王爾珍 楊海恩 于九政 楊玲智 姬振寧 胡改星

（1.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室）

長慶油田是典型的“三低”油藏，開采需補充油藏能量，90%以上的油藏采用注水開發(fā)。2010年以來，長慶油田大力發(fā)展精細分層注水技術(shù)，分注井達10000余口，年測試工作量近20000井次，配套測試費用達2億元以上，有力支撐油氣產(chǎn)量上升至6000×104t/a油當量，但也存在著分注合格率下降快、分層數(shù)據(jù)錄取處理缺乏連續(xù)性等問題。面對油田降本增效、創(chuàng)新驅(qū)動的需求，長慶油田借助數(shù)字控制、自動化等先進技術(shù)，著力開展數(shù)字式分注技術(shù)攻關(guān)研究，力爭實現(xiàn)分層流量自動測試與調(diào)節(jié)、遠程實時監(jiān)控等目的[1-3]?！笆濉逼陂g，依托“中國石油天然氣股份有限公司第四代分層注水”專項，長慶油田根據(jù)儲層特點，重點開展了可帶壓作業(yè)的無線數(shù)據(jù)傳輸智能分層注水技術(shù)攻關(guān)[4-7]，攻克了低功耗小水量測調(diào)技術(shù)，利用壓力流量波碼實現(xiàn)地面與井下數(shù)據(jù)無線遠程傳輸，開發(fā)了注水井遠程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了小層全天候達標分注及注水動態(tài)網(wǎng)絡化管理，分注工藝實現(xiàn)跨越式升級，為智能化分注提供了必要基礎(chǔ)。

1 波碼通信分層注水技術(shù)

1.1 波碼通信技術(shù)原理

借鑒隨鉆測試技術(shù)[8-10]，波碼通信技術(shù)以井筒內(nèi)的水為載體，采用壓力波的形式傳輸控制指令及數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸與控制（圖1）[11-13]。

圖1 波碼通信數(shù)字式分注示意圖

1.1.1 地面至井下數(shù)據(jù)傳輸

注水閥組中安裝有電控調(diào)節(jié)閥，可通過上位機軟件遠程發(fā)送指令，自動控制電控閥開關(guān)，改變注水井油管內(nèi)壓力變化，建立井筒內(nèi)壓力波動信號。井下配水器集成壓力計及控制系統(tǒng)，接收壓力波動信號并完成解析分析，之后轉(zhuǎn)換為控制信號傳遞給水嘴，水嘴完成開大或者關(guān)小動作，實現(xiàn)地面至井下的數(shù)據(jù)傳輸及控制（圖2a）。

1.1.2 井下至地面數(shù)據(jù)傳輸

井下智能配水器集成一體化水嘴，通過水嘴的開關(guān)建立起井筒壓力波動，由井下傳遞給地面，地面控制器接收信號，并完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的解析，實現(xiàn)了井下分層流量、分層壓力等數(shù)據(jù)向地面的有效傳輸（圖2b）。

圖2 地面與井下遠程雙向無線數(shù)據(jù)傳輸示意圖

1.2 小水量測控技術(shù)

智能配水器集成設(shè)計了控制模塊、壓力計、一體化水嘴等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)?？刂颇K設(shè)計了水量調(diào)節(jié)控制模型，采用經(jīng)典水嘴節(jié)流理論，測試水嘴前后壓差，結(jié)合水嘴開度，求得注水量。同時根據(jù)實測值與目標值對比，如流量誤差小于20%，則不調(diào)節(jié)水嘴，只監(jiān)測及存儲動態(tài)數(shù)據(jù)；若流量誤差大于20%，則水嘴自動調(diào)節(jié)直至合格。水量調(diào)節(jié)控制模型具備自修正功能，通過前期大量的測試數(shù)據(jù)，不斷修正模型參數(shù)，提高測試精度。

配水器自學習模型計算公式：

式中 Q——流量，m3/s；

Cd——速度系數(shù)；

w——當量寬度，m；

xv——可調(diào)水嘴位移量，m；

ρ——水密度，kg/m3；

p1——嘴前壓力，MPa；

p2——嘴后壓力，MPa。

1.3 智能配水器集成化設(shè)計

智能配水器主要包括上接頭、控制及存儲模塊、中心通道、壓力計、下接頭、電池組、一體化水嘴（圖3）。主要技術(shù)思路為將流量—壓力傳感器集成于井下配水器中，實現(xiàn)井下壓力和流量的實時監(jiān)測，采用進口耐高溫（85℃）大容量干電池組為控制電路及電動機供電，減速電動機與水嘴一體化集成，電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了水嘴開度變化自動調(diào)節(jié)水量的目的。

圖3 智能配水器結(jié)構(gòu)圖

1.4 技術(shù)特點

（1）機電控制與注水結(jié)合，實現(xiàn)了井筒內(nèi)遠距離無線雙向可靠通信，現(xiàn)場應用中通信誤碼率低于2%；（2）通過設(shè)置算法，井下流量自動測調(diào)，實現(xiàn)小層長期達標分注；（3）工藝技術(shù)可實現(xiàn)帶壓作業(yè)，避免了放水泄壓，在當前更嚴格的安全環(huán)保要求下具有較強的推廣性。

2 室內(nèi)實驗測試

2.1 配水器密封性測試

將配水器安裝于密封性測試裝置內(nèi)，由配水器內(nèi)打壓驗證配水器密封性，具體步驟為：

（1）配水器設(shè)置水嘴全關(guān)狀態(tài)，配水器下接頭和上接頭都用堵頭堵死。

（2）將配水器放入φ139.7mm套管內(nèi)，套管兩端安裝試壓堵頭。

（3）高壓管線一端連接套管試壓接頭，另一端連接打壓泵，中間串接高精度壓力計。

（4）開始打壓至3MPa左右，然后排氣，往復3次以上，確?？諝馀鸥蓛?。

（5）開始打壓至30～60MPa，每10MPa一個臺階，每個壓力段穩(wěn)壓15min，然后再打壓至65MPa，穩(wěn)壓15min。泄壓至零，將數(shù)字式配水器取出，觀察鋼體是否變形，配水器內(nèi)腔是否進水。整體測試配水器在60MPa環(huán)境下密封性合格。

2.2 配水器流量自動調(diào)節(jié)測試

設(shè)置配水器配注量及自動測調(diào)時間間隔后，將其安裝于流量測試裝置內(nèi)，啟動流量測試裝置入口開關(guān)。預設(shè)流量10m3/d，開始自動測調(diào)，第一次測調(diào)給定流量20m3/d，經(jīng)過自動測調(diào)后，注水量達到10m3/d；第二次測調(diào)給定流量7m3/d，經(jīng)過自動測調(diào)后，注水量達到10m3/d，流量滿足5%誤差，實現(xiàn)了水量自動測調(diào)（圖4）。

圖4 水量自動測調(diào)測試過程

2.3 遠程無線通信測試

將配水器安裝于模擬井中，將井筒內(nèi)注滿水，模擬現(xiàn)場注水工況，由地面控制器向模擬井中配水器發(fā)送流體波碼，連續(xù)執(zhí)行全開、50%開度、全關(guān)操作，指令發(fā)送后，接收配水器反饋動態(tài)信息，并與指令對比，符合率達100%。

3 現(xiàn)場應用效果

波碼通信數(shù)字式分注技術(shù)已在長慶油田成功應用1200余口井，地面至井下無線通信距離達到2800m。通過井下分層流量的自動測調(diào)，試驗井分注合格率長期保持在90%以上，小層實現(xiàn)達標分注。同時，采油單位通過注水客戶端軟件，可實現(xiàn)對單井的遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集分析。其中塞392區(qū)塊規(guī)模應用波碼分注技術(shù)65口井，實施后水驅(qū)動用程度由67.8%升至80.7%，壓力保持水平由85.6%提高到86.4%，月度遞減率由0.71%降至0.41%，含水率上升幅度由1.50%降至-0.66%，階段少遞減原油1.07×104t。試驗井縱向剖面明顯改善，可對比井吸水厚度平均增加1.1m。如圖5所示，H4-15井實施波碼通信分注后，上層段由不吸水變?yōu)槲?，下段吸水剖面趨于均勻，吸水厚度增加?m，剖面改善明顯。

圖5 H4-15井波碼通信分注前后吸水剖面對比

X17-19井為兩層分注井，2021年5月26日完井，上層配注16m3/d，下層配注8m3/d，根據(jù)遠程監(jiān)測曲線可知，兩層均達標分注，并可反映出現(xiàn)場工況，8月13日上游注水泵停泵后，該井小層壓力、流量發(fā)生變化（圖6）。

圖6 X17-19井分層監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)論

（1）波碼通信數(shù)字式分注技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，免人工測調(diào)，井下流量自動測調(diào)，小層注水量達標分注。

（2）波碼通信實現(xiàn)了近3km井筒內(nèi)遠距離雙向信號的可靠傳輸，作業(yè)時無需放水泄壓，可帶壓作業(yè)。

（3）可連續(xù)監(jiān)測每層注水量、地層壓力等大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)挖掘與應用的空間和潛力較大，結(jié)合壓降試井解釋和動態(tài)分析，確定小層合理配注量和注水壓力，為注水方案優(yōu)化提供決策依據(jù)。

（4）單井每年可節(jié)約測調(diào)費用5萬元，在當前各油田降本增效的環(huán)境下，具有廣闊的應用前景。