基于無線充電及通信技術(shù)的智能配注水系統(tǒng)分析

金振東，朱振坤 ，張偉超，石玉卿，佟 音，郭 穎

(1. 大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453; 2. 黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室，黑龍江 大慶 163453)

特高含水期油田注采關(guān)系復(fù)雜，井下參數(shù)變化頻繁，提高注水合格率是保證注水開發(fā)效果的有效方法，為此需要縮短測調(diào)周期來提高配水精度。實踐證明前期發(fā)展的高效測調(diào)技術(shù)可提高測調(diào)效率1倍以上，成功地將測調(diào)周期由6個月縮短到4個月，長期分注合格率由60%提高到70%以上。統(tǒng)計分析現(xiàn)場試驗效果，油藏動用比例提高了10%。如將長期分注合格率提高到80%以上，動用比例將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上還有提高空間，但測調(diào)周期將縮短至1個月,當(dāng)前以人工參與測試方式為主體的分注工藝，在測調(diào)周期和單層配注精度上受到技術(shù)限制[1-10]。根據(jù)以上預(yù)測，考慮工作量和投入成本，現(xiàn)有配注技術(shù)無法滿足這一需要，因此研究了智能配注技術(shù)，通過實時監(jiān)測井下參數(shù)、自動調(diào)整注入量來保持較高的注水合格率，提高油藏動用比例，實現(xiàn)剩余油的精細(xì)挖潛，延長油田經(jīng)濟(jì)有效開采壽命，同時為油藏分析提供更多數(shù)據(jù)支持，增強(qiáng)措施的針對性和合理性[11-13]。

1 總體方案

注水井智能配注工藝是將智能配注器隨注水管柱下入，在井下長期連續(xù)工作,如圖1所示。當(dāng)注水管柱坐封后，智能配注器按照預(yù)先設(shè)置好的測調(diào)周期和目標(biāo)注入量進(jìn)行測量和調(diào)配，測量到的井下參數(shù)和調(diào)配過程以數(shù)據(jù)的形式存儲在智能配注器內(nèi)部存儲單元中。對歷史數(shù)據(jù)的讀取可通過下入智能測控充電一體儀來實現(xiàn)，該儀器的作用是為地面測試人員與井下智能配注器提供信息傳送通道，實現(xiàn)歷史記錄的上傳；智能配注器采用電池組供電，該儀器同時可為井下智能配注器補(bǔ)充電能。地面測試人員還可通過該儀器實現(xiàn)智能配注器流量的人工測調(diào)及控制參數(shù)的重新定制。

圖1 注水井智能配注工藝系統(tǒng)組成

2 核心工具

2.1 智能配注器

智能配注器是智能配注技術(shù)的關(guān)鍵工具，可實現(xiàn)對井下分層油管壓力、地層壓力、注入流量、溫度等數(shù)據(jù)的測量，又可實現(xiàn)對分層注入流量定期自動調(diào)配。智能配注器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，其中流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、測控電路板構(gòu)成了工作參數(shù)采集組件；測控電路板上的水下無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、天線構(gòu)成了數(shù)據(jù)通信組件；流量控制閥采用大轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動減速器及傳動軸總成來控制閥芯的開度，實現(xiàn)流量電控調(diào)節(jié)；電能轉(zhuǎn)換器次級、測控電路板上的電源管理電路、電池組構(gòu)成電源管理組件；主控制電路對各組件進(jìn)行統(tǒng)一管理，存儲器內(nèi)存儲測調(diào)周期、目標(biāo)注入量等工作數(shù)據(jù)。在自動測調(diào)狀態(tài)，當(dāng)測調(diào)周期到來時，智能配注器主控制電路會自動喚醒，按照寫在主邏輯處理電路CPU中的智能測調(diào)算法去工作。智能測調(diào)算法是根據(jù)測量到的注入量和流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)執(zhí)行動作形成的閉環(huán)反饋實現(xiàn)分層流量的自動測調(diào)的，完成測調(diào)后智能配注器進(jìn)入休眠狀態(tài)。人工測調(diào)時，當(dāng)前端控制器到達(dá)智能配注器后，智能配注器進(jìn)入到喚醒狀態(tài)，通過無線通信組件接收地面的控制信息，可實現(xiàn)井下參數(shù)人工測量、注入量調(diào)配、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳以控制參數(shù)重新定制等[14-15]。

圖2 智能配注器結(jié)構(gòu)原理

2.2 智能測控充電一體儀

智能測控充電一體儀用于定期測試，檢測井下智能配注器工作狀態(tài)、錄取歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令、為智能配注器充電等。核心的相關(guān)技術(shù)是DC—AC逆變技術(shù)與電磁感應(yīng)技術(shù)[16-18]。智能測控充電一體儀電磁感應(yīng)等效電路原理如圖3 所示，其中，V1為初級輸入電壓，I1為初級線圈的電流，C1、L1、R1分別為初級線圈的電容、電感和電阻，V0為次級輸出電壓，I2為次級線圈的電流，C2為次級線圈補(bǔ)償電容，L2、R2分別為次級線圈的電感和電阻，R0為電路的負(fù)載，M為初級線圈和次級線圈的互感。

圖3 智能測控充電一體儀電磁感應(yīng)等效電路原理

由圖3的等效電路可得式(1)，要增大輸出電壓V0首先需增大次級線圈感應(yīng)電壓jωL2C2。通過選擇次級線圈的補(bǔ)償電容C2，使得ω2L2C2=1,從而減小式(1)分母項的模值，即增大輸出電壓。由式(1)可得式(2)。式(3)中負(fù)載R0與輸出功率成正比，但是R0越大，負(fù)載側(cè)并聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q2也越大，對應(yīng)的諧振曲線越尖，負(fù)載輸出能力對工作頻率等參數(shù)的變化越敏感。實際工作中工作點相對于諧振點較小的偏移便會引起輸出能力很大的降低，因此通過增大負(fù)載來提高輸出功率的方法在工程上不實際。當(dāng)負(fù)載一定時，結(jié)合式(1)、式(3)可以看出影響輸出功率的因數(shù)分別是初級線圈電流的頻率、幅值以及互感與次級側(cè)的比值。

(1)

(2)

(3)

式中：V0為輸出電壓，V；M為初級線圈與次級線圈的互感，H；L1為初級線圈的電感，H；L2為次級線圈的電感，H；C2為次級線圈的補(bǔ)償電容，F(xiàn)；R0為電路負(fù)載電阻，Ω；I1為初級線圈電流，A；P0為輸出功率，W。

智能測控充電一體儀電路系統(tǒng)組成如圖4所示。將地面不同標(biāo)準(zhǔn)的交流電統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成310 V直流電，經(jīng)電纜傳送到智能測控充電一體儀，然后初級電能轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用逆變原理產(chǎn)生1 500 V正弦交流電，傳送到初級繞組上。初級繞組產(chǎn)生的交變電磁場在智能配注器內(nèi)部的次級繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流經(jīng)次級轉(zhuǎn)換模塊的濾波，整流，降壓、穩(wěn)壓處理后換成直流穩(wěn)定輸出，為智能配注器內(nèi)部用電設(shè)備提供穩(wěn)定電源；該模塊對電池組當(dāng)前電力的使用狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)采用恒壓后恒流的方式對電池組進(jìn)行充電管理；當(dāng)智能測控充電一體儀通過智能配注器時，在次級繞組上產(chǎn)生電脈沖信號，該信號被次級模塊捕捉確認(rèn)后，通知測控電路打開水下無線數(shù)據(jù)傳送模塊，使其處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)智能測控充電一體儀與智能配注器達(dá)到通信距離后，可實現(xiàn)地面與井下的數(shù)據(jù)通信。

圖4 智能測控充電一體儀電路系統(tǒng)組成

智能測控充電一體儀組成如圖5所示，儀器長1.4 m，外徑?36 mm。采用?3.2 mm單芯鋼管電纜進(jìn)行測試，與高效測調(diào)儀兼容。與井下智能配注器有效無線通信距離1 m，有效非接觸充電距離0.2 m，可同時完成數(shù)據(jù)通信和非接觸充電。

圖5 智能測控充電一體儀組成

2.3 地面通信控制主機(jī)

地面通信控制主機(jī)的作用是承載地面與井下智能測控充電一體儀間通信與供電功能，將地面電源穩(wěn)壓輸出傳送至井下測控充電一體儀，同時將井下返回信號進(jìn)行解碼處理后傳送至控制計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)或圖形化輸出。主機(jī)和智能測控充電一體儀之間采用有線二線制通訊方式，采用電阻小于100 Ω的單芯電纜，穩(wěn)定通訊距離3 500 m。地面通信控制主機(jī)包含有線通訊模塊、無線通訊模塊、數(shù)字式電壓表電流表、串行通訊模塊、USB通訊模塊，全部由開關(guān)電源模塊供電。為了使電源系統(tǒng)能適合在油田現(xiàn)場電源的復(fù)雜情況，設(shè)計成可以在380 V或者220 V交流環(huán)境下工作，由電源選擇開關(guān)S1控制，可以在交流220 V電源和交流380 V電源環(huán)境下進(jìn)行選擇切換。同時，變壓器T1起到隔離的作用，對現(xiàn)場電機(jī)或者變頻器引起的干擾信號進(jìn)行隔離。經(jīng)過變壓器處理的電源一路送給備用插座和開關(guān)電源模塊，另一路經(jīng)過各項處理最后送給智能測控充電一體儀，包括過載保護(hù)、防浪涌電路、差模抑制電路、共模抑制電路、過壓保護(hù)等。地面通信控制主機(jī)電路原理如圖6所示。主機(jī)和智能測控充電一體儀之間采用有線二線制通訊方式，采用電阻小于100 Ω的單芯電纜，穩(wěn)定通訊距離3 500 m。

圖6 地面通信控制主機(jī)電路原理

3 室內(nèi)試驗

3.1 智能測控充電一體儀與智能配注器對接試驗

將智能測控充電一體儀與測試車鋼管電纜連接，下入模擬井中，進(jìn)行智能測控充電一體儀與智能配注器對接耦合試驗。通過測試車控制測控充電一體儀的下放速度，測控充電一體儀下放速度不大于 3 m/s。通過智能配注器中心主通道后，智能配注器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可將耦合信號發(fā)送到地面控制主機(jī)，智能配注器被喚醒，對接成功。重復(fù)對接30次，成功率100%。

3.2 智能配注器室內(nèi)充電試驗

在智能測控充電一體儀與智能配注器對接成功后，進(jìn)行無線充電試驗。表1為5支智能配注器的充電試驗數(shù)據(jù)。

表1 智能配注器室內(nèi)充電試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)表明，智能測控充電一體儀在為電池組充電過程中，最大充電電流2 280 mA，充電時間為1.8 h左右，電能傳輸穩(wěn)定可靠。

3.3 智能配注器流量計試驗

將智能配注器與油管連接下入模擬井中，同時下入智能測控充電一體儀進(jìn)行實時監(jiān)測，通過控制柱塞泵的沖次和調(diào)節(jié)控制閥的開度，調(diào)節(jié)流量。通過實驗室的流量標(biāo)定系統(tǒng)來檢定流量計的測量精度。測量結(jié)果如圖7所示，分析圖7的數(shù)據(jù)可知流量計的測量精度在±3%FS以內(nèi)。

圖7 流量計試驗數(shù)據(jù)曲線

3.4 智能配注器流量控制閥試驗

關(guān)閉智能配注器流量控制閥至全關(guān)狀態(tài)，控制實驗室檢測系統(tǒng)流程，使流量控制閥前后壓差達(dá)到10 MPa以上，監(jiān)測漏失量。通過開、關(guān)流量控制閥，監(jiān)測電機(jī)工作電流和控制閥是否有卡阻情況。智能配注器流量控制閥試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 流量控制閥試驗數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

試驗結(jié)果表明，流量控制閥在10.18～10.56 MPa壓差下，漏失量在1 m3/d以內(nèi)；開、關(guān)過程電機(jī)反饋電流正常，控制閥沒有卡阻現(xiàn)象。

3.5 智能配注器使用壽命試驗

為了驗證智能配注器使用壽命達(dá)到2 a的指標(biāo)，開展了室內(nèi)試驗，對其使用壽命進(jìn)行檢驗。在實驗室內(nèi)12 h連續(xù)不間斷進(jìn)行開關(guān)閥調(diào)控試驗，與現(xiàn)場2 a時間內(nèi)控制閥調(diào)控強(qiáng)度進(jìn)行對比測試，控制閥調(diào)節(jié)強(qiáng)度達(dá)到2.4 a的調(diào)配強(qiáng)度，試驗后控制閥工作狀態(tài)正常。智能配注器現(xiàn)場要求的壽命數(shù)據(jù)如表3所示。智能配注器壽命室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)如表4所示。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，智能配注器使用壽命能夠達(dá)到2 a以上，滿足考核指標(biāo)要求。

表3 智能配注器現(xiàn)場試驗壽命指標(biāo)

表4 智能配注器壽命室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)

4 應(yīng)用情況

現(xiàn)場試驗18口井，跟蹤測試106井次，平均層段5.1層，最長工作時間44個月，實現(xiàn)了分層注水井井下參數(shù)的實時監(jiān)測、定期自動調(diào)配、無線充電及數(shù)據(jù)錄取，限制層注水合格率91.3%，層段自動調(diào)節(jié)水量誤差在±8.7%以內(nèi)。

A井為5層段細(xì)分注入井，其配注量及智能調(diào)配結(jié)果如表4。P3層自動測調(diào)監(jiān)控曲線如圖8所示。

表5 A井小層配注量及調(diào)配結(jié)果

圖8 P3層自動測調(diào)監(jiān)控曲線

在自動調(diào)配前，A井P3層實注量與配水量均相差較大，井下智能配注器按照配注要求設(shè)定參數(shù)自動調(diào)配后，注水量均調(diào)配合格，調(diào)配誤差均在±10%以內(nèi)，符合配注要求。

5 結(jié)論

1) 形成了基于無線充電和通信的智能配注工藝，研制了井下智能配注器，實現(xiàn)井下參數(shù)連續(xù)監(jiān)測及注水量定期自動調(diào)配，注水合格率可長期保持在90%以上，開發(fā)效果明顯改善；研制了智能測控充電一體儀，在2 h內(nèi)可完成歷史數(shù)據(jù)上傳和無線充電。

2) 通過該技術(shù)對井下參數(shù)連續(xù)監(jiān)測，緩解了測試隊伍的壓力，可為油藏開發(fā)方案的調(diào)整提供依據(jù)，為注采規(guī)律的研究提供充足的數(shù)據(jù)支持，為油田實現(xiàn)“注好水、注夠水”的目標(biāo)提供了技術(shù)支持。

3) 為延長智能配注器使用壽命，減少充電時間和次數(shù)，建議開展大容量長壽命電池在智能配注器上的應(yīng)用研究。