化學(xué)驅(qū)連續(xù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)測(cè)調(diào)技術(shù)

邱亞東 徐曉宇 李海成 韓宇 馬珺喆 唐俊東

1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

化學(xué)驅(qū)分注技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用以來，對(duì)提高中低滲透層動(dòng)用程度，改善開發(fā)效果發(fā)揮了重要的作用［1］。目前，大慶油田應(yīng)用的化學(xué)驅(qū)分注井已達(dá)到8 000口以上，然而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，化學(xué)驅(qū)分注井層段注入合格率在測(cè)調(diào)周期2～3個(gè)月的時(shí)間內(nèi)會(huì)下降至 60%［2-3］；若要保持注入合格率在80%以上，需將測(cè)調(diào)周期縮短至30 d以內(nèi)，這將導(dǎo)致油田化學(xué)驅(qū)分注井年測(cè)試工作量由現(xiàn)有的4萬井次增加至10萬井次以上［4-5］，而現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)工作方式主要是測(cè)試班組每2～3個(gè)月進(jìn)行一次測(cè)試施工，工作時(shí)需將測(cè)試儀器下入井內(nèi)進(jìn)行流量測(cè)試和調(diào)整，單井測(cè)調(diào)時(shí)間約為2～3 d，測(cè)試效率低，數(shù)據(jù)錄取偶然性大，難以滿足進(jìn)一步縮短測(cè)調(diào)周期的需要［6-7］。為解決上述問題，開展了化學(xué)驅(qū)連續(xù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)測(cè)調(diào)技術(shù)研究與應(yīng)用。

1 技術(shù)方案

化學(xué)驅(qū)連續(xù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)測(cè)調(diào)技術(shù)需要將井下數(shù)據(jù)傳輸至地面，同時(shí)也需要將地面指令傳輸給井下工具，因此利用預(yù)置鋼管電纜作為數(shù)據(jù)傳輸媒介。工藝管柱主要由地面控制系統(tǒng)、井口密封裝置、預(yù)置鋼管電纜、過電纜封隔器、自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器等部分組成?；瘜W(xué)驅(qū)連續(xù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)測(cè)調(diào)技術(shù)工作原理如圖1所示，過電纜封隔器和自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器隨管柱下入井內(nèi)，利用過電纜封隔器將地層封隔開后，通過自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下數(shù)據(jù)，并經(jīng)預(yù)置電纜將數(shù)據(jù)傳輸至地面控制系統(tǒng)。同時(shí)，通過控制程序?qū)聰?shù)據(jù)讀取并下發(fā)調(diào)節(jié)指令。

圖1 化學(xué)驅(qū)連續(xù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)測(cè)調(diào)技術(shù)Fig.1 Continuous monitoring and automatic adjustment in chemical flooding

1.1 自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器

自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器作為該技術(shù)的核心工具，具備2個(gè)主要功能，一是能夠準(zhǔn)確測(cè)量井下各層段注入量、嘴前壓力以及嘴后壓力；二是能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)各層段的注入量；據(jù)此設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器如圖2所示。自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器主要由上接頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、扶正體、可投撈流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行控制及運(yùn)算處理系統(tǒng)、導(dǎo)向體、下接頭組成。

圖2 自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器Fig.2 Automatic measurement and adjustment flow regulator

在流量測(cè)量方面，目前在用的測(cè)量方式主要分為單層測(cè)量和合層測(cè)量。考慮到單層測(cè)量的方式由于測(cè)量通道較小，團(tuán)塊、雜質(zhì)附著后會(huì)影響測(cè)量精度。因此管柱工藝采用了合層測(cè)量的方式，注入時(shí)化學(xué)溶液經(jīng)中心通道處的內(nèi)流式電磁流量計(jì)流至當(dāng)前層段配注器偏孔及下一級(jí)自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器，當(dāng)前層段流量計(jì)讀數(shù)與下一級(jí)流量計(jì)讀數(shù)的差值即為當(dāng)前層段注入量。所研制的合層計(jì)量流量計(jì)的流量測(cè)量范圍為 2～200 m3/d，測(cè)量誤差為±3%FS（15 m3/d 以下，流量絕對(duì)誤差≤1.5 m3/d）。同時(shí)，在偏孔出口的內(nèi)外兩側(cè)設(shè)計(jì)兩路高精度壓力傳感器，用于測(cè)量嘴前及嘴后壓力，壓力測(cè)量范圍為0～40 MPa，測(cè)量誤差為±0.2%FS。

由于自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器內(nèi)置了數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制、運(yùn)算處理等電氣系統(tǒng)，需要在井下環(huán)境中保持絕對(duì)密封狀態(tài)，因此在自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器的下半部分設(shè)計(jì)了密封腔，將電氣系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)在2塊尺寸為141 mm×67 mm的電路板上，并將其安裝在密封腔內(nèi)，從而保證密封性能長(zhǎng)期有效。另外，為確保注入量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了大扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出扭矩可達(dá)到15 N · m，能夠有效緩解結(jié)垢嚴(yán)重導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡阻的問題。

1.2 可投撈流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

針對(duì)化學(xué)驅(qū)分注井存在易結(jié)垢、易堵塞等問題，除了采用上文提到的大扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，將注入量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為可投撈的形式，能夠在調(diào)節(jié)異常時(shí)進(jìn)行投撈更換，避免發(fā)生調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卡死后只能進(jìn)行作業(yè)施工的情況。如圖3所示，可投撈流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由投撈桿、限位凸輪、錐面密封塊、節(jié)流芯、調(diào)節(jié)桿、彈性對(duì)接機(jī)構(gòu)組成。

圖3 可投撈流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.3 Adjustable mechanism of throwing-in and pulling flow regulator

流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有全關(guān)功能，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)5 MPa壓差下漏失量≤2 m3/d，能夠滿足坐封、驗(yàn)封等相關(guān)工序的需要；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最大行程76 mm，可實(shí)現(xiàn)0～100%開度調(diào)整；彈性對(duì)接機(jī)構(gòu)能夠在投撈更換時(shí)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)多次反復(fù)穩(wěn)定的對(duì)接，保證投撈對(duì)接成功率。

通過室內(nèi)水力特性實(shí)驗(yàn)，研究聚合物溶液及三元復(fù)合溶液，通過流量調(diào)節(jié)元件節(jié)流芯的環(huán)形降壓槽后的具體黏損情況，得到不同水嘴開度時(shí)，不同流量下溶液的節(jié)流壓差及黏損率，具體數(shù)據(jù)見表1。聚合物溶液為1 300 mg/L的DS800抗鹽聚合物，熟化12 h以上。

表1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Laboratory experimental data

由表1可知，在相同流量下，隨著水嘴開度增 大，節(jié)流壓差及黏損率逐漸降低；相同水嘴開度時(shí)，隨著流量增加，節(jié)流壓差及黏損率逐漸升高；水嘴開度15%時(shí)，流量50 m3/d的條件下，最大節(jié)流壓差1.505 MPa，黏損率小于等于5.67%。三元復(fù)合溶液為1 000 mg/L的DS1900抗鹽聚合物+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的表面活性劑+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的NaOH，熟化12 h以上。由表中可知，三元復(fù)合溶液節(jié)流壓差和黏損率的變化規(guī)律與聚合物溶液基本相同；水嘴開度15%時(shí)，流量50 m3/d的條件下，最大節(jié)流壓差1.519 MPa，黏損率小于等于7.87%。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在保證高節(jié)流性能的前提下，最大程度減少了化學(xué)溶液在注入過程的黏度損失。

1.3 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)主要由地面控制箱和控制程序組成，配合各層段自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器使用，能夠?yàn)檎坠に嚬苤峁┛煽抗ぷ麟娫矗哂凶詣?dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)測(cè)調(diào)、過載保護(hù)等功能。 地面控制箱的控制電路采用脈沖編碼進(jìn)行半雙工通信，采用多級(jí)濾波、自動(dòng)增益控制電路以提高通信的可靠性；包括奇校驗(yàn)、幀校驗(yàn)、冗余信息校驗(yàn)等多種數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性?？刂朴布捎肧TM32系列單片機(jī)作為主控單元，將自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器分為流量單元和調(diào)節(jié)單元2個(gè)以PIC系列單片機(jī)作為主控的邏輯單元，并設(shè)有獨(dú)立編號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)指定邏輯單元的數(shù)據(jù)讀取以及命令下發(fā)。

控制程序運(yùn)用MVC設(shè)計(jì)模式，采用Microsoft MFC框架實(shí)現(xiàn)，與自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器使用自定義協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能夠通過USB端口、串口聯(lián)機(jī)對(duì)自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器發(fā)送指令，同時(shí)接收自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器反饋的數(shù)據(jù)信息并繪制曲線圖形等。

2 工作流程

測(cè)試調(diào)配時(shí)，將電腦和地面控制箱依次與井口預(yù)留電纜接口相連，通過控制程序?qū)Ω鲗佣闻渥⒘?、嘴前壓力、嘴后壓力等井下?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)配注量不滿足方案要求時(shí)，地面控制箱將控制指令下發(fā)至目標(biāo)層段自動(dòng)測(cè)調(diào)配注器，配注器接收指令后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開度，直至將配注量調(diào)整至滿足方案要求。

另外，地面控制箱配有存儲(chǔ)芯片，可存儲(chǔ)半年以上的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。若井場(chǎng)具備連續(xù)供電條件，可在井場(chǎng)附近預(yù)埋防盜配電箱，將地面控制箱放置其中，配合控制程序設(shè)定層段注入量以及測(cè)調(diào)周期，測(cè)調(diào)人員每隔一段時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)回放采集。若與無線通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用，還可以實(shí)現(xiàn)井網(wǎng)聯(lián)調(diào)及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

截至2021年12月，化學(xué)驅(qū)連續(xù)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)測(cè)調(diào)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)5口井，工藝成功率100%，所有試驗(yàn)井均運(yùn)行正常，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間已超過500 d。單井測(cè)調(diào)時(shí)間由2～3 d降至2 h內(nèi)，且測(cè)調(diào)過程中不再需要專業(yè)測(cè)試隊(duì)伍現(xiàn)場(chǎng)施工，僅需1人操作控制程序即可，在降低測(cè)試工作量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)測(cè)調(diào)效率提升30倍左右。A井為2層段聚合物驅(qū)分注井，投產(chǎn)后測(cè)調(diào)曲線如圖4所示。該井于2020年9月20日施工完井，并于9月22日開井注入(測(cè)調(diào)時(shí)間54 min)，偏1層配注量55 m3/d，偏2層配注量130 m3/d。通過加密測(cè)調(diào)周期，分別于 9月 25日(測(cè)調(diào)時(shí)間22 min)、10月 9日 (測(cè)調(diào)時(shí)間 18 min)、11月 12日(測(cè)調(diào)時(shí)間28 min)進(jìn)行測(cè)調(diào)，使注入合格率始終保持在90%以上，同時(shí)可以看出，由于測(cè)調(diào)時(shí)間大幅度下降，與常規(guī)測(cè)試技術(shù)相比，測(cè)試效率明顯上升。

圖4 分注井A測(cè)調(diào)曲線Fig.4 Measurement and adjustment curve of a separate injection well

4 結(jié)論

(1)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井下數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)以及注入量的自動(dòng)調(diào)整，測(cè)試調(diào)配僅需1人操作控制程序，不再需要專業(yè)測(cè)試隊(duì)伍現(xiàn)場(chǎng)施工，將單井測(cè)調(diào)時(shí)間由2～3 d降至2 h內(nèi)，使注入合格率始終保持在90%以上。實(shí)現(xiàn)了測(cè)調(diào)效率和注入合格率的雙提升，降低了測(cè)試工作量，可作為下一代化學(xué)驅(qū)分注技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

(2)該技術(shù)能夠連續(xù)不間斷錄取井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為分析地層變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持，并且通過配套地面遠(yuǎn)程無線通信裝置實(shí)現(xiàn)井網(wǎng)聯(lián)調(diào)及遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用戶在辦公室即可對(duì)井下參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，有力支撐了油田數(shù)字化建設(shè)。