基于波码通讯的分层注水装置设计与实现

赵新胜，白文雄，郭 栋，师德俊，李晓平，毛 勇，孙 琦

(1．长庆油田分公司机械制造总厂 陕西 西安 710201；2. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077)

0 引 言

长庆油田是典型的超低渗油田，98%的油藏采用注水开发。目前常规分层注水技术以桥式同心分注和桥式偏心分注为主[1]，单井测调周期长，一般维持在每年1.5～2次，同时人工测调工序繁杂，配套设备费用高，测调遇阻频发导致后期检测、带压作业费用高，受压力波动、地层吸水能力变化等因素影响，超过3个月注水合格率将会大幅下降[2]，难以满足油田精细化分层注水的需要。2020年桥式同心分注年测调遇阻率在11%，桥式偏心分注年测调遇阻率在18%，常规的分层注水在后期的维护过程中需投入更多的人力物力。由于这些问题引起的多注、少注会造成采油过程中含水率升高、水驱率下降，直接影响采油厂生产指标。

为解决常规分层注水的问题，长庆油田探索应用了数字式分层注水技术，将原来测调的功能分成控制和执行2个部分，分配到地面控制器和井下数字式配水器中，由地面控制器下发配水指令，井下数字式配水器完成水嘴调节，这样就可以很大程度提高数据的采集密度，能及时根据地层工况变化调整注水工艺，保证较高的注水合格率，达到增产增效的目的[3]。

地面控制器和数字式配水器的连接方式分为有缆式和无缆式2种。其中有缆式是通过铠装电缆把地面控制器与各层的数字式配水器串联起来，以电源载波的形式在地面控制器和配水器之间进行数据交互，达到指令下发和数据回传的目的。有缆分层注水技术在定向井中，配水器下井过程电缆保护难度大，无法满足带压作业要求，制约了该技术的推广应用。无缆式也叫波码式，其依据液体的不可压缩性，通过改变井口注水压力的大小产生压力波实现信息的传递。基于波码通讯的分层注水技术打破了常规分层注水无法实现数据连续采集、实时下发配置信息的禁锢。随着波码通信技术日趋成熟，逐渐代替了常规分层注水、有缆式分层注水。

本文介绍了基于波码通信的分层注水装置的系统组成、通讯原理、编码规则及波码指令传输，并进行了现场应用，实现了分层注水量自动测调、分层注水数据连续监测，提高了注水合格率。

1 基于波码通讯的分层注水装置系统组成

基于波码通讯的分层注水装置组成如图1所示，由装有地面控制器、协议箱的地面配水阀组和安装在井下的多个数字式配水器[4]组成。带压的水经地面配水阀组进水口，流进地面控制器后进入注水井口，再从注水井的油管流到井下数字式配水器，经不同层位配水器水嘴，进入到地层中。

1—地面配水阀组；2—地面控制器；3—协议箱；4—注水井口；5—油管；6—油管井底部分；7、8—数字式配水器。图1 基于波码通讯的分层注水装置组成图

1.1 地面控制器

地面控制器结构如图2所示。它能够接收注水站站控系统通过协议箱发送的配注指令，将配注量转换成水嘴开度，再以波码的形式将指令传递给井下不同层位的数字式配水器，实现分层注水量调节。当各层配注量调节完成后，就实现了整口井注水量的调节。

1—电磁流量计；2、3—压力传感器；4—配对法兰；5—电控调节阀；6—主控装置。图2 地面控制器结构图

1.2 数字式配水器

数字式配水器结构如图3所示。它用于识别地面控制器发送的波码指令，通过波码解析到该层位的配注量后调节水嘴大小[5]，实现注水量调节。调节完成后配水器进入休眠状态，等待下一次配注指令到来将自动唤醒。同时数字式配水器具有向地面控制器传递数据的功能，当数字式配水器被唤醒后，通过有规律的开关水嘴，引起井筒内水压变化，向地面控制器传输记录的井下各层的注水压力、流量、温度等数据。

1—上接头；2—中心过流通道；3—电池；4—压力传感器；5—控制电路；6—电机；7—机电一体化水嘴；8—外护管；9—下接头。图3 数字式配水器结构图

1.3 地面配水阀组

地面配水阀组根据分层注水井的数量进行设计，1个阀组可满足多口注水井分层注水的需求。地面配水阀组通过协议箱接收站控系统的指令，并将指令传递给地面控制器，地面控制器再传递给井下各注水层的数字式配水器，实现远程配注。地面配水阀组结构如图4所示。

1—电动球阀；2—电热板；3—分水器；4—压力变送器；5—协议箱； 6—闸阀；7-地面控制器组成。图4 地面配水阀组结构

2 波码通信的原理及编码规则

波码通信技术[6]以井筒内的水为载体，通过短时间改变地面控制器电控调节阀或井下数字式配水器水嘴的开度，建立井筒内的流量波动，并将流量波动转换为压力信号，实现地面至井下数据或井下至地面数据的长距离无线传输。波码通信技术采用压力+时长的编码方式进行指令编码，低位为信息码，长度根据传递信息变化,高位为间隔码，长度始终保持不变。

地面向井下的指令编码由“唤醒码+层位码+开度码+结束码”组成，其中，唤醒码代表唤醒各层数字式配水器，层位码代表明确执行指令的数字式配水器所处层位，开度码代表数字式配水器水嘴应打开的开度值，结束码代表提示数字式配水器指令结束。

层位通过长短不同的时间段表示，S是指令发送间隔时长，不同层位编码就是S的倍数，编码如表1所示。

表1 层位编码

为提高波码识别率，水嘴开度用K1+K2两个不同的时间段标示，如设第二层数字式配水器的开度为3，波形如图5所示。

T-唤醒码时长；S-指令发送间隔时长；C1-层位码；K1+K2-井下数字式配水器水嘴开度码。图5 地面向井下传输指令编码

同理也可以编制从井下向地面指令的编码。在编码过程中，要根据注水井的深度，确定压力波从地面传至井底和从井底传至地面的时长，即指令发送间隔时长，如果时长不够，波码识别率会大大降低。同时为了提高压力波的辨识度，发送指令时，尽量在井筒内形成较大压差。

3 基于波码通讯的分层注水装置的指令传输

3.1 地面向井下的指令传输

地面配水阀组按照站控系统发送的指令，通过控制地面控制器调节阀的开度，规律性地改变注水井油管中的注水流量，建立井筒内的压力波动；如果调节阀无法形成较大压差，可以用地面配水阀组的电动球阀开关，传递波码指令，发送指令流程如图6所示，在井下产生压力波动信号[7]，完成波码指令的传输。井下数字式配水器集成的压力变送器监测并存储压力值，配水器的控制器调取压力值并解析压力波，将其转换为控制信号来控制水嘴开度，实现不同地层注水流量的调节，接收指令流程如图7所示。

图6 地面控制器向井下发送波码流程

图7 数字式配水器接收波码流程

3.2 井下向地面的数据传输

数字式配水器根据井下数据发送指令控制水嘴开度，建立注水井的井筒流量波动，并在井口产生压力波动信号，地面控制器实时监测井口压力值，将监测到的压力波信号解析成数据，实现井下分层注水流量、压力和温度等动态数据向地面有效传输。

4 应用情况

2020年至2021年，该装置已经推广应用43套，注水井共计109口，最远通讯距离超过2 500 m，试验区注水井的含水上升速度稳定，分注合格率达到87%以上，水驱开发效果改善明显。

基于波码通信的分层注水装置替代传统的人工测调，实现分层注水量远程调节，测调周期由8个月缩短至1个月，分注合格率提升26%，连续获取分层注水的流量、压力、温度等数据为油田开发精准注水提供了数据支撑。

5 结 论

1)基于波码通信技术研制的分层注水装置，实现了注水井层间分层注水，能有效提高水驱储量控制程度、动用程度，改善油藏开发效果，提高采收率。

2)波码通信分层注水技术相较于传统分注技术，具有测调效率高、无遇阻问题、无需测调费用投入等优点。但由于受电池储能及转换效率影响，井下数字式配水器的工作频次具有一定的局限性，如何解决供电问题将是下一个需要攻克的难题。