智能敷纜連續復合管在油田水源井上的應用

解宇航 張繼紅 楊二龍 王舒婷

東北石油大學石油工程學院

某油田地處陜北黃土高原，區域溝壑縱橫，屬于暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，降雨不均，易于干旱，地表水資源貧乏，油田用水主要來自水源井。但水源井產水量不平穩[1]、相關參數無法讀取、起下管柱和動力電纜不便等原因，研制并應用了水源井智能敷纜連續復合管控制系統，實現了水源井智能控制。

復合連續管技術近年發展較快，宿振國、梅連朋等[2-6]進行了比較全面的研究、論證，主要應用在電潛泵采油[7-10]、分層注水[11-13]等領域，效果顯著；但由于水源井井下管柱組合的特殊性，主要由揚水管柱、動力電纜和信號電纜組成，普通復合連續管無法滿足需要，在水源井的應用也無先例，特研制集成了動力電纜和信號電纜的智能敷纜連續復合管，在水源井的試驗和應用效果顯著，具有較強的推廣和借鑒意義。

1 技術簡介

水源井敷纜連續復合管智能控制系統是基于智能復合連續敷纜管的技術，利用敷纜管柱內置信號纜及供電電纜，連接井下載波傳感器、深井泵、地面變頻控制系統及遠程檢測系統，實現水源井動態液位、出口壓力、流量、深井泵運行狀態的檢測，遠程傳輸給終端用戶，系統接收上位控制指令，可根據用戶用水量大小遠程啟?；蛘{參深井泵。

智能敷纜連續復合管內置信號電纜連接井下載波壓力溫度傳感器，實現井下液面、深井泵環境溫度、地面出口壓力的動態檢測，防止抽干及深井泵的燒毀。敷纜復合連續管內置供電電纜給井下深井泵供電，一方面可避免外置電纜作業磕碰損壞，另一方面將深井泵運行各項參數傳輸至地面變頻控制系統，并遠程傳輸給客戶端，同時地面控制系統遠程檢測流量，用戶可根據用水量遠程調參，實現水源井智能控制，提高了運行效率，節約了水源井的運行維護成本。

2 關鍵工具和配套裝置

2.1 智能敷纜連續復合管

智能敷纜連續復合管（圖1）由內襯層、增強層和外保護層組成（表1），內徑50 mm，外徑80 mm。內襯層和外保護層的材料為高密度聚乙烯（HDPE），增強層為芳綸長絲（Aramid filament）。內置三相動力電纜和兩根信號電纜。連接金具用于連接連續復合管體及其他金屬組件。通過金具的接頭轉換功能使得智能敷纜連續復合管能直接與現有井口及深井泵相連，接頭帶有密封、抗拉、電纜穿越三大功能，同時接頭上可安裝井下傳感器，用于監測井下壓力及溫度。

圖1 水源井智能敷纜連續復合管系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent cable-laying composite coiled tubing system for water supply wells

表1 智能敷纜連續復合管主要參數Tab.1 Main parameters of intelligent cable-laying composite coiled tubing

2.2 執行機構

水源井智能敷纜連續復合管系統執行機構通常由深井泵、沉砂裝置、安全接頭等組成。該部分機構主要對井下液體進行壓力補償，將液體通過智能敷纜連續復合管舉升至地面，并能有效防止停泵時管柱內的砂石堆積在泵口造成砂卡，同時為極端砂埋遇卡情況專門設計了安全逃生接頭組件，使井下部分安全可靠。

2.3 數據采集

水源井智能敷纜連續復合管系統數據機構由井下雙參數傳感器、井口流量計等組成。系統配備觸摸屏，能實時讀取、監測及顯示深井泵排量、井口流量及井下動液面等數據，全面精確地采集井下及井口各個方面的數據。并且預留了多個數據采集端口，可根據實際需求加裝更全面的數據采集傳感器。

采用高精度的井下雙參數傳感器，壓力精度可達0.1%FS，溫度精度可達1%FS，超高的精度為未來的精細化管理、精準開采以及智能化開采提供了無限的可能。該傳感器抗干擾能力極強，不會受到動力電纜帶來的電磁影響，可長期穩定的在井下工作。傳感器可安裝于智能敷纜管井下接頭，傳感器外殼采用316L材質，保證了長期使用的可靠性。

井下傳感器主要用于監測井下液位和溫度，并通過敷纜管內置的信號線將溫度和液位信息傳輸至控制柜集中顯示，并能通過遠傳傳到業主數字化中心界面。

2.4 數據分析與遠程控制系統

水源井智能敷纜連續復合管系統本地控制部分采用ABB ACS510 系列深井泵專用變頻器，并配以西門子S7-1200 系列PLC 以及RS485 等通訊模塊，能夠無縫接入油田現有數字化信息采集及控制系統，通過水源井現場收集的數據進行綜合分析并進行調整。根據水源井的水位、水溫、壓力、流量、泵運行狀態、耗電量等信息綜合分析水源井狀態。該系統還可以依據每個井口的特質定制智能控制計劃與節能計劃，通過智能自主數字化控制實現智能監控、緩起緩停、變頻運行、干抽保護、實時調參等功能。結合大數據思路，綜合多水源井數據進一步提高供水數據分析系統的綜合能力。

通過PLC控制模塊與變頻控制器對深井泵的運轉進行智能控制，智能調節深井泵的啟動、停止時間，避免了深井泵承載過大電流的風險。同時根據深井泵不同階段的運行劃分不同的系統狀態，即深井泵啟動中、深井泵運行中、深井泵停止中、深井泵待機中等狀態。實時反饋至用戶數字化平臺，各狀態間對應不同的控制邏輯，同時控制停機等待時間，降低深井泵頻繁起停，減小深井泵頻繁啟動造成的過熱甚至燒毀的現象。利用PID 系統算法，精準計算出井下實時液位與設定液位間的偏差值比例關系，并通過計算立即產生比例調節，消除偏差，并根據井下液位變化規律、變化趨勢及累計偏差的計算，實現超前調節，以提高系統出水量、井下液位的穩定性等。

3 應用情況和效果

水源井智能敷纜連續復合管在某采油廠開展了先導性試驗，有效驗證了該技術的可行性。目前現場推廣應用了100 余口水源井，標志著從前期試驗順利進入全面推廣應用階段，實現了水源井的遠程智能啟停，有效解決了因水位不足產生的燒泵和電纜因素造成的修井問題，智能化程度高，節能降耗、降本增效顯著，受到油田用戶的一致好評。

3.1 狀態監測及智能控制

智能變頻控制系統能實時讀取井下動液面、出口壓力、井口流量、監測深井泵運行狀態等數據，同時還具備以下主要功能：

（1）數據遠傳。支持無線與有線傳輸，可接入用戶指定后臺，接收上位機指令。

（2）變頻控制。多擋位可調，實現電泵緩起緩停，避免干燒。

（3）智能保護。具備液面、溫度、電壓、電流等多重保護。

（4）生產監控。生產數據實時監控，支持現場與后臺無線聯調。

（5）智能控制。通過PID 算法精準控制，數據分析與控制精度極高。

3.2 節能增效

通過實時調節與數據分析功能的結合，始終保持設備最佳的運行狀態，實時自動變頻控制，自主調參。在保證設備平穩運行的情況下始終滿足用水端實際需求，防止浪費，達到節能減排的目的。同時可并入油田公司全網大數據系統，進一步制定節能環保方案與后臺數據分析比對，提高環保性能。

3.3 降低運行成本

智能敷纜連續復合管將電纜內置于管體的智能內襯層，使電纜得到有效保護；管體采用非金屬全熱塑性工藝一體化成型，質量輕、抗腐蝕[14-15]和結垢，進一步降低維護成本；單根敷纜智能連續管可長達2 000 m，地面作業采用集成的車載作業系統，起下管柱方便省時。

實時監控系統的整體運轉，避免了因人為因素（參數設置不當）導致泵干燒、干抽等安全隱患，該系統具備較好的超壓、欠載、過流、缺相保護功能，極大延長了管柱、深井泵等設施的使用壽命。

4 結論

（1）通過現場應用，智能敷纜連續復合管控制系統實現了水源井的智能控制，達到了節能減排的目的。

（2）智能敷纜連續復合管可以有效解決部分區塊地層水礦化度高、金屬管柱腐蝕嚴重的問題。

（3）智能敷纜連續復合管智能控制系統的應用，為數字化油田建設和智慧油田建設奠定了基礎。