海上油田注水井智能监测与控制技术研究

徐兴安　张凤辉　杨万有

摘      要： 為提高渤海油田注水增产效率，实现注水井分层注水的精细化管理，针对渤海油田大排量注水的应用需求，设计开发了一种井下分层注水智能配水器及配套地面监控设备。该配水器具有井下数据实时采集、分层注水量自动调控、分层在线验封、注水安全监测等功能，配水器由机械部分和电控电路两部分组成，其中电控电路包括井下电源模块、微控制器模块、数据采集模块、解码电路、发码电路、电机驱动电路。配水器借助钢管电缆与地面监控设备相连，即可在中控远程实现分层注水的在线监测与分层注水量的动态调控，单层配注量最大可达1 000 m³·d^-1，单井测调时间可缩短至几个小时，减少了后期调配作业和修井费用，截至2019年12月现场已成功应用87口井，累计298套，节约测调费用约1 370万元，降本增效显著。

关  键  词：海上油田;注水;智能配水器;测试仪器;分层注水

中图分类号：TE357.8       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）07-1396-04

Research on Intelligent Monitoring and Control

Technology of Water Injection Well in Offshore Oilfields

XU Xing-an， ZHANG Feng-hui， YANG Wan-you

（Energy Technology & Services-oilfield Technology Services Co.， CNOOC， Tianjin 300452， China）

Abstract：  In order to improve the efficiency of water injection in Bohai oilfield and realize the fine management of layered water injection in water injection wells， a kind of underground layered water injection intelligent water distribution device with cable and supporting ground monitoring equipments was designed and developed according to the application demand of large displacement water injection in Bohai oilfield. The water distribution device has the functions of real-time data collection， automatic control of layered water injection， layered online sealing test， water injection safety monitoring， etc. The water distributor is composed of mechanical part and electric control circuit. The electric control circuit includes underground power module， micro controller module， data acquisition module， decoding circuit， code sending circuit and motor driving circuit. The water distributor can be connected to the ground monitoring equipment with the help of steel pipe and cable， which can realize the online monitoring of layered water injection and the dynamic regulation of layered water injection in the central control remotely. The single-layer water injection can be up to 1 000 m3·d-1 at most， and the single well test and adjustment time can be shortened to a few hours， which can reduce the cost of later deployment and workover. As of December 2019， 87 wells have been successfully applied on site， with a total of 298 sets. The saved adjustment cost is about 13.7 million Yuan， cost reduction and efficiency increase are significant.

Key words：  Offshore oil field; water injection; intelligent water distributor; Testing instrument; Layered water injection

渤海油田注水开发占比达78%，现有注水井811口，其中分层注水井742口，分注井占比超过90%。渤海油田常规的分注技术主要有同心分层注水技术、空心集成分层注水技术、边测边调分层注水技术等^[1-7]，分层测调、层间验封均需要借助钢丝或电缆作业配合，受平台作业窗口、井斜、单井测调周期长等多方面因素的影响，普遍存在注水井分层测调不及时、大斜度井无法测调、测调效率低等问题，造成渤海油田注水井三率较低，严重地影响了油田注水开发的效果。

针对常规分层注水技术的不足，渤海油田开展了注水井智能测调技术的攻关，形成了具有海油特色的井下智能分注技术与配套井下智能配水器^[8-9]。智能配水器的应用实现了注水井分层注水量、注水压力、地层压力等参数的实时监测和注水量的自动化调整，分层注水合格率、测调效率均大幅度提升，为油藏分析提供了实时与准确的数据，促进了分层注水技术向数字化、智能化的升级，为渤海油田的注水高效开发提供技术支持。

1  技术原理

技术组成如图1所示，有缆智能配水器作为井下智能分注技术的关键工具，每一个注水层段对应一个智能配水器，各层智能配水器独立工作，采集井下分层注水流量、注水压力、地层压力、温度、电机电流、阀开度等数据，并根据分层配注量自动控制水嘴开度大小，实现分层注水的自动化调整，确保分层注水量在分层配注允许的范围内。相邻两个注水层位采用一个过电缆插入密封工具进行分隔，防止注水层间的干扰。各层配水器由一根钢管电缆串联，并共用该电缆与地面控制器相连与通信，地面控制器借助钢管电缆向各配水器供电并传送控制指令，各层配水器接收控制指令后，一方面控制可调水嘴开度调控，实现分层注水的动态控制;另一方面将调控过程中实时采集的数据远传给地面控制器，实现地面控制器对分层调配的实时监控。

2  智能配水器设计

有缆智能配水器如图2所示，工具主要由上接头、上滑套、流量计、上外套管、主体、一体化可调水嘴（包括阀芯、丝杠、电机和减速器、行程开关等组件）、测控电路、下外套管、下滑套、下接头流量计等组成。

2.1  流量计设计

有缆智能配水器流量测试优选电磁流量计，流量计以其具有抗污能力强、结构简单、无运动部件等优点特别适用于井下流量的长期测试，同时针对海上大排量注水的应用需求，配水器采用双流量计结构设计，设计有2个过流注水通道，分别用于有大流量和小流量分层注水，流量测量范围可达

1 000 m³·d^-1，2个过流注水通道由一体化可调水嘴进行开关控制，通过可调水嘴阀芯的位置变化，即可实现分层注水量的无级调整。

2.2  一体化可调水嘴设计

一体化可调水嘴结构如图3所示，主要由密封腔、阀芯、连杆、行程开关、霍尔传感器、磁钢、丝杠螺母副、电机和减速器组成。

可调水嘴的阀芯结构在电机和减速器的驱动下可沿出水口轴向运动，可开关水嘴、切换流量计通道。在某一流量计的行程范围内，可通过改变出水口面积调节流量。可调水嘴内部全关位置设计有密封圈，密封采用格兰圈密封，可有效防止由于水流冲刷造成的密封失效问题，当水嘴运行到全关极限位置时，阀芯与密封圈配合密封注水环形空间，实现注水通道的安全关闭。可调水嘴采用平衡压设计，可满足压差20 MPa下一体化可调水嘴的开关调控。一体化可调水嘴在行程的全开和全关2个极限位置，设置有2个行程开关，用于极限位置切断电机供电，实现电机的防过载保护。

2.3  耐腐蝕性

渤海油田单井酸化增产增注措施实施频繁，对井下智能配水器的耐酸性能提出较高的要求。现场试验发现，电磁流量计的电极材料在酸性环境中（酸化处理液包含j（HCl）12.0%+j（HF）3.0%+ j（缓蚀剂配制酸液）0.5%）存在严重腐蚀的问题，造成井下智能配水器进液而电气短路，导致测调系统瘫痪的故障。为此，开展了电极材料的筛选评价试验，试验结果如表1所示。同时关键部件为不锈钢材质，并对工具进行QPQ表面处理。

2.4  防砂卡设计

配水器出水口设计有单向防反吐组件，可避免注水井停注或反洗井时，环空砂或杂物造成配水器水嘴砂埋、堵塞等风险;同时，为减小油管内注入水质含砂、结垢造成水嘴开关调控困难的风险^[10]，流量计和水嘴进水口为离心结构，并安装有过滤网，可有效避免砂砾或结垢物造成可调水嘴阀芯开关遇阻、调控困难的问题。

3  智能配水器硬件电路设计

智能配水器电路由主控电路、解码电路、发码电路、温度测量电路、压力测量电路及电机驱动电路等部分组成，其原理框图如图4所示。

主控芯片通过解码电路获取地面控制器下传命令，根据上位机软件设置的调节时间调节水嘴开度。通过AD采集芯片采集内压、外压以及环境温度，并通过发码电路将获取的数据发送给地面控制器。

3.1  处理器电路设计

采用dsPIC30F6012A为主控芯片，结合16位单片机控制特点和DSP高速运算优点，兼具高速度、低电压、低功耗、大电流驱动能力和低价位OTP及Flash技术，支持4 M×24位的可寻址Flash程序存储体、32 K×16位的数据存储空间及2.5～5.5 V供电电压。

3.2  发码电路设计

发码电路与配水器内部的微处理器连接，接收处理器发来的井下分层实时数据，并通过发码电路将数字信号转换为模拟信号，经信号耦合通过单芯电缆的直流载波方式上传给地面控制器，发码电路结构设计，如图5所示。

3.3  解码电路设计

解码电路经单芯电缆和地面控制器连接，将地面控制器下传的模拟信号转换为数字信号，并发送至配水器内部的微处理器，进行指令分析和运算处理，解码电路如图6所示。

4  现场应用效果

截至2019年12月，有缆智能分注技术已在渤海油田应用87口井，智能配水器累计应用298套，最大下深3 333.00 m，最多井下6层级联调控，最大井斜87.62°，最大分层注水量800 m³·d^-1，在酸化、微压裂等增产措施下配水器运行稳定、可靠。井下智能配水器的应用，降本增效显著，节约了单井测调费投入，单井测调时间由4 d缩短至4 h，测调效率提高20余倍，单井测调频次将有1次·a^-1提高至3次·a^-1，注水井三率提升显著，据估算智能配水器在87口井的应用，将节省测调费用约1 370万元·a^-1。

5  结 论

1）井下智能配水器的应用，实现了分层注水的远程在线监测和自动化调控，分层测调无须占用平台作业窗口、无须钢丝电缆作业配合、无须拆装井口，解决了作业时间冲突、大斜度井无法钢丝或电缆测调、拆装井口的安全和作业风险，节约了测调费用投入，提高了测调效率，减小了额外作业风险。该技术特别适用于大斜度井、水平井、无人平台分层注水的测试与调配。

2）井下智能配水器久置于井下各注水层段，通过配水器内的压力计可实时获取井下分层注水数据，并可将数据实时传输至地面监控设备，实现了分层注水的在线监测;同时智能配水器可接收地面监控设备的控制指令，快速完成分注层注水量的调整，测调效率更高。

3）井下智能配水器的稳定性与可靠性是智能分注技术的关键点和难点，应持续跟踪工具的现场应用效果、问题，不断地优化和改进工具;同时考虑油田智能注采的发展方向，与智能采油技术相结合，搭建智能注采平台统一技术接口，建立智能分注与分采系统的数据库，为油藏分析和注采方案的优化调整提供数据支持和技术保障。

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基金项目： 国家科技重大专项，渤海油田油水井高效测调一体化技术示范基金项目（项目编号：2016ZX05058-003-015）。

收稿日期： 2020-03-27

作者简介： 徐兴安（1984-），男，黑龙江省绥化市人，工程师，硕士研究生，2012年毕业于西南石油大学精密仪器及机械专业，研究方向：海上采油工艺。E-mail：xuxa@cnooc.com.cn。