渤海油田远程无线智能注水工艺技术及应用*

2021-11-16张艺耀谭绍栩孙帅帅

石油机械 2021年11期

冯硕张艺耀李进谭绍栩孙帅帅毕闯

(中海石油(中国)有限公司天津分公司)

0 引言

渤海油田以浅层疏松砂岩油藏为主，具有强非均质性特点的油藏较多，常规笼统注水无法实现高效注水开发。为了提高油田注水开发效果，提高采收率，分层配注和调配工艺技术近年来在渤海油田的应用越来越广泛[1-2]。目前，渤海油田常用分层配注工艺技术主要为一投三分、空心集成、同心测调、同心分注和自提升式防返吐分层注水等[3-5]。近年来，大斜度井和大位移注水井在渤海油田占比逐年增加，根据统计资料，占比超过20%的注水井为大斜度井或大位移井。常规注水井分层调配工艺主要通过电缆、钢丝或动管柱作业，其中电缆或钢丝作业仅适用于60°以内井斜角的定向井[6-7]。因此，受井斜的影响，常规分层注水工艺无法满足大斜度井和大位移井注水需求，且作业成功率较低，作业成本高。同时，无人平台面临注水井调配困难及施工成本高等难题[8-10]。因此，为了满足大斜度井、大位移井和无人平台注水井分层配注和调配的需求，研发和应用了远程无线智能注水工艺技术，实现了远程无线智能分层配注。

1 远程无线智能注水装置

远程无线智能注水装置主要由井下智能配水器、地面控制部分和远程控制系统组成，是一套无线可视化生产控制系统。该系统通过实时监控单井注水情况，可配合整个区块注水与产量情况，进行大数据分析，有效改善储层开发效果。

1.1 井下智能配水器

井下智能配水器主要通过接收井口控制器信号，依靠自身电路系统调节水嘴开度，从而达到调节注水量的目的，同时智能配水器还具备记录压力、温度以及流量的功能。智能配水器由配水器控制供电系统、控制电路系统、软件处理系统、工作状态定位系统、电子压力计、电动可调水嘴和机械过滤器等构成，具备压力传感器、温度传感器和流量计，可监测地层压力和温度等数据，配备有可调节的水嘴，通过调节工作筒水嘴开度可调节注水层注水量。该配水器采用高强度合金，具有良好的抗冲蚀和防结垢等特性。智能配水器工作筒结构示意图如图1所示。

1—工作筒；2—检测电路；3—电动机；4—接收器；5—数据存储器；6—电池；7—开关器。

目前，智能配水器有三大系列可满足各尺寸防砂封隔器的要求，其中单井最大注水量可达到3 000 m3/d，完全满足渤海油田大部分注水井测调需求。智能配水器压力工作范围0～65 MPa，耐温120 ℃，因为不受井斜限制，故适用于渤海油田大斜度井、大位移井或水平套管井的分层注水需求。井下智能配水器参数如表1所示。

表1 井下智能配水器参数Table 1 Parameters of downhole intelligent water injection allocator

1.2 地面控制部分

井口控制器是连接井下执行器和电脑终端的中枢机构，通过流量计和压力计能够完成对注水井井下数据的读取，并通过相关通信模块完成地面指令发送的任务。井口控制器总成包括流量计、调制解调器和压力计。该部分的主要功能包括采集和传送井下分层压力与流量数据，自动智能控制井下分层流量，按指令调整电动可调水嘴的开度，实现井下仪器的调试。井口控制器流量计的参数如下：测量精度1%，重复性优于0.5%，起始最小流量0.05 m3/h，最大量程50 m3/h，工作电压220 VAC/12 VDC，功耗0.5 W，防护等级IP65。井口控制器压力计的参数如下: 工作电压12 VDC，功耗0.25 W，控制精度0.2%，压力测量范围0～60 MPa。井口控制器结构示意图如图2所示。

图2 井口控制器结构示意图Fig.2 Structure of wellhead controller

1.3 远程控制系统

远程控制系统是指智能分层注水控制系统，它主要由地面计算机系统、无线网络或互联网、地面与井下智能配水器之间的通信网络组成，可实现智能配水器与远程终端的双向通信。智能分层注水控制系统主要功能包括控制中心与井口通信连接，实现人机对话；实现总流量、分层流量、流程压力、注水压力以及井口控制器状态等远程数据的接收与控制；通过远程终端计算机实现数据的显示、存储、分析和实时控制。

2 远程无线智能分层注水技术

远程无线智能分层注水技术地面计算机系统主要是通过压电脉冲和编译通信波实现井口控制器与井下智能配水器的双向控制与通信；可通过地面布线或安装SIM卡实现地面计算机或手机远程对智能配水器的监测与控制，针对海上油田特殊情况，主要以地面计算机为主，实时反映各层注入压力、水嘴开度和注入流量等注水数据。

远程智能信号波是完成井下井上信息传递的媒介，通过水嘴开关，造成水嘴前后压力变化，形成一条波，每5条波构成一组信号波。由井上传递至井下的波叫指令波，由井下传递至井上的波叫状态波。远程智能信号波原理如图3所示。

图3 远程智能信号波原理图Fig.3 Schematic diagram of remote intelligent signal wave

井上至井下的指令波：地面调制解调器连续关闭5次水嘴，关闭的时间长短代表不同的指令。

井下至井上的状态波：前两波为数据类型，后三波为数据值(其中第三波代表整数部分，第四波代表小数点，第五波代表小数部分。)

远程无线智能分层注水技术全程免投捞，通过远程操控井下执行器进行测调作业，调配过程相较于普通分层注水简单，作业工期短，可实现后期调配低成本。可通过远程无线控制和数据实时传送，控制各层段的注水误差，随时读取和存储各层段注水压力与注入流量等数据；同时井下智能配水器多达72个开度，可实现精细调配和控制，确保注水误差小于10%，全井注水误差不超过5%。材质上采用陶瓷水嘴，耐井下液体冲蚀，同时也能防止结垢。全程可视化注水与调配，可直观读取每层注水数据；可储存记录注水曲线，实现回读历史注水曲线，全面了解地层吸水规律。数字化管理，生产过程实现计算机远程控制与调配。

3 现场应用

K平台为渤海油田首座智能无人化平台。该平台依托国内现有无人化开发模式，以远程数据采集及视频监控为主要手段，生产流程和设备具备完善的智能控制条件，最大限度地减少了人员登无人平台的频率和相关作业时间。M井为该平台沙河街组2井区的一口大位移注水井，一开ø406.4 mm井眼至652.00 m，下ø339.7 mm套管至651.24 m；二开ø311.2 mm井眼至3 633.00 m，下ø244.5 mm套管至3 629.80 m；三开ø215.9 mm井眼至完钻井深4 424.00 m，下ø177.8 mm尾管至4 419.60 m，最大井斜为68.3°。M井注水层位为东三段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ油组，射开纯油层27.2 m，分3个防砂段注水，设计最大井口注入压力12.5 MPa，设计注入能力为374 m3/d。为了提高油田注水井注水的开发效果，需按各层的配注量实施分层调配，M井整井设计日配注量为300 m3/d，其中第一段设计日配注量为115 m3/d，第二段设计日配注量为110 m3/d，第三段设计日配注量为75 m3/d。

M井968.57～4 424.00 m(井底)井斜超过60°，常规分层注水工艺无法满足分层调配的要求，且在该无人平台常规分层注水工艺无法实现智能调配，因此采用无线智能注水技术工艺。现场将井口控制器通过串联的方式安装在油嘴与流程之间，通过从电泵间连接电压为4.5 V的电源线为井口控制器供电，通过连接另一条数据线至中控，中控电脑通过专用的调配软件可以实现对井下智能注水器的智能控制。

为了评价M井注入能力及油层吸水能力的大小，分析注水井工作制度及油层吸水能力的变化，通过智能分层注水控制系统调整井下智能配水器开度至全开状态，对地层进行全开吸水指数测试，测试结果如表2所示。由表2可以看出，第一层至第三层吸水指数分别为35、20和18 m3/ (d·MPa)，第一层吸水能力最好，第二层和三层次之。

表2 M井吸水指数测试Table 2 Injectivity index test for Well M

在地层吸水指数测试的基础上，为了提高注水开发效果，需要按照表3所示设计配注量调节井下流量：关第三层配水器，关第二层配水器，按照配注调整第一层配水器；开启第二层，按照地质配注调整第二层配水器；开启第三层，按照地质配注调整第三层配水器。

表3 M井流量调配数据Table 3 Flow allocation data for Well M

通过远程调配，井下配水器第一层开度为2，第二层开度为8，第三层开度为1；在井口压力为11.3 MPa时，第一、二、三层均达到设计配注量的配注要求，且与设计误差小于1%。最终调配结果如表4所示。地面调配软件实时界面如图4所示。

表4 最终调配流量对照Table 4 Comparison of final allocated flow rates

图4 地面调配软件实时界面Fig.4 Real-time interface of ground allocation software

同时，通过地面流量计和井下流量计的流量对比，校核井下配水器流量显示的准确性，结果如表5所示。由表5可知，地面流量计与井下配水器流量计显示误差较小，满足作业要求。M井于2019年10月26日投注，初期配注300 m3/d，实际注入量302 m3/d，井口压力7.0 MPa，注水正常。截至2021年1月21日，M井井口注入压力11.5 MPa，注入量286 m3/d，注水正常。