波码通信分层注水技术研究及现场应用

王尔珍 杨海恩 于九政 杨玲智 姬振宁 胡改星

（1.中国石油长庆油田公司油气工艺研究院 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室）

长庆油田是典型的“三低”油藏，开采需补充油藏能量，90%以上的油藏采用注水开发。2010年以来，长庆油田大力发展精细分层注水技术，分注井达10000余口，年测试工作量近20000井次，配套测试费用达2亿元以上，有力支撑油气产量上升至6000×104t/a油当量，但也存在着分注合格率下降快、分层数据录取处理缺乏连续性等问题。面对油田降本增效、创新驱动的需求，长庆油田借助数字控制、自动化等先进技术，着力开展数字式分注技术攻关研究，力争实现分层流量自动测试与调节、远程实时监控等目的[1-3]。“十三五”期间，依托“中国石油天然气股份有限公司第四代分层注水”专项，长庆油田根据储层特点，重点开展了可带压作业的无线数据传输智能分层注水技术攻关[4-7]，攻克了低功耗小水量测调技术，利用压力流量波码实现地面与井下数据无线远程传输，开发了注水井远程监控平台，实现了小层全天候达标分注及注水动态网络化管理，分注工艺实现跨越式升级，为智能化分注提供了必要基础。

1 波码通信分层注水技术

1.1 波码通信技术原理

借鉴随钻测试技术[8-10]，波码通信技术以井筒内的水为载体，采用压力波的形式传输控制指令及数据，实现远距离数据传输与控制（图1）[11-13]。

图1 波码通信数字式分注示意图

1.1.1 地面至井下数据传输

注水阀组中安装有电控调节阀，可通过上位机软件远程发送指令，自动控制电控阀开关，改变注水井油管内压力变化，建立井筒内压力波动信号。井下配水器集成压力计及控制系统，接收压力波动信号并完成解析分析，之后转换为控制信号传递给水嘴，水嘴完成开大或者关小动作，实现地面至井下的数据传输及控制（图2a）。

1.1.2 井下至地面数据传输

井下智能配水器集成一体化水嘴，通过水嘴的开关建立起井筒压力波动，由井下传递给地面，地面控制器接收信号，并完成监测数据的解析，实现了井下分层流量、分层压力等数据向地面的有效传输（图2b）。

图2 地面与井下远程双向无线数据传输示意图

1.2 小水量测控技术

智能配水器集成设计了控制模块、压力计、一体化水嘴等关键结构。控制模块设计了水量调节控制模型，采用经典水嘴节流理论，测试水嘴前后压差，结合水嘴开度，求得注水量。同时根据实测值与目标值对比，如流量误差小于20%，则不调节水嘴，只监测及存储动态数据；若流量误差大于20%，则水嘴自动调节直至合格。水量调节控制模型具备自修正功能，通过前期大量的测试数据，不断修正模型参数，提高测试精度。

配水器自学习模型计算公式：

式中 Q——流量，m³/s；

Cd——速度系数；

w——当量宽度，m；

xv——可调水嘴位移量，m；

ρ——水密度，kg/m3；

p1——嘴前压力，MPa；

p2——嘴后压力，MPa。

1.3 智能配水器集成化设计

智能配水器主要包括上接头、控制及存储模块、中心通道、压力计、下接头、电池组、一体化水嘴（图3）。主要技术思路为将流量—压力传感器集成于井下配水器中，实现井下压力和流量的实时监测，采用进口耐高温（85℃）大容量干电池组为控制电路及电动机供电，减速电动机与水嘴一体化集成，电动机作为执行机构，实现了水嘴开度变化自动调节水量的目的。

图3 智能配水器结构图

1.4 技术特点

（1）机电控制与注水结合，实现了井筒内远距离无线双向可靠通信，现场应用中通信误码率低于2%；（2）通过设置算法，井下流量自动测调，实现小层长期达标分注；（3）工艺技术可实现带压作业，避免了放水泄压，在当前更严格的安全环保要求下具有较强的推广性。

2 室内实验测试

2.1 配水器密封性测试

将配水器安装于密封性测试装置内，由配水器内打压验证配水器密封性，具体步骤为：

（1）配水器设置水嘴全关状态，配水器下接头和上接头都用堵头堵死。

（2）将配水器放入φ139.7mm套管内，套管两端安装试压堵头。

（3）高压管线一端连接套管试压接头，另一端连接打压泵，中间串接高精度压力计。

（4）开始打压至3MPa左右，然后排气，往复3次以上，确保空气排干净。

（5）开始打压至30～60MPa，每10MPa一个台阶，每个压力段稳压15min，然后再打压至65MPa，稳压15min。泄压至零，将数字式配水器取出，观察钢体是否变形，配水器内腔是否进水。整体测试配水器在60MPa环境下密封性合格。

2.2 配水器流量自动调节测试

设置配水器配注量及自动测调时间间隔后，将其安装于流量测试装置内，启动流量测试装置入口开关。预设流量10m3/d，开始自动测调，第一次测调给定流量20m3/d，经过自动测调后，注水量达到10m3/d；第二次测调给定流量7m3/d，经过自动测调后，注水量达到10m3/d，流量满足5%误差，实现了水量自动测调（图4）。

图4 水量自动测调测试过程

2.3 远程无线通信测试

将配水器安装于模拟井中，将井筒内注满水，模拟现场注水工况，由地面控制器向模拟井中配水器发送流体波码，连续执行全开、50%开度、全关操作，指令发送后，接收配水器反馈动态信息，并与指令对比，符合率达100%。

3 现场应用效果

波码通信数字式分注技术已在长庆油田成功应用1200余口井，地面至井下无线通信距离达到2800m。通过井下分层流量的自动测调，试验井分注合格率长期保持在90%以上，小层实现达标分注。同时，采油单位通过注水客户端软件，可实现对单井的远程监控及数据采集分析。其中塞392区块规模应用波码分注技术65口井，实施后水驱动用程度由67.8%升至80.7%，压力保持水平由85.6%提高到86.4%，月度递减率由0.71%降至0.41%，含水率上升幅度由1.50%降至-0.66%，阶段少递减原油1.07×104t。试验井纵向剖面明显改善，可对比井吸水厚度平均增加1.1m。如图5所示，H4-15井实施波码通信分注后，上层段由不吸水变为吸水，下段吸水剖面趋于均匀，吸水厚度增加了6m，剖面改善明显。

图5 H4-15井波码通信分注前后吸水剖面对比

X17-19井为两层分注井，2021年5月26日完井，上层配注16m3/d，下层配注8m3/d，根据远程监测曲线可知，两层均达标分注，并可反映出现场工况，8月13日上游注水泵停泵后，该井小层压力、流量发生变化（图6）。

图6 X17-19井分层监测数据曲线

4 结论

（1）波码通信数字式分注技术实现跨越式发展，免人工测调，井下流量自动测调，小层注水量达标分注。

（2）波码通信实现了近3km井筒内远距离双向信号的可靠传输，作业时无需放水泄压，可带压作业。

（3）可连续监测每层注水量、地层压力等大量数据，数据挖掘与应用的空间和潜力较大，结合压降试井解释和动态分析，确定小层合理配注量和注水压力，为注水方案优化提供决策依据。

（4）单井每年可节约测调费用5万元，在当前各油田降本增效的环境下，具有广阔的应用前景。