井下智能开关数据传输控制系统研制

童 星，马宏伟，李娅琪，廖红艳，杨佰阳

（中国石油化工股份有限公司河南油田分公司 石油工程技术研究院，河南 南阳 473000）

0 引言

国内油田多为多层系、非均质构造，采用注水开发方式，由于层系多，各地层的物性差异较大，各地层吸水量不同。

河南油田东部稀油调整区，注水作为油田稳产增产的重要措施之一，在油田开发中的地位越来越重要。目前，河南油田井下分注工艺主要有偏心分注、同心测调一体化分注和智能循环分注，测试调配主要以投捞测调为主。随着精细注水“三率”要求的不断提高，以及自动化、智能化油田的发展需要，在注水开发中仍然存在以下问题：

1）注水段井斜超过50°的井，无法进行常规投捞测试：张店油田有部分井分注段井斜超过50°，因无法测试目前合注，无法细分。

2） 人工投捞测试工作量大，测调费用高：近3 年实际测调井次均达不到计划测调井次，年平均测调费用较高。

3）钢丝测调存在仪器遇阻，掉落造成水井维护：2021年水井维护作业因测试遇阻、仪器掉落造成维护作业占比25%，同时仪器入井时易引起水质变化，导致水量测试精确度下降。

针对偏心分注、同心测调一体化分注等统注水工艺长期以来存在的各种缺点，开展有缆式智能测控注水工艺，可有效解决大部分问题。

有缆式智能测控注水工艺所使用的智能配水器集成了一体化可调水嘴，实现了水嘴免投捞，各注水层之间使用过电缆封隔器隔开，每层都有可独立控制的水嘴，用于调节单层注水量，可有效解决细分程度不高的问题。智能配水器长度短，配合管柱一起下井，适用于井斜超过60°的注水井，有效解决大斜度井传统注水工艺存在的作业困难问题。安装远程传输系统后，可实现远程在线测调，后续无现场测调费用，大幅节省人员成本、车辆成本、设备作业成本等，不存在钢丝测调存在的仪器遇阻、掉井等风险和人员安全风险，在日常测调过程中无修井费用。

有缆式智能测控注水工艺支持远程在线测调功能，可通过有线或无线网络将各层数据实时传达中控室，实现中控室内远程在线测调功能，并且可通过升级软件支持自动测调，进一步降低人员成本，符合数字化油田建设大趋势[1-4]。

1 井下智能开关数据传输控制系统构成

分注井智能测调系统是一种新型油田分层配注、封隔器在线验封、自动压降测试技术。系统基本原理如图1 所示，每个注水层安装井下智能开关配水器。每层间用过电缆可反洗封隔器隔开，分注管柱工具段使用钢管电缆连接，在工具段顶端使用钢管电缆或者转接为塑皮铠装电缆连接到地面控制器，配套软件具备分层注入流量、注入压力、温度、地层压力等数据的实时监测，水嘴开度调控、流量调配、数据保存等功能。该系统包含地面控制器、过电缆封隔器、井下智能开关配水器、电缆、井口密封等配套工具，及地面远传终端控制系统。其原理为：

图1 井下智能开关数据传输控制系统Fig.1 Underground intelligent switch data transmission control system

图2 井下智能开关配水器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of underground intelligent switch water distributor structure

1）每个注水层安装井下智能开关配水器，层间用过电缆封隔器隔开。

2）井下智能开关配水器与地面控制器之间使用单芯电缆进行供电和双向电缆载波数据通信。

3）井下智能开关配水器实现了井下分层注入流量、注入压力、温度的实时监测，当水嘴关闭时进行地层恢复压力测试。

4）通过对油管内部压力和地层压力的实时监测，实现封隔器在线验封功能。

5）单芯电缆敷设在油管外部，在油管接箍处安装电缆保护器对电缆进行保护。

6）电缆穿过井口采油树通过高压三通引出，通过井口密封装置密封。

7）井下智能开关配水器将采集到的数据，通过地面远传控制系统将数据传回终端中控，终端中控根据需求调配当前井数据参数。

2 井下智能开关配水器

2.1 主体结构

井下智能开关配水器，包含上接头、外护管、下接头、中心过流管、流量测量装置、水嘴调节装置、验封组件、电路控制单元。上下接头通过中心与外护管连接，流量测调装置、电机水嘴调节装置、验封组件、电路控制单元分布在中心过流管与外护管的环空密封空间内，水嘴组件与压力传感器内置在下接头体内，验封组件包含内压传感器、外压传感器、温度传感器。

井下智能开关配水器实现单层注入流量、注入压力、温度、地层压力、水嘴开度的实时监测，并把测得数据实时传输到地面控制器，能够根据命令或自动实现水嘴开度调节，从而调节分层注入流量。

2.2 流量测量

常规井下仪器集成的流量计多采用浮子流量计、超声流量计、电磁流量计、涡街流量计、差压流量计等主流测量方式。

浮子流量计的优点是量程比较高，缺点是具有运动部件，涉及的电子电路较复杂，对井下长期使用的恶劣工况难以适应，浮子容易卡死。

超声流量计和电磁流量计的优点是量程比很大，测量精度高；缺点是探头易结垢、沾污、机械密封校点多，电路复杂，井下长期使用可靠性差等缺点。

涡街流量计传感器长期振动容易损坏。

差压流量计的优点是结构简单、体积小，容易集成在仪器内部，无运动部件、耐腐蚀锈蚀，电路简单等；缺点是量程比相对较小，但从井下长期使用可靠性方面考虑，井下智能开关配水器选择差压式流量计作为流量测量方式。

差压式流量计由过流通道、节流孔、孔前压和孔后压传感器组成。其测量原理为：流体流过节流孔时由于孔径变小，过流截面积减小，导致流速增加，在节流孔前方和后方产生压力差[8]。

井下智能开关配水器的注入液从上接头流入，经中心过流通道进入下接头，其中一部分注入液经差压流量计流出水嘴注入目标地层，在差压流量计的节流孔前方和后方位置分别设计有孔前压和孔后压传感器组件，相关电路采集两个压力传感器输出的电信号测量孔板前后的压差，而后通过计算取得井下智能开关配水器的流量数据。井下智能开关配水器的差压流量计结构如图3 所示，其流量计算公式为

图3 流量计原理及结构示意图Fig.3 Schematic diagram of flow meter principle and structure

图4 井下智能开关配水器电气隔离示意图Fig.4 Electrical isolation diagram of underground intelligent switch water distribution device

式（1）中，∆P——孔口前后差压（Pa）；A——孔口面积（m2）；ρ——流体的密度（kg/m3）；Cd——流量系数；qv——流量（m3/s）。

更换不同尺寸的节流孔板，可实现不同流量的测量。

2.3 井下到地面数据传输技术

智能配水器设计有电力载波通信电路，包含解码电路与发码电路，具有独立的接收和传输数据功能解码电路，不需要借助其它设备，直接通过井下电缆与地面控制器实行双向通讯。

智能配水器把采集的数据信号通过电力载波的方式耦合到电缆上，传输到地面，地面控制器把信号从电缆上提取出来，进行滤波、放大、比较，输入到单片机，安装固定的协议对数据解码，完成井下到地面的数据传输，同理实现地面到井下的数据传输。

(3) 2009-2011年，煤制油、甲醇制烯烃、甲醇制汽油、乙二醇等示范装置相继投入运行；第一个煤制天然气示范项目甲烷化装置也于2012年7月28日产出合格天然气。会议将就相关示范装置的运行情况、经济性等组织交流。

井下智能配水器对地面控制器下发的命令进行解析，根据地面命令执行相应的功能，如调节水嘴开度、数据采集直读、井下仪设备号信息设置等。每支井下仪均有固定的地址，采用总线寻找的方式，各层之间数据稳定无干扰。

2.4 在线验封

井下智能开关数据传输控制系统具有自动在线验封的功能。

具体实施方法：使用上位机软件分别向井下智能开关配水器发送控制命令，按照一定的方案调节各层水嘴开关，同时保持井口注水压力不变，在上位机软件上查看上传的油套环空外压力。若封隔器密封合格，水嘴全关时，当前注水层环空外压力应当保持不变；水嘴全开时，当前注水层环空外压力会随井口注水压力的变化而变化。在井口注水压力保持不变时，相邻两层环空外压力不同，差值保持不变，以此来判断层间密封是否合格[5-7]。

2.5 电气隔离性能

单支仪器损坏不影响总线上其他仪器的正常工作。

井下智能开关配水器集成了电气隔离性能，使用一根单芯电缆从最底层依次串接至地面控制器，每层有缆智能测调分注仪内置限压、限流保护电路。当存在井下智能开关配水器损坏的极端情况下，该层损坏的仪器不影响其它层仪器，其它层井下智能开关配水器仍可继续正常工作。

3 过电缆封隔器

采用过电缆封隔器实现各个注水层之间的封隔，电缆采用钢管电缆，无需将电缆截断，整根电缆直接穿越封隔器，减少了井下密封点数量，有效提高系统长期使用可靠性。

过电缆封隔器，主要由上下接头、胶筒组件、上下活塞、活塞缸、坐封销钉、解封销钉、卡瓦锁定机构、洗井套、中心管、电缆通道、电缆密封头等组成。

解封：施工完成后，上提油管，依靠胶筒与套管内壁摩擦力，支撑封隔器外部元件保持不动，内部中心管上行。当上提力达到3T ～4T 左右时，解封销钉剪断，继续上提，胶筒回弹，封隔器解封完成。

4 地面远传终端控制系统介绍

井下智能开关配水器与地面控制器之间使用单芯电缆进行供电和双向电缆载波数据通信，可对井下单层注水量、注水压力、温度、水嘴开度等参数进行实时采集，在地面控制器上实现数据直读、实时控制、监测及存储等功能。

地面控制器可以通过有线或无线网络，将井口数据传输到用户的中控室，对采集的数据进行实时显示，流量测调、精细配注、在线验封等功能。

地面控制器由主机外壳、数据显示组件、测控电路板、电力载波数据通信组件等部分组成。

地面控制器的电气框图如图5 所示，包含电源模块、数据显示模块、电源短路保护模块、时钟模块、存储模块、电缆载波通信模块、通用接口模块等。

图5 地面控制器电气框图Fig.5 Electrical block diagram of ground controller

图6 XX-X井 测试数据曲线图Fig.6 Test data curve of well XX-X

其中，电缆载波通信组件包括电缆载波发码电路和解码电路，主要实现与井下智能开关配水器的双向数据通信。通用接口包含RS485、RJ45 等接口，实现地面控制器在井口与其他仪器和设备连接，也可以通过有线或无线方式与计算机、远程控制中心进行双向数据通信与指令控制。存储模块可以对连续采样数据及地面发送的指令进行存储。

5 现场试验

2023 年河南油田开展了1 口井现场试验，初步实现了井下分层注入流量、分层压力、温度等生产动态数据的实时监测与控制，在线验封，为油藏注采动态调整和精细水驱挖潜提供决策依据。

试验井XX-X，井深1883.46m，井斜54.01°，施工管柱为三封四配管柱。

6 结论及认识

1）该技术实现井下各层配注信息的实时监测：其能够全自动地对每个地层注入信息实时监测，实现精细分注，合理补充地层能量，提高采收率。

表1 现场数据Table 1 Field data

2）该技术实现封隔器验封：通过管内外压力的测量，实现封隔器的在线验封。

3）可以在远程终端进行数据实时监测与命令控制，实现油田数字化。

4）可分层配注层数多，动力充足，无需投捞作业和水嘴对接，调整速度快，无额外测调费用，自动测调，实现“注够水，注好水”。

5）现场试验表明本系统可较好实现分层流量调配，流量测调误差控制在10%以内，长期监测和地面实时显示各分注层动态参数，为油藏注采动态调整和精细水驱挖潜提供决策依据。