井下智能開關數據傳輸控制系統研制

童 星，馬宏偉，李婭琪，廖紅艷，楊佰陽

（中國石油化工股份有限公司河南油田分公司 石油工程技術研究院，河南 南陽 473000）

0 引言

國內油田多為多層系、非均質構造，采用注水開發方式，由于層系多，各地層的物性差異較大，各地層吸水量不同。

河南油田東部稀油調整區，注水作為油田穩產增產的重要措施之一，在油田開發中的地位越來越重要。目前，河南油田井下分注工藝主要有偏心分注、同心測調一體化分注和智能循環分注，測試調配主要以投撈測調為主。隨著精細注水“三率”要求的不斷提高，以及自動化、智能化油田的發展需要，在注水開發中仍然存在以下問題：

1）注水段井斜超過50°的井，無法進行常規投撈測試：張店油田有部分井分注段井斜超過50°，因無法測試目前合注，無法細分。

2） 人工投撈測試工作量大，測調費用高：近3 年實際測調井次均達不到計劃測調井次，年平均測調費用較高。

3）鋼絲測調存在儀器遇阻，掉落造成水井維護：2021年水井維護作業因測試遇阻、儀器掉落造成維護作業占比25%，同時儀器入井時易引起水質變化，導致水量測試精確度下降。

針對偏心分注、同心測調一體化分注等統注水工藝長期以來存在的各種缺點，開展有纜式智能測控注水工藝，可有效解決大部分問題。

有纜式智能測控注水工藝所使用的智能配水器集成了一體化可調水嘴，實現了水嘴免投撈，各注水層之間使用過電纜封隔器隔開，每層都有可獨立控制的水嘴，用于調節單層注水量，可有效解決細分程度不高的問題。智能配水器長度短，配合管柱一起下井，適用于井斜超過60°的注水井，有效解決大斜度井傳統注水工藝存在的作業困難問題。安裝遠程傳輸系統后，可實現遠程在線測調，后續無現場測調費用，大幅節省人員成本、車輛成本、設備作業成本等，不存在鋼絲測調存在的儀器遇阻、掉井等風險和人員安全風險，在日常測調過程中無修井費用。

有纜式智能測控注水工藝支持遠程在線測調功能，可通過有線或無線網絡將各層數據實時傳達中控室，實現中控室內遠程在線測調功能，并且可通過升級軟件支持自動測調，進一步降低人員成本，符合數字化油田建設大趨勢[1-4]。

1 井下智能開關數據傳輸控制系統構成

分注井智能測調系統是一種新型油田分層配注、封隔器在線驗封、自動壓降測試技術。系統基本原理如圖1 所示，每個注水層安裝井下智能開關配水器。每層間用過電纜可反洗封隔器隔開，分注管柱工具段使用鋼管電纜連接，在工具段頂端使用鋼管電纜或者轉接為塑皮鎧裝電纜連接到地面控制器，配套軟件具備分層注入流量、注入壓力、溫度、地層壓力等數據的實時監測，水嘴開度調控、流量調配、數據保存等功能。該系統包含地面控制器、過電纜封隔器、井下智能開關配水器、電纜、井口密封等配套工具，及地面遠傳終端控制系統。其原理為：

圖1 井下智能開關數據傳輸控制系統Fig.1 Underground intelligent switch data transmission control system

圖2 井下智能開關配水器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of underground intelligent switch water distributor structure

1）每個注水層安裝井下智能開關配水器，層間用過電纜封隔器隔開。

2）井下智能開關配水器與地面控制器之間使用單芯電纜進行供電和雙向電纜載波數據通信。

3）井下智能開關配水器實現了井下分層注入流量、注入壓力、溫度的實時監測，當水嘴關閉時進行地層恢復壓力測試。

4）通過對油管內部壓力和地層壓力的實時監測，實現封隔器在線驗封功能。

5）單芯電纜敷設在油管外部，在油管接箍處安裝電纜保護器對電纜進行保護。

6）電纜穿過井口采油樹通過高壓三通引出，通過井口密封裝置密封。

7）井下智能開關配水器將采集到的數據，通過地面遠傳控制系統將數據傳回終端中控，終端中控根據需求調配當前井數據參數。

2 井下智能開關配水器

2.1 主體結構

井下智能開關配水器，包含上接頭、外護管、下接頭、中心過流管、流量測量裝置、水嘴調節裝置、驗封組件、電路控制單元。上下接頭通過中心與外護管連接，流量測調裝置、電機水嘴調節裝置、驗封組件、電路控制單元分布在中心過流管與外護管的環空密封空間內，水嘴組件與壓力傳感器內置在下接頭體內，驗封組件包含內壓傳感器、外壓傳感器、溫度傳感器。

井下智能開關配水器實現單層注入流量、注入壓力、溫度、地層壓力、水嘴開度的實時監測，并把測得數據實時傳輸到地面控制器，能夠根據命令或自動實現水嘴開度調節，從而調節分層注入流量。

2.2 流量測量

常規井下儀器集成的流量計多采用浮子流量計、超聲流量計、電磁流量計、渦街流量計、差壓流量計等主流測量方式。

浮子流量計的優點是量程比較高，缺點是具有運動部件，涉及的電子電路較復雜，對井下長期使用的惡劣工況難以適應，浮子容易卡死。

超聲流量計和電磁流量計的優點是量程比很大，測量精度高；缺點是探頭易結垢、沾污、機械密封校點多，電路復雜，井下長期使用可靠性差等缺點。

渦街流量計傳感器長期振動容易損壞。

差壓流量計的優點是結構簡單、體積小，容易集成在儀器內部，無運動部件、耐腐蝕銹蝕，電路簡單等；缺點是量程比相對較小，但從井下長期使用可靠性方面考慮，井下智能開關配水器選擇差壓式流量計作為流量測量方式。

差壓式流量計由過流通道、節流孔、孔前壓和孔后壓傳感器組成。其測量原理為：流體流過節流孔時由于孔徑變小，過流截面積減小，導致流速增加，在節流孔前方和后方產生壓力差[8]。

井下智能開關配水器的注入液從上接頭流入，經中心過流通道進入下接頭，其中一部分注入液經差壓流量計流出水嘴注入目標地層，在差壓流量計的節流孔前方和后方位置分別設計有孔前壓和孔后壓傳感器組件，相關電路采集兩個壓力傳感器輸出的電信號測量孔板前后的壓差，而后通過計算取得井下智能開關配水器的流量數據。井下智能開關配水器的差壓流量計結構如圖3 所示，其流量計算公式為

圖3 流量計原理及結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of flow meter principle and structure

圖4 井下智能開關配水器電氣隔離示意圖Fig.4 Electrical isolation diagram of underground intelligent switch water distribution device

式（1）中，?P——孔口前后差壓（Pa）；A——孔口面積（m2）；ρ——流體的密度（kg/m3）；Cd——流量系數；qv——流量（m3/s）。

更換不同尺寸的節流孔板，可實現不同流量的測量。

2.3 井下到地面數據傳輸技術

智能配水器設計有電力載波通信電路，包含解碼電路與發碼電路，具有獨立的接收和傳輸數據功能解碼電路，不需要借助其它設備，直接通過井下電纜與地面控制器實行雙向通訊。

智能配水器把采集的數據信號通過電力載波的方式耦合到電纜上，傳輸到地面，地面控制器把信號從電纜上提取出來，進行濾波、放大、比較，輸入到單片機，安裝固定的協議對數據解碼，完成井下到地面的數據傳輸，同理實現地面到井下的數據傳輸。

(3) 2009-2011年，煤制油、甲醇制烯烴、甲醇制汽油、乙二醇等示范裝置相繼投入運行；第一個煤制天然氣示范項目甲烷化裝置也于2012年7月28日產出合格天然氣。會議將就相關示范裝置的運行情況、經濟性等組織交流。

井下智能配水器對地面控制器下發的命令進行解析，根據地面命令執行相應的功能，如調節水嘴開度、數據采集直讀、井下儀設備號信息設置等。每支井下儀均有固定的地址，采用總線尋找的方式，各層之間數據穩定無干擾。

2.4 在線驗封

井下智能開關數據傳輸控制系統具有自動在線驗封的功能。

具體實施方法：使用上位機軟件分別向井下智能開關配水器發送控制命令，按照一定的方案調節各層水嘴開關，同時保持井口注水壓力不變，在上位機軟件上查看上傳的油套環空外壓力。若封隔器密封合格，水嘴全關時，當前注水層環空外壓力應當保持不變；水嘴全開時，當前注水層環空外壓力會隨井口注水壓力的變化而變化。在井口注水壓力保持不變時，相鄰兩層環空外壓力不同，差值保持不變，以此來判斷層間密封是否合格[5-7]。

2.5 電氣隔離性能

單支儀器損壞不影響總線上其他儀器的正常工作。

井下智能開關配水器集成了電氣隔離性能，使用一根單芯電纜從最底層依次串接至地面控制器，每層有纜智能測調分注儀內置限壓、限流保護電路。當存在井下智能開關配水器損壞的極端情況下，該層損壞的儀器不影響其它層儀器，其它層井下智能開關配水器仍可繼續正常工作。

3 過電纜封隔器

采用過電纜封隔器實現各個注水層之間的封隔，電纜采用鋼管電纜，無需將電纜截斷，整根電纜直接穿越封隔器，減少了井下密封點數量，有效提高系統長期使用可靠性。

過電纜封隔器，主要由上下接頭、膠筒組件、上下活塞、活塞缸、坐封銷釘、解封銷釘、卡瓦鎖定機構、洗井套、中心管、電纜通道、電纜密封頭等組成。

解封：施工完成后，上提油管，依靠膠筒與套管內壁摩擦力，支撐封隔器外部元件保持不動，內部中心管上行。當上提力達到3T ～4T 左右時，解封銷釘剪斷，繼續上提，膠筒回彈，封隔器解封完成。

4 地面遠傳終端控制系統介紹

井下智能開關配水器與地面控制器之間使用單芯電纜進行供電和雙向電纜載波數據通信，可對井下單層注水量、注水壓力、溫度、水嘴開度等參數進行實時采集，在地面控制器上實現數據直讀、實時控制、監測及存儲等功能。

地面控制器可以通過有線或無線網絡，將井口數據傳輸到用戶的中控室，對采集的數據進行實時顯示，流量測調、精細配注、在線驗封等功能。

地面控制器由主機外殼、數據顯示組件、測控電路板、電力載波數據通信組件等部分組成。

地面控制器的電氣框圖如圖5 所示，包含電源模塊、數據顯示模塊、電源短路保護模塊、時鐘模塊、存儲模塊、電纜載波通信模塊、通用接口模塊等。

圖5 地面控制器電氣框圖Fig.5 Electrical block diagram of ground controller

圖6 XX-X井 測試數據曲線圖Fig.6 Test data curve of well XX-X

其中，電纜載波通信組件包括電纜載波發碼電路和解碼電路，主要實現與井下智能開關配水器的雙向數據通信。通用接口包含RS485、RJ45 等接口，實現地面控制器在井口與其他儀器和設備連接，也可以通過有線或無線方式與計算機、遠程控制中心進行雙向數據通信與指令控制。存儲模塊可以對連續采樣數據及地面發送的指令進行存儲。

5 現場試驗

2023 年河南油田開展了1 口井現場試驗，初步實現了井下分層注入流量、分層壓力、溫度等生產動態數據的實時監測與控制，在線驗封，為油藏注采動態調整和精細水驅挖潛提供決策依據。

試驗井XX-X，井深1883.46m，井斜54.01°，施工管柱為三封四配管柱。

6 結論及認識

1）該技術實現井下各層配注信息的實時監測：其能夠全自動地對每個地層注入信息實時監測，實現精細分注，合理補充地層能量，提高采收率。

表1 現場數據Table 1 Field data

2）該技術實現封隔器驗封：通過管內外壓力的測量，實現封隔器的在線驗封。

3）可以在遠程終端進行數據實時監測與命令控制，實現油田數字化。

4）可分層配注層數多，動力充足，無需投撈作業和水嘴對接，調整速度快，無額外測調費用，自動測調，實現“注夠水，注好水”。

5）現場試驗表明本系統可較好實現分層流量調配，流量測調誤差控制在10%以內，長期監測和地面實時顯示各分注層動態參數，為油藏注采動態調整和精細水驅挖潛提供決策依據。