海上油田注水井智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)研究

徐興安　張鳳輝　楊萬有

摘????? 要： 為提高渤海油田注水增產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)注水井分層注水的精細(xì)化管理，針對(duì)渤海油田大排量注水的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種井下分層注水智能配水器及配套地面監(jiān)控設(shè)備。該配水器具有井下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分層注水量自動(dòng)調(diào)控、分層在線驗(yàn)封、注水安全監(jiān)測(cè)等功能，配水器由機(jī)械部分和電控電路兩部分組成，其中電控電路包括井下電源模塊、微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、解碼電路、發(fā)碼電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。配水器借助鋼管電纜與地面監(jiān)控設(shè)備相連，即可在中控遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)分層注水的在線監(jiān)測(cè)與分層注水量的動(dòng)態(tài)調(diào)控，單層配注量最大可達(dá)1 000 m³·d^-1，單井測(cè)調(diào)時(shí)間可縮短至幾個(gè)小時(shí)，減少了后期調(diào)配作業(yè)和修井費(fèi)用，截至2019年12月現(xiàn)場(chǎng)已成功應(yīng)用87口井，累計(jì)298套，節(jié)約測(cè)調(diào)費(fèi)用約1 370萬元，降本增效顯著。

關(guān)? 鍵? 詞：海上油田;注水;智能配水器;測(cè)試儀器;分層注水

中圖分類號(hào)：TE357.8?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?????? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1396-04

Research on Intelligent Monitoring and Control

Technology of Water Injection Well in Offshore Oilfields

XU Xing-an， ZHANG Feng-hui， YANG Wan-you

（Energy Technology & Services-oilfield Technology Services Co.， CNOOC， Tianjin 300452， China）

Abstract：? In order to improve the efficiency of water injection in Bohai oilfield and realize the fine management of layered water injection in water injection wells， a kind of underground layered water injection intelligent water distribution device with cable and supporting ground monitoring equipments was designed and developed according to the application demand of large displacement water injection in Bohai oilfield. The water distribution device has the functions of real-time data collection， automatic control of layered water injection， layered online sealing test， water injection safety monitoring， etc. The water distributor is composed of mechanical part and electric control circuit. The electric control circuit includes underground power module， micro controller module， data acquisition module， decoding circuit， code sending circuit and motor driving circuit. The water distributor can be connected to the ground monitoring equipment with the help of steel pipe and cable， which can realize the online monitoring of layered water injection and the dynamic regulation of layered water injection in the central control remotely. The single-layer water injection can be up to 1 000 m3·d-1 at most， and the single well test and adjustment time can be shortened to a few hours， which can reduce the cost of later deployment and workover. As of December 2019， 87 wells have been successfully applied on site， with a total of 298 sets. The saved adjustment cost is about 13.7 million Yuan， cost reduction and efficiency increase are significant.

Key words：? Offshore oil field; water injection; intelligent water distributor; Testing instrument; Layered water injection

渤海油田注水開發(fā)占比達(dá)78%，現(xiàn)有注水井811口，其中分層注水井742口，分注井占比超過90%。渤海油田常規(guī)的分注技術(shù)主要有同心分層注水技術(shù)、空心集成分層注水技術(shù)、邊測(cè)邊調(diào)分層注水技術(shù)等^[1-7]，分層測(cè)調(diào)、層間驗(yàn)封均需要借助鋼絲或電纜作業(yè)配合，受平臺(tái)作業(yè)窗口、井斜、單井測(cè)調(diào)周期長(zhǎng)等多方面因素的影響，普遍存在注水井分層測(cè)調(diào)不及時(shí)、大斜度井無法測(cè)調(diào)、測(cè)調(diào)效率低等問題，造成渤海油田注水井三率較低，嚴(yán)重地影響了油田注水開發(fā)的效果。

針對(duì)常規(guī)分層注水技術(shù)的不足，渤海油田開展了注水井智能測(cè)調(diào)技術(shù)的攻關(guān)，形成了具有海油特色的井下智能分注技術(shù)與配套井下智能配水器^[8-9]。智能配水器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了注水井分層注水量、注水壓力、地層壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和注水量的自動(dòng)化調(diào)整，分層注水合格率、測(cè)調(diào)效率均大幅度提升，為油藏分析提供了實(shí)時(shí)與準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，促進(jìn)了分層注水技術(shù)向數(shù)字化、智能化的升級(jí)，為渤海油田的注水高效開發(fā)提供技術(shù)支持。

1? 技術(shù)原理

技術(shù)組成如圖1所示，有纜智能配水器作為井下智能分注技術(shù)的關(guān)鍵工具，每一個(gè)注水層段對(duì)應(yīng)一個(gè)智能配水器，各層智能配水器獨(dú)立工作，采集井下分層注水流量、注水壓力、地層壓力、溫度、電機(jī)電流、閥開度等數(shù)據(jù)，并根據(jù)分層配注量自動(dòng)控制水嘴開度大小，實(shí)現(xiàn)分層注水的自動(dòng)化調(diào)整，確保分層注水量在分層配注允許的范圍內(nèi)。相鄰兩個(gè)注水層位采用一個(gè)過電纜插入密封工具進(jìn)行分隔，防止注水層間的干擾。各層配水器由一根鋼管電纜串聯(lián)，并共用該電纜與地面控制器相連與通信，地面控制器借助鋼管電纜向各配水器供電并傳送控制指令，各層配水器接收控制指令后，一方面控制可調(diào)水嘴開度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)分層注水的動(dòng)態(tài)控制;另一方面將調(diào)控過程中實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳給地面控制器，實(shí)現(xiàn)地面控制器對(duì)分層調(diào)配的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2? 智能配水器設(shè)計(jì)

有纜智能配水器如圖2所示，工具主要由上接頭、上滑套、流量計(jì)、上外套管、主體、一體化可調(diào)水嘴（包括閥芯、絲杠、電機(jī)和減速器、行程開關(guān)等組件）、測(cè)控電路、下外套管、下滑套、下接頭流量計(jì)等組成。

2.1? 流量計(jì)設(shè)計(jì)

有纜智能配水器流量測(cè)試優(yōu)選電磁流量計(jì)，流量計(jì)以其具有抗污能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)特別適用于井下流量的長(zhǎng)期測(cè)試，同時(shí)針對(duì)海上大排量注水的應(yīng)用需求，配水器采用雙流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有2個(gè)過流注水通道，分別用于有大流量和小流量分層注水，流量測(cè)量范圍可達(dá)

1 000 m³·d^-1，2個(gè)過流注水通道由一體化可調(diào)水嘴進(jìn)行開關(guān)控制，通過可調(diào)水嘴閥芯的位置變化，即可實(shí)現(xiàn)分層注水量的無級(jí)調(diào)整。

2.2? 一體化可調(diào)水嘴設(shè)計(jì)

一體化可調(diào)水嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由密封腔、閥芯、連桿、行程開關(guān)、霍爾傳感器、磁鋼、絲杠螺母副、電機(jī)和減速器組成。

可調(diào)水嘴的閥芯結(jié)構(gòu)在電機(jī)和減速器的驅(qū)動(dòng)下可沿出水口軸向運(yùn)動(dòng)，可開關(guān)水嘴、切換流量計(jì)通道。在某一流量計(jì)的行程范圍內(nèi)，可通過改變出水口面積調(diào)節(jié)流量。可調(diào)水嘴內(nèi)部全關(guān)位置設(shè)計(jì)有密封圈，密封采用格蘭圈密封，可有效防止由于水流沖刷造成的密封失效問題，當(dāng)水嘴運(yùn)行到全關(guān)極限位置時(shí)，閥芯與密封圈配合密封注水環(huán)形空間，實(shí)現(xiàn)注水通道的安全關(guān)閉?？烧{(diào)水嘴采用平衡壓設(shè)計(jì)，可滿足壓差20 MPa下一體化可調(diào)水嘴的開關(guān)調(diào)控。一體化可調(diào)水嘴在行程的全開和全關(guān)2個(gè)極限位置，設(shè)置有2個(gè)行程開關(guān)，用于極限位置切斷電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的防過載保護(hù)。

2.3? 耐腐蝕性

渤海油田單井酸化增產(chǎn)增注措施實(shí)施頻繁，對(duì)井下智能配水器的耐酸性能提出較高的要求?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電磁流量計(jì)的電極材料在酸性環(huán)境中（酸化處理液包含j（HCl）12.0%+j（HF）3.0%+ j（緩蝕劑配制酸液）0.5%）存在嚴(yán)重腐蝕的問題，造成井下智能配水器進(jìn)液而電氣短路，導(dǎo)致測(cè)調(diào)系統(tǒng)癱瘓的故障。為此，開展了電極材料的篩選評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。同時(shí)關(guān)鍵部件為不銹鋼材質(zhì)，并對(duì)工具進(jìn)行QPQ表面處理。

2.4? 防砂卡設(shè)計(jì)

配水器出水口設(shè)計(jì)有單向防反吐組件，可避免注水井停注或反洗井時(shí)，環(huán)空砂或雜物造成配水器水嘴砂埋、堵塞等風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)，為減小油管內(nèi)注入水質(zhì)含砂、結(jié)垢造成水嘴開關(guān)調(diào)控困難的風(fēng)險(xiǎn)^[10]，流量計(jì)和水嘴進(jìn)水口為離心結(jié)構(gòu)，并安裝有過濾網(wǎng)，可有效避免砂礫或結(jié)垢物造成可調(diào)水嘴閥芯開關(guān)遇阻、調(diào)控困難的問題。

3? 智能配水器硬件電路設(shè)計(jì)

智能配水器電路由主控電路、解碼電路、發(fā)碼電路、溫度測(cè)量電路、壓力測(cè)量電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等部分組成，其原理框圖如圖4所示。

主控芯片通過解碼電路獲取地面控制器下傳命令，根據(jù)上位機(jī)軟件設(shè)置的調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)水嘴開度。通過AD采集芯片采集內(nèi)壓、外壓以及環(huán)境溫度，并通過發(fā)碼電路將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面控制器。

3.1? 處理器電路設(shè)計(jì)

采用dsPIC30F6012A為主控芯片，結(jié)合16位單片機(jī)控制特點(diǎn)和DSP高速運(yùn)算優(yōu)點(diǎn)，兼具高速度、低電壓、低功耗、大電流驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位OTP及Flash技術(shù)，支持4 M×24位的可尋址Flash程序存儲(chǔ)體、32 K×16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間及2.5～5.5 V供電電壓。

3.2? 發(fā)碼電路設(shè)計(jì)

發(fā)碼電路與配水器內(nèi)部的微處理器連接，接收處理器發(fā)來的井下分層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過發(fā)碼電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)耦合通過單芯電纜的直流載波方式上傳給地面控制器，發(fā)碼電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

3.3? 解碼電路設(shè)計(jì)

解碼電路經(jīng)單芯電纜和地面控制器連接，將地面控制器下傳的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送至配水器內(nèi)部的微處理器，進(jìn)行指令分析和運(yùn)算處理，解碼電路如圖6所示。

4? 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

截至2019年12月，有纜智能分注技術(shù)已在渤海油田應(yīng)用87口井，智能配水器累計(jì)應(yīng)用298套，最大下深3 333.00 m，最多井下6層級(jí)聯(lián)調(diào)控，最大井斜87.62°，最大分層注水量800 m³·d^-1，在酸化、微壓裂等增產(chǎn)措施下配水器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。井下智能配水器的應(yīng)用，降本增效顯著，節(jié)約了單井測(cè)調(diào)費(fèi)投入，單井測(cè)調(diào)時(shí)間由4 d縮短至4 h，測(cè)調(diào)效率提高20余倍，單井測(cè)調(diào)頻次將有1次·a^-1提高至3次·a^-1，注水井三率提升顯著，據(jù)估算智能配水器在87口井的應(yīng)用，將節(jié)省測(cè)調(diào)費(fèi)用約1 370萬元·a^-1。

5? 結(jié) 論

1）井下智能配水器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了分層注水的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化調(diào)控，分層測(cè)調(diào)無須占用平臺(tái)作業(yè)窗口、無須鋼絲電纜作業(yè)配合、無須拆裝井口，解決了作業(yè)時(shí)間沖突、大斜度井無法鋼絲或電纜測(cè)調(diào)、拆裝井口的安全和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了測(cè)調(diào)費(fèi)用投入，提高了測(cè)調(diào)效率，減小了額外作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)特別適用于大斜度井、水平井、無人平臺(tái)分層注水的測(cè)試與調(diào)配。

2）井下智能配水器久置于井下各注水層段，通過配水器內(nèi)的壓力計(jì)可實(shí)時(shí)獲取井下分層注水?dāng)?shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了分層注水的在線監(jiān)測(cè);同時(shí)智能配水器可接收地面監(jiān)控設(shè)備的控制指令，快速完成分注層注水量的調(diào)整，測(cè)調(diào)效率更高。

3）井下智能配水器的穩(wěn)定性與可靠性是智能分注技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，應(yīng)持續(xù)跟蹤工具的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果、問題，不斷地優(yōu)化和改進(jìn)工具;同時(shí)考慮油田智能注采的發(fā)展方向，與智能采油技術(shù)相結(jié)合，搭建智能注采平臺(tái)統(tǒng)一技術(shù)接口，建立智能分注與分采系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為油藏分析和注采方案的優(yōu)化調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障。

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基金項(xiàng)目： 國(guó)家科技重大專項(xiàng)，渤海油田油水井高效測(cè)調(diào)一體化技術(shù)示范基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2016ZX05058-003-015）。

收稿日期： 2020-03-27

作者簡(jiǎn)介： 徐興安（1984-），男，黑龍江省綏化市人，工程師，碩士研究生，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)，研究方向：海上采油工藝。E-mail：xuxa@cnooc.com.cn。