井下分层注水自动控制装置的研究与应用

王宝利，雷辉耀，周秀丽

（1.华油一机（河北）钻井装备有限公司，河北沧州062658；2.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北任丘062550）

目前的油田分层注水技术是用封隔器之间的配水器调节注水井中各层段的注水量，使各层基本上能按分层配水量定量注水。调整注水井的吸水剖面，控制超注层的注水量、增加欠注层的注水量，使各层中的水线推进比较均匀。通常分层注水为3～5个层段，对延长无水开采期和提高采收率起到了重要作用。目前，调整注水量时需要再次调配作业，效率低、周期长、费用较高，因而注水技术应向方便重复调配的智能分注技术方向发展。分层注水控制装置是用2个封隔器之间的电控配水器调节注水井中各层段的注水量，使各层基本上能按地质预测的注水量进行定量注水，从而调整注水井的吸水剖面，使各层中的水线推进比较均匀，有效提高油井产量。

1 工作原理

在每组封隔器下部各自安装1台电控配水器，通过地面供电和调控，在单芯特制供电电缆和油管之间形成电源和信号回路，采用特殊电机和减速装置逐级控制多套电控配水器。配水器在接收到电脉冲信号后反馈，根据地面计算机发出的控制指令分别调控本层位不同流量水嘴的开闭，直到满足层位注水量的要求。注水管柱的结构如图1所示。

图1 注水管柱结构示意

2 主要结构和关键技术

2.1 电控配水器

分层注水控制需采用电控配水器专用阀。只需要将电缆下入井内，电缆头与电控配水器采用压接方式，同时将油管作为零线，在电缆与油管之间形成回路，即可正常工作。在每层调配前，通电后应将电控配水器先关闭并复位到零位，然后再根据地面指令阀芯移动到对应的水嘴位置。使用脉冲电动机作为动力源，步距角为1.8°，通过丝杠减少或增加推力，减速比为1∶43，转30°需要发出716个脉冲。同时设计了一套定位机构，该阀每旋转180°就由定位机构进行定位，防止出现偏差，便于下一次起步时所有阀均从零起步。

该阀组初步设计为5层控制，层间启闭相隔30°。当脉冲电动机发出716个脉冲时，第1个电动阀开启，其余关闭；发出1 432个脉冲时，第2个电动阀开启，其余关闭；发出2 148个脉冲时，第3个电动阀开启，其余关闭；发出2 864个脉冲时，第4个电动阀开启，其余关闭；发出3 580个脉冲时，第5个电动阀开启，其余关闭；发出4 296个脉冲以上时，所有电动阀关闭并复位到零度。

通过开闭不同的水嘴从而达到变流调控方式。沿配水器阀体轴向从上到下、流量从小到大排布10个水嘴，水嘴的过流范围应满足该地层的需要，可根据地层的需要进行定制。在丝杠的推动下，阀芯开启并沿轴向下运动，可依次打开不同流量的水嘴，改变注入水流量。电控配水器的结构如图2所示，丝杠每转步进0.2 mm，采取的脉冲信号通信方式可精确控制和接收丝杠转数数据，进而控制阀芯步进距离。

2.2 远程控制

控制方式采用就地闭环控制。地面控制装置可通过有线或无线方式与上位机相连，上位机接受来自井下的电脉冲信号，运用专门为该装置开发的软件发送配水命令，动作快速有效，可以对水量进行PID调节，控制配水器的开关程度，同时对在工作中出现的各种问题进行声光报警，满足安全运行的要求。

图2 电控配水器结构示意

2.3 装置技术指标

由于装置要下入注水井内，而注水井注入压力一般为10～30 MPa，同时装置还会受到地层压力和温度的双重影响，并且注水水质中容易含有杂质，也会增大装置的运行阻力，所以装置材料要满足以下技术指标：

1)耐压：0～50 MPa。

2)耐温：0～70℃。

3)供电方式：直流60 V。

4)供电长度：2 500 m。

3 试验效果

电控阀门首先进行密封性试验和压力试验，试验压力为3倍的工作压力，试验时间为120 min，随后将压力逐级降低到工作压力，每级稳压5 min，以密封面不渗不漏为原则，下入试验井内，模拟正常注水井工作状态，打压注水，分别在20，30，50 MPa顺利通过了开关控制试验，电控阀门能按控制指令依次进行各水嘴位置控制，丝杠阀芯运转自如，阀体外筒采用耐压低合金结构钢或不锈钢，满足了电控阀门开关在50 MPa极端情况下仍可正常工作的技术要求。

2017年5月15日针对淖1202井进行吸水剖面测试。施工油压为9.1 MPa，注水量为25 m3/d，视吸水指数为2.747 m3/（d·MPa）；施工方式为井下释放，全井共3层吸水，其中5号层为主力吸水层，相对吸水量是48.87%，释放井深1 100 m，关井2 h测井温，该井5月吸水剖面数据见表1所列。

2017年6月2日下入井下分层自动控制装置后再对淖1202井进行吸水剖面测试。施工油压为9.1 MPa，注水量为25 m3/d，视吸水指数为2.747 m3/（d·MPa）；施工方式为井下释放，全井共2层吸水，其中6号层为主力吸水层，相对吸水量为91.05%，释放井深1 100 m，该井6月吸水剖面数据见表2所列。

表1 5月淖1202井吸水剖面数据

表2 6月淖1202井吸水剖面数据

对比淖1202井注水前后两侧的吸水剖面数据可得知，5月其主吸水层为5，6号小层合为主吸水层，到6月变为6号小层为主吸水层，5月7号小层为次吸水层而6月变为不吸水层。

应用井下分层注水控制装置后，注水井的吸水剖面有所改善，主力吸水层的吸水量由48.87%提高到91.05%，由此计算单井的注水系统效率可提高3%，减缓了注水井垢埋，稀释了地层水的矿化度，降低了产出液的酸性，减缓了对井筒的腐蚀伤害，保证了油田正常生产。

4 结 论

该项技术的应用适用于注水井地面重复调配，提高了注水井的科学管理，实现了高效、合理、准确的水驱目的。然而也存在很多问题，如注水水质达不到标准，水中含有杂质势必会影响电控阀门的灵活动作；注水压力较高，会造成电缆使用寿命的降低；今后的运行和维护工作量大等。这些问题可在今后的试验和现场应用中进一步的改进和研究。