趙旭亮，劉永莉

（1.中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤(pán)錦 124010； 2. 渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤(pán)錦 124010）

分層注水是補(bǔ)充地層能量、緩解層間矛盾、提高采收率的重要手段。常規(guī)分注技術(shù)包括橋式偏心、橋式同心等，能滿(mǎn)足水驅(qū)開(kāi)發(fā)中不同時(shí)期的需求。但隨著油田開(kāi)發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大和開(kāi)發(fā)進(jìn)程的深入，常規(guī)分注技術(shù)暴露出一些不足之處，如測(cè)調(diào)工藝復(fù)雜、測(cè)調(diào)工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度大，特殊井（套變井、邊緣井及大斜度井等）測(cè)調(diào)不方便甚至無(wú)法測(cè)調(diào)，只能周期性測(cè)調(diào)，無(wú)法長(zhǎng)期保持較高的注水合格率，無(wú)法長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分注數(shù)據(jù)等。

國(guó)內(nèi)外智能分注技術(shù)研究主要包括有纜式智能分注[1–3]、非接觸式智能分注[4–6]及無(wú)纜式智能分注[7–10]等方式，能解決常規(guī)分注技術(shù)存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)分層注水精細(xì)化、有效化、智能化的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)控制。

1 智能分注技術(shù)

1.1 有纜式智能分注

有纜式智能分注是地面控制系統(tǒng)通過(guò)電纜控制有纜式智能配水器，實(shí)現(xiàn)每個(gè)注水層配注量測(cè)調(diào)、封隔器驗(yàn)封及測(cè)試數(shù)據(jù)讀?。▓D1）。過(guò)電纜封隔器在實(shí)現(xiàn)電纜穿越功能的前提下，封隔各注水層段，避免產(chǎn)生層間干擾。智能配水器可對(duì)管內(nèi)注水壓力、地層壓力及流量等參數(shù)進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)電纜傳遞至地面控制系統(tǒng)，配水器可定期對(duì)水嘴開(kāi)度依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以保證注水量滿(mǎn)足要求。

楊萬(wàn)有等[1–3]研制的智能配水器，水嘴設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)平衡結(jié)構(gòu)，保證水嘴在高壓差條件下的順利開(kāi)關(guān)，同時(shí)采用槽式進(jìn)水設(shè)計(jì)防止水嘴砂卡。為了提高有纜式智能分注技術(shù)作業(yè)效率，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用配套工具：①電纜連接器：在作業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電纜連接，密封方式設(shè)計(jì)為 2級(jí)或 3級(jí)密封以提高連接處有效密封；②電纜保護(hù)器：安裝在油管接箍處，防止管柱下入時(shí)損害電纜；③電纜防壓裝置：安裝在井口處，在管柱下入過(guò)程中防止吊卡損害電纜，提高作業(yè)效率；④過(guò)電纜井口密封裝置：管柱下入作業(yè)間歇過(guò)程中確保井口管柱和電纜的有效密封，避免間歇封井時(shí)電纜被剪斷后再連接產(chǎn)生的密封失效風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 非接觸式智能分注

非接觸式智能分注是當(dāng)測(cè)調(diào)或數(shù)據(jù)讀取時(shí)，油管內(nèi)通過(guò)電纜下入非接觸調(diào)控儀至配水器有效通訊位置范圍，地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與智能配水器雙向數(shù)據(jù)傳輸；控制配水器進(jìn)行測(cè)調(diào)，同時(shí)提取配水器前期測(cè)試數(shù)據(jù)（圖2）。非接觸式智能配水器對(duì)各層參數(shù)進(jìn)行定時(shí)測(cè)量并存儲(chǔ)至芯片中，水嘴驅(qū)動(dòng)力由預(yù)置在配水器內(nèi)的電池提供。水嘴開(kāi)度可根據(jù)井下參數(shù)變化，定時(shí)通過(guò)控制芯片的流量自動(dòng)測(cè)調(diào)算法并進(jìn)行調(diào)整，以保證配注水量恒定。

雷創(chuàng)[4]等研制的非接觸式智能配水器，自帶壓力計(jì)和流量計(jì)等傳感器，監(jiān)測(cè)各層壓力、流量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至芯片。后期下入短節(jié)與配水器非接觸對(duì)接，提取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)周期為4 h，測(cè)調(diào)驗(yàn)封周期為10 d。

圖1 有纜式智能分注結(jié)構(gòu)

圖2 非接觸式智能分注結(jié)構(gòu)

1.3 無(wú)纜式智能分注

無(wú)纜式智能分注是地面控制系統(tǒng)利用壓力波或流量波通信技術(shù)，通過(guò)井口控制系統(tǒng)向井底發(fā)送預(yù)設(shè)的高低脈沖信號(hào)，控制井下無(wú)纜智能配水器執(zhí)行配注測(cè)調(diào)等相關(guān)操作（圖3）。智能配水器動(dòng)力由預(yù)置在配水器內(nèi)電池提供，配水器定時(shí)對(duì)井下參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并定時(shí)調(diào)整水嘴開(kāi)度以保證目的層注水量。讀取井下數(shù)據(jù)時(shí)，地面控制系統(tǒng)通過(guò)井口控制系統(tǒng)下發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)回傳指令，對(duì)應(yīng)層位配水器利用波碼傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)回傳。

圖3 無(wú)纜式智能分注結(jié)構(gòu)

楊玲智等[7]研制的無(wú)纜式智能配水器，建立了壓差、流量及開(kāi)度這三者的關(guān)系模型和配水器自學(xué)習(xí)模型，可確保分注流量達(dá)標(biāo)。韋棟等[7]研究的壓力波通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)地面向井下和井下向地面的雙向通信，指令為壓力或流量序列，下發(fā)指令信息包括配水器儀器碼和操作指令，上傳指令包括層號(hào)、內(nèi)壓、外壓、流量及開(kāi)度等。朱蘇青等[11]建立的地面控制調(diào)配注水量方法，以單層配注量為依據(jù)，向下發(fā)送開(kāi)度指令，穩(wěn)定后上傳水嘴前后壓差，地面控制系統(tǒng)計(jì)算并判定是否滿(mǎn)足精度，如果不滿(mǎn)足則繼續(xù)調(diào)節(jié)。

2 三種分注方式對(duì)比

有纜式智能分注、非接觸式智能分注及無(wú)纜式智能分注對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表 1。有纜式智能分注技術(shù)測(cè)調(diào)動(dòng)力通過(guò)電纜由井口提供，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)井下數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，非接觸式智能分注技術(shù)避免了起下電纜作業(yè)，無(wú)纜式智能分注技術(shù)采用波碼雙向傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)調(diào)和井下參數(shù)測(cè)試，適用于帶壓作業(yè)。3種方式各有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)根據(jù)具體情況選取。

表1 三種分注方式對(duì)比結(jié)果

3 智能分注研究方向

目前，智能分注技術(shù)除各自技術(shù)瓶頸外，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中主要存在兩方面的核心問(wèn)題：①水嘴堵塞：注水過(guò)程中由于水質(zhì)[11–14]、地層返吐等影響導(dǎo)致水嘴堵塞，進(jìn)而影響智能分注技術(shù)的使用壽命；②電池壽命：非接觸式和無(wú)纜式智能分注的壽命主要由電池壽命決定，特別是無(wú)纜式智能分注技術(shù)采用井下水嘴開(kāi)關(guān)向上傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)電池性能要求較高。因此，電池使用壽命是制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

當(dāng)前解決水嘴堵塞的對(duì)策主要有兩種：一是建立定期水嘴調(diào)整機(jī)制，定期對(duì)水嘴清除堵塞物；二是采用特殊材質(zhì)防止結(jié)垢，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上考慮進(jìn)水處、出水處及水嘴的最小尺寸，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)防止堵塞物進(jìn)入水嘴。下步應(yīng)開(kāi)展特殊結(jié)構(gòu)防堵水嘴設(shè)計(jì)，利用注入水在井內(nèi)的壓差作為水嘴解堵動(dòng)力，解決水嘴堵塞問(wèn)題。開(kāi)展可投撈水嘴智能分注技術(shù)研究，一旦水嘴堵死，可進(jìn)行投撈作業(yè)更換水嘴，提高智能分注技術(shù)的使用壽命。

為確保電池壽命和管柱壽命一致，水嘴采用平衡壓等設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)不受水嘴前和水嘴后壓力的影響，降低測(cè)調(diào)功耗，同時(shí)對(duì)智能分注技術(shù)的測(cè)調(diào)周期、驗(yàn)封周期及數(shù)據(jù)上傳次數(shù)等進(jìn)行限制，以節(jié)省電池電量。下步應(yīng)開(kāi)展低功耗水嘴測(cè)調(diào)技術(shù)研究，在利用低功耗元器件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低功耗。加強(qiáng)高性能電池研究，提高電池的使用壽命。開(kāi)展電池水嘴一體化投撈技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)水嘴和電池一體化設(shè)計(jì)，當(dāng)電池沒(méi)電或水嘴堵死時(shí)，進(jìn)行投撈作業(yè)，更換一體化的帶電池水嘴。

此外，還可開(kāi)展同時(shí)具備有纜和無(wú)纜智能分注功能的耦合技術(shù)研究，前期采用無(wú)纜智能分注，當(dāng)電池電量用完或需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)管內(nèi)有纜或非接觸對(duì)接，為井下配水器提供動(dòng)力和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸通道，以提高智能分注管柱的使用壽命。

4 結(jié)論

（1）闡述了有纜式、非接觸式及無(wú)纜式三種智能分注技術(shù)的工作原理和研究進(jìn)展，并就配套工具、作業(yè)過(guò)程、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)回傳及技術(shù)瓶頸等方面對(duì)三種智能分注技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

（2）開(kāi)展特殊結(jié)構(gòu)防堵水嘴或可投撈水嘴智能分注技術(shù)研究解決水嘴堵塞問(wèn)題，加強(qiáng)低功耗水嘴測(cè)調(diào)技術(shù)、高性能（可充電）電池研究及電池水嘴一體化技術(shù)研究提高電池壽命，進(jìn)行多功能智能分注技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)三種智能分注技術(shù)的優(yōu)勢(shì)耦合，規(guī)避單種智能分注存在的技術(shù)限制是智能分注技術(shù)的發(fā)展方向。