劉合，鄭立臣，俞佳慶，明爾揚(yáng)，楊清海，賈德利，曹剛

（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

水驅(qū)是中國(guó)油田主體開發(fā)方式，水驅(qū)油田產(chǎn)量占目前中國(guó)油田總產(chǎn)量的 60%以上。精細(xì)分層注水開發(fā)在大慶油田長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)和長(zhǎng)慶油田增儲(chǔ)上產(chǎn)過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，預(yù)計(jì)未來(lái)10年內(nèi)仍是中國(guó)油田提高采收率和控水穩(wěn)油的主要技術(shù)手段。中國(guó)石油天然氣股份有限公司（簡(jiǎn)稱中國(guó)石油）現(xiàn)有分層注水井5.7×104口，主體技術(shù)是橋式偏心+電纜高效測(cè)調(diào)的人工作業(yè)，年測(cè)調(diào)40多萬(wàn)次，資源消耗巨大。隨著近年來(lái)精細(xì)分層注水的持續(xù)推廣應(yīng)用，水驅(qū)開發(fā)面臨許多新形勢(shì)，如分層注水井?dāng)?shù)逐年增加、分段日益精細(xì)、測(cè)調(diào)周期逐步縮短等，使得測(cè)調(diào)工作量劇增，成本大幅上升，并且所獲數(shù)據(jù)仍無(wú)法滿足開發(fā)方案優(yōu)化需求[1-2]。實(shí)現(xiàn)分層注水?dāng)?shù)字化是解決當(dāng)前生產(chǎn)矛盾、實(shí)現(xiàn)開發(fā)方案優(yōu)化和降本增效的必然選擇，也是中國(guó)智慧油田建設(shè)的重要方面。

井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)現(xiàn)分層注水?dāng)?shù)字化的關(guān)鍵和難點(diǎn)，鑒于井底長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸和線路連接的復(fù)雜性，以及惡劣或極端作業(yè)和生產(chǎn)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)可靠性提出更高的要求，獲取井筒和油藏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)面臨巨大挑戰(zhàn)。本文重點(diǎn)論述中國(guó)分層注水井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程，結(jié)合油田生產(chǎn)現(xiàn)狀、生產(chǎn)需求和現(xiàn)有井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，提出分層注水井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展方向。

1 分層注水井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 傳統(tǒng)井下數(shù)據(jù)獲取方法

1.1.1 投撈井下存儲(chǔ)式傳感器

20世紀(jì)80—90年代，獲取井下數(shù)據(jù)主要采用投撈井下存儲(chǔ)式傳感器的方式。存儲(chǔ)式傳感器在完井時(shí)隨著完井管柱下入井下，或在需要測(cè)量井下參數(shù)時(shí)采用鋼絲投入或液力投入的方式下入井下。傳感器測(cè)量井下參數(shù)并存儲(chǔ)在儀器中，測(cè)量完畢后通過(guò)鋼絲打撈或液力打撈的方式將傳感器取出到地面，讀取傳感器中存儲(chǔ)的井下數(shù)據(jù)[3-7]。鋼絲投撈主要適用于偏心式注水管柱，液力投撈主要適用于同心式注水管柱。

采用鋼絲投撈雙通道壓力計(jì)進(jìn)行分層壓力測(cè)試以及封隔器驗(yàn)封都屬于這種方式。以偏心分層注水工藝管柱為例，需要進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)，首先打撈井下堵塞器，然后將雙通道壓力計(jì)投入偏心配水器偏孔內(nèi)，同時(shí)測(cè)量油管內(nèi)壓力和地層壓力，測(cè)試完成后通過(guò)鋼絲下入投撈器，撈出雙通道壓力計(jì)，然后再次投入堵塞器，實(shí)現(xiàn)正常注水。對(duì)取出的存儲(chǔ)式雙通道壓力計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，獲取地層壓力及壓力恢復(fù)曲線等數(shù)據(jù)。注水管柱驗(yàn)封時(shí)，將堵塞式雙通道壓力計(jì)投入到反應(yīng)層配水器內(nèi)，如圖 1所示，同時(shí)采集油套兩路壓力。地面做“開、關(guān)、開”動(dòng)作改變注水壓力，使得動(dòng)作層環(huán)空壓力產(chǎn)生變化。撈出雙通道壓力計(jì)，地面回放觀察壓力曲線判斷封隔器是否密封。

圖1 投撈存儲(chǔ)式壓力計(jì)驗(yàn)封示意圖

投撈傳感器會(huì)影響井下流動(dòng)狀態(tài)，使測(cè)試資料準(zhǔn)確性降低，即無(wú)法精確反映地層狀態(tài)。此外，整個(gè)測(cè)試過(guò)程繁瑣，測(cè)試效率低，掉卡儀器事故率較高。

1.1.2 電纜直讀通訊與測(cè)調(diào)技術(shù)

隨著油田開發(fā)的深入，層間矛盾加大，需加密測(cè)調(diào)周期以保障注水合格率。為了有效縮短現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間和減少工作量，20世紀(jì)90年代研制并規(guī)模應(yīng)用了以“橋式偏心、橋式同心和配套電纜高效測(cè)調(diào)”為核心的分層注水工藝[1]。其核心是用電纜代替鋼絲，攜帶井下電動(dòng)測(cè)調(diào)儀作業(yè)，系統(tǒng)組成如圖 2所示。系統(tǒng)由電動(dòng)測(cè)調(diào)儀、電纜絞車、地面控制系統(tǒng)等3個(gè)部分組成。井下電動(dòng)測(cè)調(diào)儀與橋式偏心配水器的堵塞器對(duì)接，實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)調(diào)整，無(wú)需投撈堵塞器。同時(shí)對(duì)井下流量、壓力、溫度等信號(hào)在線實(shí)時(shí)采集，大幅度提高了注水井的測(cè)調(diào)效率。井下電動(dòng)測(cè)調(diào)儀經(jīng)電纜絞車與地面控制系統(tǒng)相連。地面控制系統(tǒng)主要完成對(duì)井下儀器的供電控制、通訊以及上傳信號(hào)的采集與處理，可實(shí)現(xiàn)井下各層注水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)過(guò)程監(jiān)測(cè)、成果曲線繪制及吸水指示曲線繪制等。地面控制系統(tǒng)與井下測(cè)調(diào)儀通過(guò)直流載波通信方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，即借助電纜自身的電容和電阻特性，利用對(duì)電容的充電與放電及與電阻的等效關(guān)系，達(dá)到對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)制的作用，從而在供電系統(tǒng)中載入測(cè)控信號(hào)進(jìn)行分時(shí)高速傳輸。同時(shí)，通過(guò)程序優(yōu)化，將載入的測(cè)控信號(hào)直接調(diào)制到基帶上，達(dá)到載波的振幅和頻率，并利用抑制功能原理使測(cè)控信號(hào)始終處于基帶附近，以克服電纜長(zhǎng)度造成的信號(hào)衰減及失真，提高測(cè)控信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，信號(hào)傳輸距離可達(dá)4 km以上。

圖2 電纜直讀測(cè)調(diào)系統(tǒng)示意圖

“橋式偏心+電纜直讀測(cè)調(diào)”因其在測(cè)試方面的優(yōu)勢(shì)，目前仍是中國(guó)油田的主體分層注水技術(shù)。但這種通訊方式只能在測(cè)試時(shí)測(cè)量井下參數(shù)并獲取片段數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，而且每次通訊時(shí)都需要?jiǎng)佑脺y(cè)試車，導(dǎo)致工作量增加。

1.1.3 井下接力通訊技術(shù)

21世紀(jì)初，在分層注水測(cè)試過(guò)程中，為了克服電纜直讀測(cè)調(diào)只能獲得井下片段數(shù)據(jù)、投撈作業(yè)對(duì)工人技術(shù)水平要求高、深井作業(yè)難度大等問(wèn)題，在電纜直讀測(cè)調(diào)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了井下接力通訊技術(shù)。

井下接力通訊技術(shù)通過(guò)井筒長(zhǎng)距離有線通訊和井下短距離無(wú)線通訊接力的方式實(shí)現(xiàn)。分層注水中，系統(tǒng)主要由以井下無(wú)線通訊短節(jié)為主的接力通訊系統(tǒng)和井下電控配水器組成。井下無(wú)線通訊短節(jié)通過(guò)電纜與地面控制計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)電纜載波方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊短節(jié)的供電及與地面計(jì)算機(jī)的雙向通訊，同時(shí)，通訊短節(jié)以無(wú)線方式與井下電控配水器通訊，完成地面指令的下達(dá)以及智能配水器測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳[8-10]，系統(tǒng)構(gòu)成如圖 3所示。在該技術(shù)中，井下電控配水器自帶電池、無(wú)線通訊模塊和電控水嘴，能夠監(jiān)測(cè)、調(diào)整井下參數(shù)并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在配水器的存儲(chǔ)器中。當(dāng)需要調(diào)整注水參數(shù)或讀取井下數(shù)據(jù)時(shí)，用電纜車攜帶無(wú)線通訊短節(jié)快速下入目的層后改為緩慢下放，無(wú)線通訊短節(jié)不斷呼叫井下電控配水器，電控配水器在休眠待機(jī)過(guò)程中每隔一段時(shí)間會(huì)自動(dòng)喚醒 1次，當(dāng)無(wú)線通訊短節(jié)與井下配水器成功通訊后配水器轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)并提示地面停止電纜下放，建立起地面控制器+電纜+無(wú)線通訊短節(jié)+井下電控配水器的接力通訊鏈路，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸通訊。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)井下電控配水器的控制調(diào)整和儀器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的在線讀取，可以獲得配水器自下井后的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也可以將地面指令注入井下儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下儀器的控制并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下參數(shù)的變化。由于電磁波在水中衰減極快，加上無(wú)線通訊儀器發(fā)射功率限制，井下無(wú)線通訊距離一般只有30～50 cm，若增加無(wú)線功率，可以擴(kuò)大到1 m。

圖3 分層注水井下接力通訊系統(tǒng)示意圖

井下接力通訊技術(shù)既可以在測(cè)試時(shí)獲取井下實(shí)時(shí)參數(shù)，又可以讀取智能配水器中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)量大幅提高，由于不需要測(cè)試儀器和井下配水器剛性對(duì)接，大幅簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)并降低了對(duì)操作人員的要求。然而，該技術(shù)依然存在無(wú)法實(shí)時(shí)獲取井下參數(shù)以及測(cè)試工作量大的問(wèn)題，未規(guī)模推廣應(yīng)用。

1.2 預(yù)置電纜井下參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通訊技術(shù)

為了實(shí)時(shí)獲取井下參數(shù)和連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，21世紀(jì)初科研人員研發(fā)了預(yù)置電纜井下參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通訊技術(shù)。該技術(shù)是基于單芯鋼管電纜通訊技術(shù)研發(fā)的，通訊系統(tǒng)主要由地面主機(jī)、鋼管電纜和配套電控井下工具組成。在完井過(guò)程中，電控井下工具通過(guò)單芯鋼管電纜串聯(lián)連接，然后通過(guò)敷設(shè)在油管外的單芯鋼管電纜連接到地面控制儀器，進(jìn)而連接到控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)電控井下工具和地面控制系統(tǒng)的物理連接。單芯鋼管電纜提供信號(hào)傳輸通道，同時(shí)為井下工具供電。該技術(shù)作業(yè)井深可達(dá)3 800 m以上，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 kb/s，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)量大，供電通訊一體化，較好地解決了井下儀器供電和井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸難題，目前在分層注水中已進(jìn)入示范應(yīng)用階段。

以預(yù)置電纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分層注水工藝為代表的第 4代分層注水技術(shù)，工程實(shí)施如圖 4所示。將壓力、溫度、流量傳感器與流量控制系統(tǒng)結(jié)合成整體置于井下，預(yù)置電纜隨管柱下入，應(yīng)用單芯鋼管電纜及載波傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下測(cè)試裝置與地面控制主機(jī)通訊，可同步控制多級(jí)井下測(cè)試裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和流量調(diào)配，對(duì)各層段注入壓力、流量和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及堵塞器開度控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)分層調(diào)配及參數(shù)監(jiān)測(cè)。其優(yōu)勢(shì)為數(shù)據(jù)量、調(diào)配周期和通信不受施工和環(huán)境的限制，通過(guò)電纜增大電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力以便處理遇堵問(wèn)題，該工藝更加有利于注水合格率的保障和輔助油藏分析。預(yù)置電纜分層注水技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注水井分層壓力和流量的數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及油藏注水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)信息化，推進(jìn)分層注水工藝向數(shù)字化、自動(dòng)化、集成化方向發(fā)展[11-12]。

圖4 預(yù)置電纜分層注水系統(tǒng)示意圖

1.3 分層注水井下無(wú)線通訊技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)井下遠(yuǎn)程控制，同時(shí)滿足帶壓作業(yè)等工藝需求，科研人員對(duì)井下無(wú)線通訊技術(shù)的探索從未停止，但由于傳統(tǒng)電磁波技術(shù)用于井下遠(yuǎn)程通訊的實(shí)現(xiàn)難度大、成本高，只能尋找其他適用于分層注水的井下無(wú)線通訊技術(shù)。近年來(lái)取得進(jìn)展的井下無(wú)線通訊技術(shù)主要包括振動(dòng)波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、壓力波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和流量波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。井下無(wú)線通訊技術(shù)都是借助井筒現(xiàn)有資源，以油套管或水流為通訊介質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。

1.3.1 振動(dòng)波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

中國(guó)對(duì)振動(dòng)波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)始于2010年。該技術(shù)以油套管為傳輸介質(zhì)，地面和井下振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器為通訊控制工具，振動(dòng)波為載波，實(shí)現(xiàn)地面和井下數(shù)據(jù)的雙向傳輸[13-16]。其核心儀器是振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器和微振加速度傳感器。振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器以超磁致伸縮棒為換能器件，電源系統(tǒng)控制包裹在磁致伸縮棒外側(cè)的驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)超磁致伸縮棒伸縮并推動(dòng)感應(yīng)錘同步振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)把通訊信息編碼后調(diào)制到振動(dòng)波上，振動(dòng)波沿著油套管向下或向上傳輸，微振加速度傳感器接收振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)地面指令下達(dá)或井下數(shù)據(jù)上傳。

由于管柱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和陷波、信號(hào)識(shí)別、電磁兼容等一系列技術(shù)難題，振動(dòng)波下傳技術(shù)直到2015年才獲得系統(tǒng)性突破，并成功應(yīng)用于分層采油和找堵水作業(yè)中。由于地面振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器功率不受電源局限，向井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸距離理論上不受限制。以目前儀器水平，已實(shí)現(xiàn)下傳井深2 680 m的直傳通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率最快可達(dá)8 b/s，特別適合井下工具的遠(yuǎn)程控制，應(yīng)用前景廣闊。

振動(dòng)波上傳技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，隨著電池供電井下振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的研發(fā)成功及通訊策略的轉(zhuǎn)變，2019年實(shí)現(xiàn)了井下到地面振動(dòng)波通訊技術(shù)的突破，并同步開展振動(dòng)波控制分層注水現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前已成功完成5口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井深分布在800～1 000 m，在環(huán)境噪聲不大的情況下，均能完成雙向直傳通訊。

振動(dòng)波控制分層注水技術(shù)工作系統(tǒng)如圖 5所示。地面儀器主要由振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器及控制電源系統(tǒng)組成，井下儀器為振動(dòng)波控制配水器，內(nèi)含加速度傳感器、振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、電控水嘴、壓力溫度傳感器等。當(dāng)?shù)孛嫘枰卤O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或調(diào)整井下參數(shù)時(shí)，地面控制計(jì)算機(jī)控制地面振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出特定的振動(dòng)波信號(hào)，喚醒井下處于睡眠狀態(tài)的振動(dòng)波控制配水器，并建立一對(duì)一通訊鏈路。振動(dòng)波控制配水器可根據(jù)地面指令調(diào)整井下配注量并實(shí)現(xiàn)分層注水遠(yuǎn)程控制，也可根據(jù)地面指令將井下流量、壓力、累計(jì)配注量、閥門開度、溫度等歷史數(shù)據(jù)上傳。

圖5 振動(dòng)波控制分層注水系統(tǒng)示意圖

由于振動(dòng)波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)完全借用現(xiàn)有油套管資源，不占用油管中心通道，施工工藝簡(jiǎn)單，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小，成本低，時(shí)間短，適應(yīng)各種井筒類型，在分層注水應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但振動(dòng)波上傳直傳距離有限，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。

1.3.2 壓力波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

壓力波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以液體為傳輸介質(zhì)，壓力變化為載波，實(shí)現(xiàn)地面和井下的雙向通訊。將控制指令進(jìn)行編碼，在井口通過(guò)打壓或閥門開關(guān)方式將壓力波指令傳送到裝有壓力傳感器的井下儀器中，井下儀器對(duì)壓力波信號(hào)進(jìn)行解碼并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)地面指令的下達(dá)。井下也可通過(guò)電控開關(guān)的通斷在水流中產(chǎn)生壓力波動(dòng)并傳到地面，地面的壓力傳感器接收到壓力脈沖信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下信息的解碼。隨鉆測(cè)量中的鉆井液脈沖就是一種典型的壓力波通訊方法，20世紀(jì)60年代后期就開始研發(fā)，70年代日趨成熟并開始商業(yè)應(yīng)用[17-24]。

壓力波通訊技術(shù)一開始是小規(guī)模應(yīng)用于分層采油和找堵水作業(yè)中，21世紀(jì)初后期開始應(yīng)用到分層注水中，形成了壓力波控制分層注水技術(shù)[25-28]，其系統(tǒng)組成如圖 6所示。地面注水閥組設(shè)計(jì)有壓力波編碼控制器，可按照遠(yuǎn)程軟件發(fā)送的指令自動(dòng)控制壓力波編碼控制器開度，規(guī)律性地改變注水井油管中的壓力，建立井筒內(nèi)的壓力波動(dòng)，并在井下產(chǎn)生壓力波動(dòng)信號(hào)。井下智能配水器集成壓力傳感器及可控水嘴，壓力計(jì)連續(xù)檢測(cè)并存儲(chǔ)壓力值，配水器的控制器調(diào)取壓力值并解析波動(dòng)碼，將其轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)來(lái)控制水嘴開度，實(shí)現(xiàn)地面至井下的命令傳輸及地層注水量的控制。井下智能配水器的控制器根據(jù)井下數(shù)據(jù)發(fā)送指令控制水嘴開度，并在井口產(chǎn)生壓力波動(dòng)信號(hào)。地面控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井口壓力值，將檢測(cè)到的壓力波動(dòng)信號(hào)解碼，實(shí)現(xiàn)井下分層流量、壓力和溫度等數(shù)據(jù)向地面?zhèn)鬏敗?/p>

圖6 壓力波控制分層注水系統(tǒng)示意圖

壓力波控制分層注水技術(shù)信號(hào)傳輸不占用油管通道，壓力傳感器同時(shí)作為井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸傳感器，技術(shù)成熟度高且成本較低，井下儀器容易實(shí)現(xiàn)低功耗待機(jī)。該技術(shù)已在長(zhǎng)慶油田進(jìn)行了小規(guī)模應(yīng)用，截至2021年底已經(jīng)應(yīng)用1 248口井，最大傳輸井深2 900 m，單個(gè)命令下傳40 min，單個(gè)數(shù)據(jù)上傳40 min，是目前應(yīng)用井?dāng)?shù)最多的井下無(wú)線通訊注水技術(shù)。從長(zhǎng)慶油田的生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果看，壓力波控制分層注水技術(shù)信號(hào)傳輸速度較慢，遠(yuǎn)低于隨鉆測(cè)井的1 b/s，選擇該技術(shù)是為了適應(yīng)開放井下環(huán)境壓力波信號(hào)傳輸需求，保證在大多數(shù)油藏狀況下都能完成雙向通訊。

1.3.3 流量波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

為了解決壓力波信號(hào)在分層注水應(yīng)用中存在的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，根據(jù)對(duì)中國(guó)主流注水井網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)研結(jié)果和生產(chǎn)需求分析，2015年提出依托現(xiàn)有注水井網(wǎng)資源，用流量波來(lái)實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸，建立從配水間到井下配水器之間的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)。流量波通訊的理論依據(jù)是流動(dòng)液體的連續(xù)性原理和質(zhì)量守恒定律，即在地面高壓泵作用下，水被注入井下地層，注水管道中的水流連續(xù)流動(dòng)，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道任一截面水的質(zhì)量相等，因此用流量波進(jìn)行信號(hào)傳輸具有優(yōu)越的抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性。

流量波通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖 7所示，系統(tǒng)主要由安裝在配水間分水管線上的流量信號(hào)發(fā)生器、流量信號(hào)檢波器和井下各層電控配水器組成，井下電控配水器內(nèi)置流量傳感器、壓力傳感器、電控水嘴等輔助儀器。需要進(jìn)行指令下傳時(shí)，地面流量信號(hào)發(fā)生器在計(jì)算機(jī)控制下發(fā)出含有控制指令信息的流量波動(dòng)信號(hào)，通過(guò)注水管線和油管傳遞到井下電控配水器，井下流量傳感器接收到地面控制指令時(shí)，解碼還原地面控制指令并完成相應(yīng)動(dòng)作。井下數(shù)據(jù)上傳時(shí)，井下電控配水器根據(jù)地面的控制指令將井下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制信息，通過(guò)控制電控水嘴的開度變化，將信息調(diào)制到注水水流上向地面?zhèn)鬟f，地面的流量信號(hào)檢波器檢測(cè)到注入流量的變化，通過(guò)解碼實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)還原，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的上傳。

圖7 流量波通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

由以上流量波數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程可知，流量波雙向通訊的能量均來(lái)自地面的注水壓力。因此，只要地層能夠吸水，就能完成信號(hào)的傳輸，而且吸水特性越好，完成信號(hào)傳輸越容易，并且不需要在井下形成較大的壓差波動(dòng)，信號(hào)傳輸對(duì)坐封工具、地層壓力影響小，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

流量波通訊技術(shù)目前仍在發(fā)展和完善中，已經(jīng)完成分層注水全過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)產(chǎn)生合理時(shí)間間隔的流量脈沖，流量波可實(shí)現(xiàn)1 400 m無(wú)衰減信號(hào)傳輸，典型的流量波下行傳輸曲線如圖 8所示。該模擬實(shí)驗(yàn)將井下傳感器置于地面，由多通道高速信號(hào)采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)集中采集。圖 8中紅色曲線為0 m處流量傳感器檢測(cè)到的上游流量變化，該曲線通過(guò)調(diào)整上游控制閥門的開度及開關(guān)保持時(shí)間而形成；藍(lán)色曲線為1 400 m處流量傳感器接收到的下游流量變化，是紅色曲線在下游1 400 m處的響應(yīng)。如圖 8所示，排除水流壓縮性、水流慣性所產(chǎn)生的流量瞬時(shí)波動(dòng)及短暫延遲，兩條流量曲線具有基本無(wú)衰減的波動(dòng)幅值，并且變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出很好的一致性。由此可見(jiàn)，人為產(chǎn)生的規(guī)律流量波動(dòng)在流經(jīng)1 400 m管線后能得到準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，并進(jìn)一步證明了流量波可作為井下遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)睦硐胼d體。

基于Moodle的課前線上教學(xué) 通過(guò)Moodle平臺(tái)，教師可以自主設(shè)計(jì)和管理課程，把課程內(nèi)容以任務(wù)的形式進(jìn)行組織，并為每個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)定目標(biāo)和完成標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生只需跟隨任務(wù)指引完成學(xué)習(xí)，并獲得相應(yīng)反饋，學(xué)習(xí)更有積極性。學(xué)生在學(xué)習(xí)期間充分利用各種學(xué)習(xí)資源，為達(dá)到教學(xué)目標(biāo)而努力。下面介紹使用Moodle開展電工電子技術(shù)課程線上教學(xué)的步驟。

圖8 1 400 m流量波傳輸測(cè)試

依托現(xiàn)有注水井網(wǎng)資源，采用流量波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可以建成以配水間為節(jié)點(diǎn)、水流為信息載體的井下無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，借助配水間供電系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可構(gòu)建覆蓋地面控制中心到油藏的數(shù)字化無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)分層注水?dāng)?shù)字化提供技術(shù)支撐。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)完整的單井測(cè)調(diào)無(wú)線控制鏈路，為實(shí)現(xiàn)配水間和油藏工具聯(lián)動(dòng)測(cè)調(diào)提供基礎(chǔ)條件，也為井組聯(lián)調(diào)聯(lián)控和注水參數(shù)優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有布置成本低、易于工業(yè)化應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)。流量波控制分層注水技術(shù)將于近期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2 存在問(wèn)題及挑戰(zhàn)

由于井下環(huán)境復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)智能分層注水，并進(jìn)一步提高水驅(qū)開發(fā)效果，需要更加高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2.1 井下電纜通訊技術(shù)面臨的問(wèn)題

可以預(yù)見(jiàn)，在新的低成本井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)成熟應(yīng)用之前，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電纜直讀通訊與測(cè)調(diào)技術(shù)仍將是油田分層注水測(cè)調(diào)技術(shù)的主體。但在進(jìn)行井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需動(dòng)用測(cè)試車下入通訊工具進(jìn)行，導(dǎo)致人工工作量增加，只能獲取短暫的數(shù)據(jù)片段，隨著注采關(guān)系頻繁變化，測(cè)調(diào)周期逐步縮短，有限的隊(duì)伍服務(wù)能力與精準(zhǔn)數(shù)據(jù)需求、開發(fā)成本之間的矛盾將越發(fā)突出。

預(yù)置電纜分層注水技術(shù)處于示范應(yīng)用階段，由于電纜與分層工具屬串聯(lián)系統(tǒng)，在多層段應(yīng)用中，過(guò)多的井下連接會(huì)降低系統(tǒng)可靠性，綜合服役壽命仍需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步驗(yàn)證。敷設(shè)電纜導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工工藝復(fù)雜，對(duì)套變、井斜適應(yīng)性差，難以滿足帶壓作業(yè)工藝要求。電纜不能重復(fù)使用，多數(shù)注水井現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有電源供應(yīng)，規(guī)模應(yīng)用面臨進(jìn)一步的基建投入。應(yīng)用成本和施工工藝復(fù)雜性是纜控技術(shù)無(wú)法回避的難題。

2.2 井下無(wú)線通訊技術(shù)面臨的問(wèn)題

2.2.1 井下電池能量限制

2.2.2 振動(dòng)波通訊上傳直傳距離限制

振動(dòng)波井下上傳通訊技術(shù)，受井下電池能量限制，井下振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器功率不能做得很大，上傳直傳距離有限，目前只能實(shí)現(xiàn)1 000 m以內(nèi)的穩(wěn)定通訊。同時(shí)，通訊成功率還受井筒噪音、地面噪音、管串工具結(jié)構(gòu)等諸多因素影響，可靠的直傳通訊距離還需在更多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證，低功耗數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議也有待進(jìn)一步完善。采用接力通訊技術(shù)能夠解決井下上傳通訊距離限制，在國(guó)外工程實(shí)踐中也得到證實(shí)，國(guó)內(nèi)相關(guān)的科研工作尚未開展。

振動(dòng)波通訊控制分層注水應(yīng)用中，井下每層工具均需要配備振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，但振動(dòng)信號(hào)發(fā)生器電聲轉(zhuǎn)換器件為貴重的超磁致伸縮材料，儀器成本很難大幅降低，采用接力通訊上傳會(huì)導(dǎo)致單井成本進(jìn)一步提高，并增加管柱的復(fù)雜性。由于通訊構(gòu)架更為簡(jiǎn)單的流量波通訊技術(shù)的突破性進(jìn)展，現(xiàn)在已暫停發(fā)展基于振動(dòng)波接力通訊的分層注水技術(shù)。

2.2.3 壓力波通訊技術(shù)環(huán)境適應(yīng)性限制

壓力波井下無(wú)線通訊技術(shù)應(yīng)用于分層注水時(shí)，其傳輸通道為油管和地層組成的開放系統(tǒng)，通訊速度和成功率受油藏特性影響較大。如果油藏吸水特性好，在地面供水能力有限的情況下，將難以在井下建立有效壓差。對(duì)于低滲透油藏，則需要建立專門的排水管線和污水池以實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)傳輸，工程實(shí)施成本高。為確保壓力波通訊的成功率，在實(shí)際應(yīng)用中多采用全開全關(guān)的通訊方式或臨時(shí)借助地面泵車發(fā)送壓力信號(hào)，可能會(huì)在注水管柱中形成較大的壓力沖擊，嚴(yán)重時(shí)加劇管柱伸縮位移，甚至導(dǎo)致封隔器解封或失效。

2.2.4 流量波通訊技術(shù)井下流量傳感器靈敏度和功耗限制

流量波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有簡(jiǎn)潔的通訊架構(gòu)，特別適合應(yīng)用于分層注水，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是井下流量計(jì)量和信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)。井下流量精確計(jì)量尤其是小流量計(jì)量是行業(yè)性技術(shù)難題，流量波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)井下流量傳感器提出更高要求：一方面，井下流量計(jì)必須具有較高的靈敏度，以適應(yīng)流量波小信號(hào)檢波要求；另一方面，必須具備良好的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性，作為井下監(jiān)測(cè)傳感器，井下流量傳感器必須具有低功耗特性，否則在電池供電情況下難以滿足監(jiān)測(cè)工作要求。

作為全新的技術(shù)領(lǐng)域，流量信號(hào)在注水井網(wǎng)中的傳輸特性尚不清楚，井下高精度流量計(jì)量、通訊實(shí)時(shí)性和功耗難兼顧，低功耗、高精度數(shù)據(jù)上傳缺乏有效方法，地面流量傳感器難以兼具寬量程和高靈敏特性。筆者針對(duì)以上技術(shù)難題，正在開展相關(guān)系統(tǒng)攻關(guān)。

2.3 基于單井的分層注水技術(shù)面臨的問(wèn)題

數(shù)字化分層注水技術(shù)發(fā)展的首要目標(biāo)是系統(tǒng)解決自動(dòng)調(diào)控、地層吸水特性測(cè)試、注入量計(jì)量和注水壓力參數(shù)優(yōu)化，把人從繁重的測(cè)調(diào)工作中解放出來(lái)，達(dá)到降本增效目標(biāo)，并減少人為干擾因素，為開發(fā)方案優(yōu)化提供所需數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段發(fā)展的電纜通訊技術(shù)、振動(dòng)波通訊技術(shù)只能解決從油藏到井口的數(shù)據(jù)傳輸，壓力波通訊技術(shù)存在環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。但油田分層注水是由水源、配水間、注水管線、井筒和油藏組成的復(fù)雜系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)井下儀器和配水間的聯(lián)動(dòng)聯(lián)調(diào)，也是實(shí)現(xiàn)注水參數(shù)優(yōu)化和節(jié)能降耗的前提，因此現(xiàn)有的數(shù)字化分注技術(shù)與數(shù)字化分注目標(biāo)和生產(chǎn)需求還有相當(dāng)距離。與此同時(shí)，單井分注測(cè)調(diào)是一個(gè)相互影響的緩變系統(tǒng)，地面和井下變化對(duì)彼此影響往往需要十幾秒到數(shù)百秒才顯現(xiàn)，地面和井下缺乏控制參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋，傳統(tǒng)控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)調(diào)。

3 分層注水井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展方向

實(shí)現(xiàn)智能分層注水是提高水驅(qū)動(dòng)用程度、保證水驅(qū)穩(wěn)產(chǎn)的必由之路，而井下數(shù)據(jù)高效傳輸是實(shí)現(xiàn)智能分層注水的關(guān)鍵。分層注水井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展主要有以下幾個(gè)方向。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模應(yīng)用的電纜高效測(cè)調(diào)井，可結(jié)合微型電池、傳感器和存儲(chǔ)器，對(duì)傳統(tǒng)配水器進(jìn)行數(shù)字化化改造，在不影響投撈性能的前提下，可以嵌入壓力傳感器和存儲(chǔ)器及微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)地層壓力的監(jiān)測(cè)，以彌補(bǔ)地層壓力參數(shù)變化歷史數(shù)據(jù)的缺失，結(jié)合接力通訊技術(shù)，也可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的在線讀取。

對(duì)于有井下參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)井，重點(diǎn)發(fā)展高速有線通訊技術(shù)。一方面是進(jìn)一步完善預(yù)置電纜通訊技術(shù)，主要提高通訊電纜連接的穩(wěn)定型和可靠性，如優(yōu)化電纜連接方式、簡(jiǎn)化并規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)施工工藝、提高管材質(zhì)量等。另一方面，借助新型管材技術(shù)發(fā)展成果，利用有內(nèi)置纜芯的復(fù)合連續(xù)管來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)油管進(jìn)行完井作業(yè)，以提高施工的便捷性和可靠性。當(dāng)然，在復(fù)合連續(xù)管的環(huán)境適應(yīng)性、抗擠壓性能、復(fù)合連續(xù)管連接可靠性方面還有大量工作要做。

對(duì)于以實(shí)現(xiàn)測(cè)調(diào)自動(dòng)化并提供少量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為目標(biāo)的規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展低成本的井下無(wú)線通訊技術(shù)。一方面，進(jìn)一步完善壓力波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸編碼方法，提高通訊速度；另一方面，加快流量波井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，盡快突破以低功耗、高靈敏井下流量傳感器為代表的關(guān)鍵技術(shù)，攻關(guān)地面和井下同步測(cè)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)調(diào)并提高測(cè)調(diào)效率。同時(shí)，結(jié)合移動(dòng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，加快建設(shè)覆蓋控制中心、配水站、配水間和分注井的分層注水綜合控制通訊網(wǎng)絡(luò)，加快配水間電控化改造，盡快實(shí)現(xiàn)分層注水的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化注水參數(shù)和降本增效的目標(biāo)。

在水驅(qū)開發(fā)體系中，除了繼續(xù)發(fā)展注水井相關(guān)技術(shù)外，提升受效井即采油井的精細(xì)化管理亦十分重要，需開展油藏、工程一體化技術(shù)研究。如將分層注水井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)同分層采油技術(shù)結(jié)合，通過(guò)數(shù)據(jù)共享與聯(lián)動(dòng)控制，進(jìn)一步深化儲(chǔ)集層認(rèn)識(shí)，為開發(fā)方案的制定提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，最終形成由油藏?cái)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新一代智能分層注采技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)有效控制含水率、合理動(dòng)用儲(chǔ)量和降本增效的目標(biāo)。此外，需進(jìn)一步研究如何將分層注水成熟的、較低成本的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用至分層采油領(lǐng)域中，提高分采管柱的適應(yīng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是實(shí)現(xiàn)分注數(shù)字化和自動(dòng)控制的關(guān)鍵，為了滿足油田開發(fā)不同階段的生產(chǎn)需求，分層注水井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展先后經(jīng)歷了投撈井下傳感器、測(cè)試車下入電纜直讀通訊、井下接力通訊、預(yù)置電纜通訊以及井下無(wú)線通訊的發(fā)展歷程。結(jié)合油田生產(chǎn)需求和現(xiàn)有井下監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)存在的問(wèn)題，提出數(shù)字化分層注水技術(shù)發(fā)展方向。對(duì)已規(guī)模應(yīng)用的高效測(cè)調(diào)技術(shù)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)配水器的數(shù)字化；對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)井，進(jìn)一步完善纜控分層注水技術(shù)并發(fā)展復(fù)合連續(xù)管分層注水技術(shù)；對(duì)于以實(shí)現(xiàn)測(cè)調(diào)自動(dòng)化為目標(biāo)的規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展無(wú)線控制分層注水技術(shù)，充分利用數(shù)字化分層注水技術(shù)成果，發(fā)展數(shù)字化分采技術(shù)，提升油藏開發(fā)數(shù)字化水平，為實(shí)現(xiàn)油藏與工程一體化提供技術(shù)支撐。