集約式低成本井下自動調(diào)控分注裝置研究*

王 聰 張 凱 崔玉海 郭 慧 張小玫 王鵬飛 王 鵬

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

勝利油田以水驅(qū)開發(fā)為主，水驅(qū)產(chǎn)量占總產(chǎn)量的75%左右，水驅(qū)儲量的穩(wěn)定開發(fā)是油田穩(wěn)產(chǎn)的基石[1]。國內(nèi)分層注水技術(shù)經(jīng)歷了固定式分注技術(shù)、活動式分注技術(shù)、測調(diào)一體化分注技術(shù)3個成熟的發(fā)展階段，目前正在進行智能分注技術(shù)的推廣應(yīng)用[2-3]。大慶油田、華北油田以有纜式智能分注技術(shù)為主，研發(fā)的智能配水器集成了溫度、壓力監(jiān)測和流量測控功能，通過電纜載波通信技術(shù)與地面實時通信，獲取井下數(shù)據(jù)，控制分層注水量[4-6]。長慶油田以無纜式智能分注技術(shù)為主，研發(fā)了適用于超低滲透油藏的壓力波通信分層注水技術(shù)，通過地面與井下電控閥開度調(diào)控，在井筒內(nèi)產(chǎn)生壓力波動，實現(xiàn)了地面與井下的數(shù)據(jù)傳輸和井下分層流量調(diào)控[7-8]。中海油開展了電纜永置式井下測調(diào)技術(shù)和電控+液控智能注水技術(shù)的攻關(guān)研究。電纜永置式井下測調(diào)技術(shù)將測調(diào)組件集成于井下測調(diào)工作筒內(nèi)，通過電纜進行數(shù)據(jù)與指令傳輸，實現(xiàn)對井下數(shù)據(jù)的監(jiān)控和注水量的調(diào)節(jié)[9-12]。

勝利油田自2014年開始，開展了有纜式智能分注技術(shù)的攻關(guān)和無纜式智能分注技術(shù)的試驗應(yīng)用[13-14]，有纜式智能分注技術(shù)已推廣應(yīng)用110余井次，累計增油約9.15萬t 。受制于井下高溫芯片、電機等成本制約，有纜智能分注技術(shù)實施成本高，限制了規(guī)?；茝V應(yīng)用。因此，本文擬開發(fā)設(shè)計一種低成本自動調(diào)控分注裝置，將統(tǒng)一配置的井下智能配水器優(yōu)化設(shè)計為具有通信和測試功能的中樞配水器和具有調(diào)節(jié)功能的配水調(diào)控開關(guān)，以減少高溫芯片使用數(shù)量，在保證實時獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，降低實施成本。

1 技術(shù)分析

1.1 工作原理

圖1為集約式低成本井下自動調(diào)控分注管柱示意圖。分層配注裝置主要由中樞配水器和配水調(diào)控開關(guān)構(gòu)成，過電纜封隔器用來將不同的注水層段分隔。中樞配水器具有采集全井流量、分層流量、壓力、溫度的基本功能，同時能夠進行雙向通信；配水調(diào)控開關(guān)具有采集外壓、控制水嘴開關(guān)的基本功能；地面控制器可以設(shè)置各個油層注水參數(shù)，并通過電纜直流載波通信的方式將設(shè)置參數(shù)傳輸?shù)礁鱾€油層的分層配注裝置。

中樞配水器配置的傳感器種類齊全，而配水調(diào)控開關(guān)相當(dāng)于簡化版的有纜智能配水器，其相關(guān)參數(shù)可由中樞配水器的測量數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)運算得到。配水調(diào)控開關(guān)的內(nèi)壓為中樞配水器測量到的內(nèi)壓、靜液柱壓力與摩阻的代數(shù)和，而配水調(diào)控開關(guān)的溫度為中樞配水器測量到的溫度與溫差之和。配水調(diào)控開關(guān)中沒有內(nèi)壓傳感器、溫度傳感器以及對應(yīng)的采集電路，成本降低約30%。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2為集約式井下自動調(diào)控分注裝置三維結(jié)構(gòu)圖。所設(shè)計的中樞配水器主要由上接頭、電磁流量計、一體化可調(diào)水嘴、中心過流管、差壓流量計及下接頭組成。其中電磁流量計用于測量全井流量，差壓流量計用于測量分層流量，壓力傳感器可測量管內(nèi)外的壓力，溫度傳感器實現(xiàn)層段溫度的測量。中樞配水器可實現(xiàn)水嘴開度調(diào)節(jié)、控制進入地層的流量及數(shù)據(jù)雙向通信的功能，同時還設(shè)計了多級密封結(jié)構(gòu)，以保證長期密封的可靠性。所設(shè)計的配水調(diào)控開關(guān)主要由上接頭、外壓傳感器、下接頭、外護管、中心過流管及一體化可調(diào)水嘴組件等組成。通過水嘴開度的控制實現(xiàn)分層流量的調(diào)節(jié)，調(diào)控開關(guān)對應(yīng)層位的流量值可通過換算得到(水嘴開度-壓差-流量的關(guān)系)。同時配水調(diào)控開關(guān)也具備多級密封結(jié)構(gòu)。

圖2 集約式井下自動調(diào)控三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 3D structure map of intensive downhole automatic regulation and control device

1.3 電路設(shè)計

由功能需求可知，中樞配水器主要具有采集流量、壓力、溫度和雙向通信功能，配水調(diào)控開關(guān)主要具有采集外壓、控制水嘴開關(guān)的功能?？梢姡袠信渌髋c配水調(diào)控開關(guān)的功能相似，不同之處在于中樞配水器所采集的傳感器數(shù)據(jù)種類較多。因此設(shè)計電路時為增強互換性，采取了模塊化的設(shè)計思想，將中樞配水器及配水調(diào)控開關(guān)所需功能全部設(shè)計于電路板上，配水調(diào)控開關(guān)不使用的電路模塊不焊接相應(yīng)芯片。

選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6芯片作為主控芯片，由于自帶了模擬量輸入端口，所以可直接將芯片的AD輸入端口與模擬量輸入傳感器(包括壓力及流量傳感器)相連接，通過編程后進行傳感器數(shù)據(jù)的采集。溫度傳感器采用DS18b20芯片式溫度傳感器，該傳感器為數(shù)字式傳感器，因此可直接與主控芯片的I/O口相連接，通過編程后采用I2C總線的方式進行溫度數(shù)據(jù)的讀取。水嘴內(nèi)部安裝有步進電機，對水嘴開度的控制實際上是對步進電機的控制，因此可將主控芯片直接與電動機控制線相連接，通過脈寬調(diào)制的方式對水嘴進行控制。

采用直流載波通信的方式進行井下及地面的通信，直流載波通信傳輸?shù)拿罨驍?shù)據(jù)采用二進制的傳輸方式，因此編碼電路實際上是將數(shù)字信號1和0轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的模擬信號，通過模擬信號在電纜上進行傳輸，而解碼電路與編碼電路功能相反，是將電纜上的模擬信號重新轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字信號。為了適用于不同規(guī)格的電纜，編解碼電路中增加了PGA112可編程增益放大器，對信號進行放大，從而實現(xiàn)對不同長度及規(guī)格電纜的自適應(yīng)。該電路將遲滯比較器的門限電壓與標(biāo)準(zhǔn)信號進行計算后得出增益放大倍數(shù)，進而編程調(diào)節(jié)放大器的增益。設(shè)計的增益放大電路如圖3所示。

圖3 增益放大電路圖Fig.3 Gain amplification circuit diagram

1.4 控制算法

分層注水過程中，井下流量的控制精度直接決定了注水井的層段合格率，因此合適的控制算法對于注水流量的精確控制至關(guān)重要[15-16]。目前井下流量調(diào)控常用的控制算法包括PID控制算法[17]、模糊控制算法[18]及模糊自適應(yīng)PID控制算法[19]。其中模糊控制及模糊自適應(yīng)控制算法均需要根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計模糊控制器。因此，本文所設(shè)計的集約式配水器采用增量式PID控制算法對注水流量進行控制，PID控制算法的表達式如下[20-21]：

(1)

式中：u(t)為輸出量；e(t)為誤差；Kp為比例系數(shù)；Tt為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

Δu(t)=KpΔe(t)+Tte(t)+

TD[Δe(t)-Δe(t-1)]

(2)

Δe(t)=e(t)-e(t-1)

(3)

由式(2)及式(3)可知，一旦確定了PID控制算法的比例、微分及積分系數(shù)，只要使用本次控制周期前后3次的偏差，即可得到流量調(diào)控的控制增量。實際使用中，由于不同地層的吸水差異較大，因此PID控制算法中的Kp、Tt及TD應(yīng)采取現(xiàn)場試湊方式，從而取得比較理想的控制效果。

2 試驗驗證

集約式井下自動調(diào)控分注裝置(即中樞配水器和配水調(diào)控開關(guān))樣機加工完成后進行了大量試驗，圖4為室內(nèi)試驗情況。試驗過程中分別對其耐壓、耐溫及流量調(diào)控誤差進行了測試，具體如下。

圖4 集約式井下自動調(diào)控分注裝置試驗照片F(xiàn)ig.4 Test photo of intensive downhole automatic regulation and control separate injection device

2.1 耐壓測試試驗

將集約式井下自動調(diào)控分注裝置放入試驗工裝內(nèi)進行試驗，加壓結(jié)束后通過測試儀器艙內(nèi)電子器件是否正常工作來驗證耐壓情況。加壓測試方式分為2種方案，圖5a為循序漸進式的加壓方式，最終將壓力穩(wěn)定在30 MPa并保持一定時間。圖5b為直接加壓方式，該方式直接加壓到30 MPa，并保持該壓力值穩(wěn)定一定時間。多次試驗的結(jié)果顯示所設(shè)計的集約式低成本井下自動調(diào)控分注裝置水嘴可在30 MPa的壓差環(huán)境下使用，當(dāng)壓力超過該范圍后裝置出現(xiàn)泄漏。因此，所設(shè)計的集約式井下自動調(diào)控分注裝置水嘴的工作壓差范圍應(yīng)≤30 MPa。

圖5 耐壓測試2種加壓方式實測加壓曲線Fig.5 Measured pressurized curve of 2 types pressurization modes in pressure test

2.2 耐溫測試試驗

耐溫測試試驗主要用于測試密封圈、電子元器件及傳感器的耐溫性能，試驗時采用烘箱加熱的方式對裝置的耐溫性能進行驗證。試驗時將烘箱溫度調(diào)整到125 ℃，并保持48 h。測試結(jié)束后將中樞配水器和配水調(diào)控開關(guān)的電路及傳感器相連接后進行通信，若仍能夠讀取到正確的傳感器測量數(shù)據(jù)，則證明裝置可滿足125 ℃以下的使用需求。圖6為某次試驗后將裝置靜止在室內(nèi)環(huán)境下，利用外部測試儀器讀取集約式井下自動調(diào)控分注裝置的測量溫度。此時溫度為室內(nèi)溫度變化，與實際情況一致。多次試驗驗證后，證明所研制的集約式井下自動調(diào)控分注裝置可在125 ℃的工況環(huán)境下正常使用。

圖6 耐溫測試試驗結(jié)束后實測溫度數(shù)據(jù)Fig.6 Measured temperature data after the end of temperature resistance test

2.3 流量調(diào)控誤差試驗

通過設(shè)置集約式井下自動調(diào)控分注裝置的注入流量QS作為調(diào)控流量，并將標(biāo)準(zhǔn)的電磁流量計測量流量QM作為標(biāo)準(zhǔn)流量，則流量調(diào)控誤差Er可采用下式進行描述：

(4)

試驗時設(shè)置了2種試驗方式：方式1為恒量式調(diào)控方式，即QS為常量，通過實時測量QM的值來計算測量誤差；方式2為變量式調(diào)控方式，即間隔性的改變QS的值，通過實時測量QM的值來計算測量誤差。圖7和圖8分別為實測2種試驗方式下的流量及測量誤差曲線。通過大量試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析后可知，該集約式井下自動調(diào)控分注裝置的調(diào)控誤差≤5%，該誤差值滿足現(xiàn)場調(diào)控需求。

圖7 恒量式調(diào)控方式試驗結(jié)果Fig.7 Test results of constant regulation mode

圖8 變量式調(diào)控方式試驗結(jié)果Fig.8 Test results of variable regulation mode

3 結(jié) 論

(1)基于降低成本的需求，設(shè)計了集約式井下自動調(diào)控分注裝置，包括中樞配水器及配水調(diào)控開關(guān)，滿足耐溫125 ℃及耐壓差30 MPa的工況環(huán)境，且流量調(diào)控誤差≤5%。

(2)與傳統(tǒng)分層注水裝置相比，具有2方面的優(yōu)點：一是采用高精度傳感器設(shè)計，并輔以PID控制算法，從而提高了測控精度；二是井下中樞配水器可控制多個配水調(diào)控開關(guān)，實現(xiàn)單配水器協(xié)同控制多個注水層段，有效降低了成本。

(3)集約式井下自動調(diào)控分注裝置采用PID控制算法進行注水流量的自動調(diào)控，但由于不同地層的差異較大，所以PID控制算法中的控制參數(shù)需采取現(xiàn)場試湊方式獲取，降低了裝置的普適性，因此建議下一步研究自適應(yīng)控制算法，以提高裝置的普適性。