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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)效果的有效方法，為此需要縮短測(cè)調(diào)周期來(lái)提高配水精度。實(shí)踐證明前期發(fā)展的高效測(cè)調(diào)技術(shù)可提高測(cè)調(diào)效率1倍以上，成功地將測(cè)調(diào)周期由6個(gè)月縮短到4個(gè)月，長(zhǎng)期分注合格率由60%提高到70%以上。統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，油藏動(dòng)用比例提高了10%。如將長(zhǎng)期分注合格率提高到80%以上，動(dòng)用比例將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上還有提高空間，但測(cè)調(diào)周期將縮短至1個(gè)月,當(dāng)前以人工參與測(cè)試方式為主體的分注工藝，在測(cè)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(cè)，考慮工作量和投入成本，現(xiàn)有配注技術(shù)無(wú)法滿足這一需要，因此研究了智能配注技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下參數(shù)、自動(dòng)調(diào)整注入量來(lái)保持較高的注水合格率，提高油藏動(dòng)用比例，實(shí)現(xiàn)剩余油的精細(xì)挖潛，延長(zhǎng)油田經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采壽命，同時(shí)為油藏分析提供更多數(shù)據(jù)支持，增強(qiáng)措施的針對(duì)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(zhǎng)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(cè)調(diào)周期和目標(biāo)注入量進(jìn)行測(cè)量和調(diào)配，測(cè)量到的井下參數(shù)和調(diào)配過(guò)程以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在智能配注器內(nèi)部存儲(chǔ)單元中。對(duì)歷史數(shù)據(jù)的讀取可通過(guò)下入智能測(cè)控充電一體儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，該儀器的作用是為地面測(cè)試人員與井下智能配注器提供信息傳送通道，實(shí)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(shí)可為井下智能配注器補(bǔ)充電能。地面測(cè)試人員還可通過(guò)該儀器實(shí)現(xiàn)智能配注器流量的人工測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)分層注入流量定期自動(dòng)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(cè)控電路板構(gòu)成了工作參數(shù)采集組件；測(cè)控電路板上的水下無(wú)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(dòng)減速器及傳動(dòng)軸總成來(lái)控制閥芯的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)流量電控調(diào)節(jié)；電能轉(zhuǎn)換器次級(jí)、測(cè)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(duì)各組件進(jìn)行統(tǒng)一管理，存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)測(cè)調(diào)周期、目標(biāo)注入量等工作數(shù)據(jù)。在自動(dòng)測(cè)調(diào)狀態(tài)，當(dāng)測(cè)調(diào)周期到來(lái)時(shí)，智能配注器主控制電路會(huì)自動(dòng)喚醒，按照寫在主邏輯處理電路CPU中的智能測(cè)調(diào)算法去工作。智能測(cè)調(diào)算法是根據(jù)測(cè)量到的注入量和流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作形成的閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)分層流量的自動(dòng)測(cè)調(diào)的，完成測(cè)調(diào)后智能配注器進(jìn)入休眠狀態(tài)。人工測(cè)調(diào)時(shí)，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(guò)無(wú)線通信組件接收地面的控制信息，可實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)人工測(cè)量、注入量調(diào)配、歷史監(jiān)測(cè)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(cè)控充電一體儀

智能測(cè)控充電一體儀用于定期測(cè)試，檢測(cè)井下智能配注器工作狀態(tài)、錄取歷史監(jiān)測(cè)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(cè)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(jí)輸入電壓，I1為初級(jí)線圈的電流，C1、L1、R1分別為初級(jí)線圈的電容、電感和電阻，V0為次級(jí)輸出電壓，I2為次級(jí)線圈的電流，C2為次級(jí)線圈補(bǔ)償電容，L2、R2分別為次級(jí)線圈的電感和電阻，R0為電路的負(fù)載，M為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的互感。

圖3 智能測(cè)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(jí)線圈感應(yīng)電壓jωL2C2。通過(guò)選擇次級(jí)線圈的補(bǔ)償電容C2，使得ω2L2C2=1,從而減小式(1)分母項(xiàng)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(duì)應(yīng)的諧振曲線越尖，負(fù)載輸出能力對(duì)工作頻率等參數(shù)的變化越敏感。實(shí)際工作中工作點(diǎn)相對(duì)于諧振點(diǎn)較小的偏移便會(huì)引起輸出能力很大的降低，因此通過(guò)增大負(fù)載來(lái)提高輸出功率的方法在工程上不實(shí)際。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，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(jí)線圈電流的頻率、幅值以及互感與次級(jí)側(cè)的比值。

(1)

(2)

(3)

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

智能測(cè)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(cè)控充電一體儀，然后初級(jí)電能轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用逆變?cè)懋a(chǎn)生1 500 V正弦交流電，傳送到初級(jí)繞組上。初級(jí)繞組產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)在智能配注器內(nèi)部的次級(jí)繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流經(jīng)次級(jí)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(duì)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(duì)電池組進(jìn)行充電管理；當(dāng)智能測(cè)控充電一體儀通過(guò)智能配注器時(shí)，在次級(jí)繞組上產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，該信號(hào)被次級(jí)模塊捕捉確認(rèn)后，通知測(cè)控電路打開(kāi)水下無(wú)線數(shù)據(jù)傳送模塊，使其處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)智能測(cè)控充電一體儀與智能配注器達(dá)到通信距離后，可實(shí)現(xiàn)地面與井下的數(shù)據(jù)通信。

圖4 智能測(cè)控充電一體儀電路系統(tǒng)組成

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

圖5 智能測(cè)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(cè)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(cè)控充電一體儀，同時(shí)將井下返回信號(hào)進(jìn)行解碼處理后傳送至控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)或圖形化輸出。主機(jī)和智能測(cè)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(wú)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(kāi)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(chǎng)電源的復(fù)雜情況，設(shè)計(jì)成可以在380 V或者220 V交流環(huán)境下工作，由電源選擇開(kāi)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(shí)，變壓器T1起到隔離的作用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)或者變頻器引起的干擾信號(hào)進(jìn)行隔離。經(jīng)過(guò)變壓器處理的電源一路送給備用插座和開(kāi)關(guān)電源模塊，另一路經(jīng)過(guò)各項(xiàng)處理最后送給智能測(cè)控充電一體儀，包括過(guò)載保護(hù)、防浪涌電路、差模抑制電路、共模抑制電路、過(guò)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(cè)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(yàn)

3.1 智能測(cè)控充電一體儀與智能配注器對(duì)接試驗(yàn)

將智能測(cè)控充電一體儀與測(cè)試車鋼管電纜連接，下入模擬井中，進(jìn)行智能測(cè)控充電一體儀與智能配注器對(duì)接耦合試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試車控制測(cè)控充電一體儀的下放速度，測(cè)控充電一體儀下放速度不大于 3 m/s。通過(guò)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(hào)發(fā)送到地面控制主機(jī)，智能配注器被喚醒，對(duì)接成功。重復(fù)對(duì)接30次，成功率100%。

3.2 智能配注器室內(nèi)充電試驗(yàn)

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

表1 智能配注器室內(nèi)充電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，智能測(cè)控充電一體儀在為電池組充電過(guò)程中，最大充電電流2 280 mA，充電時(shí)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(jì)試驗(yàn)

將智能配注器與油管連接下入模擬井中，同時(shí)下入智能測(cè)控充電一體儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)控制柱塞泵的沖次和調(diào)節(jié)控制閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)流量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的流量標(biāo)定系統(tǒng)來(lái)檢定流量計(jì)的測(cè)量精度。測(cè)量結(jié)果如圖7所示，分析圖7的數(shù)據(jù)可知流量計(jì)的測(cè)量精度在±3%FS以內(nèi)。

圖7 流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

3.4 智能配注器流量控制閥試驗(yàn)

關(guān)閉智能配注器流量控制閥至全關(guān)狀態(tài)，控制實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)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(cè)漏失量。通過(guò)開(kāi)、關(guān)流量控制閥，監(jiān)測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 流量控制閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

試驗(yàn)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(kāi)、關(guān)過(guò)程電機(jī)反饋電流正常，控制閥沒(méi)有卡阻現(xiàn)象。

3.5 智能配注器使用壽命試驗(yàn)

為了驗(yàn)證智能配注器使用壽命達(dá)到2 a的指標(biāo)，開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其使用壽命進(jìn)行檢驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)12 h連續(xù)不間斷進(jìn)行開(kāi)關(guān)閥調(diào)控試驗(yàn)，與現(xiàn)場(chǎng)2 a時(shí)間內(nèi)控制閥調(diào)控強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比測(cè)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(yàn)后控制閥工作狀態(tài)正常。智能配注器現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。室內(nèi)試驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)壽命指標(biāo)

表4 智能配注器壽命室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 應(yīng)用情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)18口井，跟蹤測(cè)試106井次，平均層段5.1層，最長(zhǎng)工作時(shí)間44個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了分層注水井井下參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定期自動(dòng)調(diào)配、無(wú)線充電及數(shù)據(jù)錄取，限制層注水合格率91.3%，層段自動(dòng)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(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)調(diào)監(jiān)控曲線

在自動(dòng)調(diào)配前，A井P3層實(shí)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(dòng)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(wú)線充電和通信的智能配注工藝，研制了井下智能配注器，實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)及注水量定期自動(dòng)調(diào)配，注水合格率可長(zhǎng)期保持在90%以上，開(kāi)發(fā)效果明顯改善；研制了智能測(cè)控充電一體儀，在2 h內(nèi)可完成歷史數(shù)據(jù)上傳和無(wú)線充電。

2) 通過(guò)該技術(shù)對(duì)井下參數(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)，緩解了測(cè)試隊(duì)伍的壓力，可為油藏開(kāi)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(shí)現(xiàn)“注好水、注夠水”的目標(biāo)提供了技術(shù)支持。

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