即:

式中:Au为阀体当前过流截面积,m2;A0为阀体最大过流截面积,m2;du为阀体当前过流截面等效直径,m;d0为阀体最大过流截面等效直径,m。

地面电控调节阀产生的阻力系数由此可表示为:

式中:σ为流体收缩系数,取σ=0.63。

地面电控调节阀开度影响注水管流量,当阀体开度由ku1增加到ku2,流量由Q1提升至Q2,则地面电控调节阀出口处的压力变化(信号幅度)为:

2.3 压力波通信上传理论计算

设井下各智能配水器管路的流体均处于紊流状态,通过对管路任一横截剖面的流体参数进行分析,建立第i个配水器入口至对应注入层(配水器水嘴出口)的伯努利方程:

式中:p3为配水器入口处压力,Pa;p4为注入层压力,Pa;z3为配水器入口处高程,m;z4为注入层高程,m;v3为配水器入口处流速,m/s;v4为配水器水嘴出口处流速,m/s;Δpvi为配水器中心过流通道的压力损失,Pa;pmi为配水器水嘴的压力损失,Pa。

由于z3≈z4,因此可进一步推导得:

式中:QΔi为配水器的水嘴流量,m3/s;Am为配水器水嘴截面积,m2;Aw为配水器入口处截面积,m2;Ad为配水器中心过流通道截面积,m2;ξvi为配水器中心过流通道的阻力系数,无量纲;ξm为配水器水嘴的阻力系数,无量纲。

设地层压力不变,地面电控阀全开;改变1号配水器的水嘴开度,其余各配水器开度均不变,当1号配水器的水嘴开度减小时,其水嘴阻力系数由ξv11变为ξv12,该配水器的水嘴流量由QΔ11变为QΔ12,则井下1号配水器水嘴入口处产生的压力变化(信号幅度)为:

式中:QΔ11为1号配水器水嘴开度改变前的水嘴流量,m3/s;QΔ12为1号配水器水嘴开度改变后的水嘴流量,m3/s;ξv11为1号配水器水嘴开度改变前的阻力系数,无量纲;ξv12为1号配水器水嘴开度改变后的阻力系数,无量纲。

3 室内试验研究

3.1 室内试验系统搭建

室内试验系统主要由储液系统、监测系统、地面智能阀组与智能配水器组成,如图7所示。储液系统包括储罐、泵、稳流罐及分流阀,主要实现液体存储,并为液体循环流动提供动力;监测系统主要包括流量计与压力计,对液体流动状态与管路内压力状态进行监测;地面智能阀组实现压力波通信下传与回传信号的解析;智能配水器是主要试验对象,试验测试其指令接收、流量调节、数据上传等功能。采用2套智能配水器串联的布局方式模拟现实工况中井下的2个注水层段。

图7 室内试验系统结构示意图Fig.7 Schematic structure of indoor test system

通过地面智能阀组的开关切换进行压力波通信指令下传操,在测试管线内产生目标指令的压力波通信。管线上的智能配水器通过内置压力传感器检测并解析来水的压力波动,从而执行目标动作;压力波通信数据上传操作时,通过配水器内置的电控水嘴开关切换在测试管线内产生上传数据对应的压力波通信。通过地面智能阀组监测并解析,获得来自智能配水器的上传数据。

3.2 数据下传试验

初始阶段管道内的流动状态为恒流30 m3/d(图8中蓝色曲线为流量曲线、红色曲线为压力曲线),通过压力波通信试验,将层位-智能配水器目标配注量变更至12 m3/d。首先发送唤醒码,智能配水器被唤醒后,依次发送层位码、配注量指令码、数据码及校验码。其中数据码分为3位,分别为数据码1位对应目标流量的十位,数据码2位对应目标流量的个位,数据码3位对应目标流量的十分位。发送成功后层位-智能配水器接收并解析压力波通信指令,开始进行自动调整,流量由初始的30 m3/d自动调整为12 m3/d,由此证明控制指令下传成功。

图8 下传配注量变更压力波通信曲线图Fig.8 Pressure wave communication downward curve diagram of injection allocation change data

3.3 数据上传试验

初始状态下1号层位配水器的平均流量为13.3 m3/d、压差为0.55 MPa,进行1号层位数据压力波通信上传测试。首先发送唤醒码(图9中蓝色曲线为流量曲线、红色曲线为压力曲线),智能配水器被唤醒后,地面智能阀组依次发送层位码、流量与压差指令码、数据码及校验码。1号层位智能配水器接收到上述压力波通信指令后,开始通过有规律地开启和关闭水嘴,上传流量与压差数据,首先上传层位码,再依次上传层位-流量的十位值、个位值、十分位值,然后依次上传层位-压差的个位值、十分位值、百分位值,最后依次上传校验码与结束码。地面系统接收到的流量与压力曲线。

由图9可知,解析后获得的层位-上传数据为流量13.30 m3/d、压差0.55 MPa,与实际数值一致。由此证明通过压力波通信方式可以成功上传智能配水器中的流量与压力数据。

图9 上传流量与压差数据压力波通信曲线图Fig.9 Pressure wave communication upward curve diagram of flow and pressure differential data

4 现场应用

截至目前,基于压力波通信的注水井分层流量调配技术在华庆油田白153试验区已应用85口井,最大下入深度2 475 m,最大井斜角55.25°,最大分注层数为5层,最长运行时间超过50个月。试验区分注合格率长期保持在95%以上。实施井组综合开采曲线如图10所示。由图10可知,油井产量递减速率由5.6%下降至3.4%,油井含水上升率由3.7%下降至1.2%,5年累计增油3.7万t,促进开发效果持续提升。

图10 试验区实施井组生产曲线Fig.10 Production curve of application wells in test area

试验井“关128-143”于2019年10月12日完井,井深2 221 m,井斜35°,注入介质为清水,全井配注33 m3/d(上层配注15 m3/d、下层配注18 m3/d),测调周期为7 d,采样间隔为8 h。图11为试验井分层流量及压力的实时监测曲线。分层流量曲线表明:各层注水量能够长期满足地质配注要求,实现了全天候达标分注。