井下智能開關(guān)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)研制

童 星，馬宏偉，李婭琪，廖紅艷，楊佰陽

（中國石油化工股份有限公司河南油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 南陽 473000）

0 引言

國內(nèi)油田多為多層系、非均質(zhì)構(gòu)造，采用注水開發(fā)方式，由于層系多，各地層的物性差異較大，各地層吸水量不同。

河南油田東部稀油調(diào)整區(qū)，注水作為油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要措施之一，在油田開發(fā)中的地位越來越重要。目前，河南油田井下分注工藝主要有偏心分注、同心測調(diào)一體化分注和智能循環(huán)分注，測試調(diào)配主要以投撈測調(diào)為主。隨著精細注水“三率”要求的不斷提高，以及自動化、智能化油田的發(fā)展需要，在注水開發(fā)中仍然存在以下問題：

1）注水段井斜超過50°的井，無法進行常規(guī)投撈測試：張店油田有部分井分注段井斜超過50°，因無法測試目前合注，無法細分。

2） 人工投撈測試工作量大，測調(diào)費用高：近3 年實際測調(diào)井次均達不到計劃測調(diào)井次，年平均測調(diào)費用較高。

3）鋼絲測調(diào)存在儀器遇阻，掉落造成水井維護：2021年水井維護作業(yè)因測試遇阻、儀器掉落造成維護作業(yè)占比25%，同時儀器入井時易引起水質(zhì)變化，導(dǎo)致水量測試精確度下降。

針對偏心分注、同心測調(diào)一體化分注等統(tǒng)注水工藝長期以來存在的各種缺點，開展有纜式智能測控注水工藝，可有效解決大部分問題。

有纜式智能測控注水工藝所使用的智能配水器集成了一體化可調(diào)水嘴，實現(xiàn)了水嘴免投撈，各注水層之間使用過電纜封隔器隔開，每層都有可獨立控制的水嘴，用于調(diào)節(jié)單層注水量，可有效解決細分程度不高的問題。智能配水器長度短，配合管柱一起下井，適用于井斜超過60°的注水井，有效解決大斜度井傳統(tǒng)注水工藝存在的作業(yè)困難問題。安裝遠程傳輸系統(tǒng)后，可實現(xiàn)遠程在線測調(diào)，后續(xù)無現(xiàn)場測調(diào)費用，大幅節(jié)省人員成本、車輛成本、設(shè)備作業(yè)成本等，不存在鋼絲測調(diào)存在的儀器遇阻、掉井等風險和人員安全風險，在日常測調(diào)過程中無修井費用。

有纜式智能測控注水工藝支持遠程在線測調(diào)功能，可通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)將各層數(shù)據(jù)實時傳達中控室，實現(xiàn)中控室內(nèi)遠程在線測調(diào)功能，并且可通過升級軟件支持自動測調(diào)，進一步降低人員成本，符合數(shù)字化油田建設(shè)大趨勢[1-4]。

1 井下智能開關(guān)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)構(gòu)成

分注井智能測調(diào)系統(tǒng)是一種新型油田分層配注、封隔器在線驗封、自動壓降測試技術(shù)。系統(tǒng)基本原理如圖1 所示，每個注水層安裝井下智能開關(guān)配水器。每層間用過電纜可反洗封隔器隔開，分注管柱工具段使用鋼管電纜連接，在工具段頂端使用鋼管電纜或者轉(zhuǎn)接為塑皮鎧裝電纜連接到地面控制器，配套軟件具備分層注入流量、注入壓力、溫度、地層壓力等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，水嘴開度調(diào)控、流量調(diào)配、數(shù)據(jù)保存等功能。該系統(tǒng)包含地面控制器、過電纜封隔器、井下智能開關(guān)配水器、電纜、井口密封等配套工具，及地面遠傳終端控制系統(tǒng)。其原理為：

圖1 井下智能開關(guān)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)Fig.1 Underground intelligent switch data transmission control system

圖2 井下智能開關(guān)配水器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of underground intelligent switch water distributor structure

1）每個注水層安裝井下智能開關(guān)配水器，層間用過電纜封隔器隔開。

2）井下智能開關(guān)配水器與地面控制器之間使用單芯電纜進行供電和雙向電纜載波數(shù)據(jù)通信。

3）井下智能開關(guān)配水器實現(xiàn)了井下分層注入流量、注入壓力、溫度的實時監(jiān)測，當水嘴關(guān)閉時進行地層恢復(fù)壓力測試。

4）通過對油管內(nèi)部壓力和地層壓力的實時監(jiān)測，實現(xiàn)封隔器在線驗封功能。

5）單芯電纜敷設(shè)在油管外部，在油管接箍處安裝電纜保護器對電纜進行保護。

6）電纜穿過井口采油樹通過高壓三通引出，通過井口密封裝置密封。

7）井下智能開關(guān)配水器將采集到的數(shù)據(jù)，通過地面遠傳控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳回終端中控，終端中控根據(jù)需求調(diào)配當前井數(shù)據(jù)參數(shù)。

2 井下智能開關(guān)配水器

2.1 主體結(jié)構(gòu)

井下智能開關(guān)配水器，包含上接頭、外護管、下接頭、中心過流管、流量測量裝置、水嘴調(diào)節(jié)裝置、驗封組件、電路控制單元。上下接頭通過中心與外護管連接，流量測調(diào)裝置、電機水嘴調(diào)節(jié)裝置、驗封組件、電路控制單元分布在中心過流管與外護管的環(huán)空密封空間內(nèi)，水嘴組件與壓力傳感器內(nèi)置在下接頭體內(nèi)，驗封組件包含內(nèi)壓傳感器、外壓傳感器、溫度傳感器。

井下智能開關(guān)配水器實現(xiàn)單層注入流量、注入壓力、溫度、地層壓力、水嘴開度的實時監(jiān)測，并把測得數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛婵刂破鳎軌蚋鶕?jù)命令或自動實現(xiàn)水嘴開度調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)分層注入流量。

2.2 流量測量

常規(guī)井下儀器集成的流量計多采用浮子流量計、超聲流量計、電磁流量計、渦街流量計、差壓流量計等主流測量方式。

浮子流量計的優(yōu)點是量程比較高，缺點是具有運動部件，涉及的電子電路較復(fù)雜，對井下長期使用的惡劣工況難以適應(yīng)，浮子容易卡死。

超聲流量計和電磁流量計的優(yōu)點是量程比很大，測量精度高；缺點是探頭易結(jié)垢、沾污、機械密封校點多，電路復(fù)雜，井下長期使用可靠性差等缺點。

渦街流量計傳感器長期振動容易損壞。

差壓流量計的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小，容易集成在儀器內(nèi)部，無運動部件、耐腐蝕銹蝕，電路簡單等；缺點是量程比相對較小，但從井下長期使用可靠性方面考慮，井下智能開關(guān)配水器選擇差壓式流量計作為流量測量方式。

差壓式流量計由過流通道、節(jié)流孔、孔前壓和孔后壓傳感器組成。其測量原理為：流體流過節(jié)流孔時由于孔徑變小，過流截面積減小，導(dǎo)致流速增加，在節(jié)流孔前方和后方產(chǎn)生壓力差[8]。

井下智能開關(guān)配水器的注入液從上接頭流入，經(jīng)中心過流通道進入下接頭，其中一部分注入液經(jīng)差壓流量計流出水嘴注入目標地層，在差壓流量計的節(jié)流孔前方和后方位置分別設(shè)計有孔前壓和孔后壓傳感器組件，相關(guān)電路采集兩個壓力傳感器輸出的電信號測量孔板前后的壓差，而后通過計算取得井下智能開關(guān)配水器的流量數(shù)據(jù)。井下智能開關(guān)配水器的差壓流量計結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其流量計算公式為

圖3 流量計原理及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of flow meter principle and structure

圖4 井下智能開關(guān)配水器電氣隔離示意圖Fig.4 Electrical isolation diagram of underground intelligent switch water distribution device

式（1）中，?P——孔口前后差壓（Pa）；A——孔口面積（m2）；ρ——流體的密度（kg/m3）；Cd——流量系數(shù)；qv——流量（m3/s）。

更換不同尺寸的節(jié)流孔板，可實現(xiàn)不同流量的測量。

2.3 井下到地面數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

智能配水器設(shè)計有電力載波通信電路，包含解碼電路與發(fā)碼電路，具有獨立的接收和傳輸數(shù)據(jù)功能解碼電路，不需要借助其它設(shè)備，直接通過井下電纜與地面控制器實行雙向通訊。

智能配水器把采集的數(shù)據(jù)信號通過電力載波的方式耦合到電纜上，傳輸?shù)降孛?，地面控制器把信號從電纜上提取出來，進行濾波、放大、比較，輸入到單片機，安裝固定的協(xié)議對數(shù)據(jù)解碼，完成井下到地面的數(shù)據(jù)傳輸，同理實現(xiàn)地面到井下的數(shù)據(jù)傳輸。

(3) 2009-2011年，煤制油、甲醇制烯烴、甲醇制汽油、乙二醇等示范裝置相繼投入運行；第一個煤制天然氣示范項目甲烷化裝置也于2012年7月28日產(chǎn)出合格天然氣。會議將就相關(guān)示范裝置的運行情況、經(jīng)濟性等組織交流。

井下智能配水器對地面控制器下發(fā)的命令進行解析，根據(jù)地面命令執(zhí)行相應(yīng)的功能，如調(diào)節(jié)水嘴開度、數(shù)據(jù)采集直讀、井下儀設(shè)備號信息設(shè)置等。每支井下儀均有固定的地址，采用總線尋找的方式，各層之間數(shù)據(jù)穩(wěn)定無干擾。

2.4 在線驗封

井下智能開關(guān)數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)具有自動在線驗封的功能。

具體實施方法：使用上位機軟件分別向井下智能開關(guān)配水器發(fā)送控制命令，按照一定的方案調(diào)節(jié)各層水嘴開關(guān)，同時保持井口注水壓力不變，在上位機軟件上查看上傳的油套環(huán)空外壓力。若封隔器密封合格，水嘴全關(guān)時，當前注水層環(huán)空外壓力應(yīng)當保持不變；水嘴全開時，當前注水層環(huán)空外壓力會隨井口注水壓力的變化而變化。在井口注水壓力保持不變時，相鄰兩層環(huán)空外壓力不同，差值保持不變，以此來判斷層間密封是否合格[5-7]。

2.5 電氣隔離性能

單支儀器損壞不影響總線上其他儀器的正常工作。

井下智能開關(guān)配水器集成了電氣隔離性能，使用一根單芯電纜從最底層依次串接至地面控制器，每層有纜智能測調(diào)分注儀內(nèi)置限壓、限流保護電路。當存在井下智能開關(guān)配水器損壞的極端情況下，該層損壞的儀器不影響其它層儀器，其它層井下智能開關(guān)配水器仍可繼續(xù)正常工作。

3 過電纜封隔器

采用過電纜封隔器實現(xiàn)各個注水層之間的封隔，電纜采用鋼管電纜，無需將電纜截斷，整根電纜直接穿越封隔器，減少了井下密封點數(shù)量，有效提高系統(tǒng)長期使用可靠性。

過電纜封隔器，主要由上下接頭、膠筒組件、上下活塞、活塞缸、坐封銷釘、解封銷釘、卡瓦鎖定機構(gòu)、洗井套、中心管、電纜通道、電纜密封頭等組成。

解封：施工完成后，上提油管，依靠膠筒與套管內(nèi)壁摩擦力，支撐封隔器外部元件保持不動，內(nèi)部中心管上行。當上提力達到3T ～4T 左右時，解封銷釘剪斷，繼續(xù)上提，膠筒回彈，封隔器解封完成。

4 地面遠傳終端控制系統(tǒng)介紹

井下智能開關(guān)配水器與地面控制器之間使用單芯電纜進行供電和雙向電纜載波數(shù)據(jù)通信，可對井下單層注水量、注水壓力、溫度、水嘴開度等參數(shù)進行實時采集，在地面控制器上實現(xiàn)數(shù)據(jù)直讀、實時控制、監(jiān)測及存儲等功能。

地面控制器可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)，將井口數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舻闹锌厥?，對采集的?shù)據(jù)進行實時顯示，流量測調(diào)、精細配注、在線驗封等功能。

地面控制器由主機外殼、數(shù)據(jù)顯示組件、測控電路板、電力載波數(shù)據(jù)通信組件等部分組成。

地面控制器的電氣框圖如圖5 所示，包含電源模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電源短路保護模塊、時鐘模塊、存儲模塊、電纜載波通信模塊、通用接口模塊等。

圖5 地面控制器電氣框圖Fig.5 Electrical block diagram of ground controller

圖6 XX-X井 測試數(shù)據(jù)曲線圖Fig.6 Test data curve of well XX-X

其中，電纜載波通信組件包括電纜載波發(fā)碼電路和解碼電路，主要實現(xiàn)與井下智能開關(guān)配水器的雙向數(shù)據(jù)通信。通用接口包含RS485、RJ45 等接口，實現(xiàn)地面控制器在井口與其他儀器和設(shè)備連接，也可以通過有線或無線方式與計算機、遠程控制中心進行雙向數(shù)據(jù)通信與指令控制。存儲模塊可以對連續(xù)采樣數(shù)據(jù)及地面發(fā)送的指令進行存儲。

5 現(xiàn)場試驗

2023 年河南油田開展了1 口井現(xiàn)場試驗，初步實現(xiàn)了井下分層注入流量、分層壓力、溫度等生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與控制，在線驗封，為油藏注采動態(tài)調(diào)整和精細水驅(qū)挖潛提供決策依據(jù)。

試驗井XX-X，井深1883.46m，井斜54.01°，施工管柱為三封四配管柱。

6 結(jié)論及認識

1）該技術(shù)實現(xiàn)井下各層配注信息的實時監(jiān)測：其能夠全自動地對每個地層注入信息實時監(jiān)測，實現(xiàn)精細分注，合理補充地層能量，提高采收率。

表1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)Table 1 Field data

2）該技術(shù)實現(xiàn)封隔器驗封：通過管內(nèi)外壓力的測量，實現(xiàn)封隔器的在線驗封。

3）可以在遠程終端進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與命令控制，實現(xiàn)油田數(shù)字化。

4）可分層配注層數(shù)多，動力充足，無需投撈作業(yè)和水嘴對接，調(diào)整速度快，無額外測調(diào)費用，自動測調(diào)，實現(xiàn)“注夠水，注好水”。

5）現(xiàn)場試驗表明本系統(tǒng)可較好實現(xiàn)分層流量調(diào)配，流量測調(diào)誤差控制在10%以內(nèi)，長期監(jiān)測和地面實時顯示各分注層動態(tài)參數(shù)，為油藏注采動態(tài)調(diào)整和精細水驅(qū)挖潛提供決策依據(jù)。