集约式低成本井下自动调控分注装置研究.pdf

油气田开发工程集约式低成本井下自动调控分注装置研究王 聪 张 凯 崔玉海 郭 慧 张小玫 王鹏飞 王 鹏(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院)王聪 张凯 崔玉海 等.集约式低成本井下自动调控分注装置研究.石油机械 ():.():.摘要:胜利油田有缆式智能分注技术已推广应用 余井次 取得了较好的开发效果 减少了现场测调工作量 但受电子元器件成本制约 该技术实施成本较高 限制了其大规模推广 为了加大有缆智能分注技术应用规模 通过功能配置分级 将统一配置的有缆智能配水器优化设计为具有通信、测试功能的中枢配水器和具有调节功能的调控开关 编写了 控制算法对注入流量进行精确调控 对样机进行了大量试验 结果表明 所研发的集约式井下自动调控分注装置满足耐温 、耐压差 的工况环境 且流量调控误差 成本降低约 集约式井下自动调控分注装置 为油田智能分层注水技术的降本增效提供了一种新的设计思路 研究结果可为该技术的推广应用提供参考关键词:集约式 低成本 分层注水 自动调控 配水器 算法中图分类号:文献标识码:/():.:石 油 机 械 年 第 卷 第 期基金项目:山东省自然科学基金(青年基金)项目“基于脉冲信号双向高效传输的注水井无线测控系统关键技术研究”()胜利油田科技攻关项目“低成本集约式井下自动调控分注技术研究”()引 言胜利油田以水驱开发为主 水驱产量占总产量的 左右 水驱储量的稳定开发是油田稳产的基石 国内分层注水技术经历了固定式分注技术、活动式分注技术、测调一体化分注技术 个成熟的发展阶段 目前正在进行智能分注技术的推广应用 大庆油田、华北油田以有缆式智能分注技术为主 研发的智能配水器集成了温度、压力监测和流量测控功能 通过电缆载波通信技术与地面实时通信 获取井下数据 控制分层注水量长庆油田以无缆式智能分注技术为主 研发了适用于超低渗透油藏的压力波通信分层注水技术 通过地面与井下电控阀开度调控 在井筒内产生压力波动 实现了地面与井下的数据传输和井下分层流量调控 中海油开展了电缆永置式井下测调技术和电控液控智能注水技术的攻关研究 电缆永置式井下测调技术将测调组件集成于井下测调工作筒内 通过电缆进行数据与指令传输 实现对井下数据的监控和注水量的调节胜利油田自 年开始 开展了有缆式智能分注技术的攻关和无缆式智能分注技术的试验应用 有缆式智能分注技术已推广应用 余井次 累计增油约 万 受制于井下高温芯片、电机等成本制约 有缆智能分注技术实施成本高 限制了规模化推广应用 因此 本文拟开发设计一种低成本自动调控分注装置 将统一配置的井下智能配水器优化设计为具有通信和测试功能的中枢配水器和具有调节功能的配水调控开关 以减少高温芯片使用数量 在保证实时获取数据的基础上 降低实施成本 技术分析 工作原理图 为集约式低成本井下自动调控分注管柱示意图 分层配注装置主要由中枢配水器和配水调控开关构成 过电缆封隔器用来将不同的注水层段分隔 中枢配水器具有采集全井流量、分层流量、压力、温度的基本功能 同时能够进行双向通信 配水调控开关具有采集外压、控制水嘴开关的基本功能 地面控制器可以设置各个油层注水参数 并通过电缆直流载波通信的方式将设置参数传输到各个油层的分层配注装置图 集约式低成本井下自动调控分注管柱示意图 中枢配水器配置的传感器种类齐全 而配水调控开关相当于简化版的有缆智能配水器 其相关参数可由中枢配水器的测量数据进行数学运算得到配水调控开关的内压为中枢配水器测量到的内压、静液柱压力与摩阻的代数和 而配水调控开关的温度为中枢配水器测量到的温度与温差之和 配水调控开关中没有内压传感器、温度传感器以及对应的采集电路 成本降低约 结构设计图 为集约式井下自动调控分注装置三维结构图 所设计的中枢配水器主要由上接头、电磁流量计、一体化可调水嘴、中心过流管、差压流量计及下接头组成 其中电磁流量计用于测量全井流量差压流量计用于测量分层流量 压力传感器可测量管内外的压力 温度传感器实现层段温度的测量中枢配水器可实现水嘴开度调节、控制进入地层的流量及数据双向通信的功能 同时还设计了多级密封结构 以保证长期密封的可靠性 所设计的配水调控开关主要由上接头、外压传感器、下接头、外护管、中心过流管及一体化可调水嘴组件等组成 年 第 卷 第 期王 聪 等:集约式低成本井下自动调控分注装置研究 通过水嘴开度的控制实现分层流量的调节 调控开关对应层位的流量值可通过换算得到(水嘴开度压差流量的关系)同时配水调控开关也具备多级密封结构图 集约式井下自动调控三维结构图 电路设计由功能需求可知 中枢配水器主要具有采集流量、压力、温度和双向通信功能 配水调控开关主要具有采集外压、控制水嘴开关的功能 可见 中枢配水器与配水调控开关的功能相似 不同之处在于中枢配水器所采集的传感器数据种类较多 因此设计电路时为增强互换性 采取了模块化的设计思想 将中枢配水器及配水调控开关所需功能全部设计于电路板上 配水调控开关不使用的电路模块不焊接相应芯片选用意法半导体公司的 芯片作为主控芯片 由于自带了模拟量输入端口 所以可直接将芯片的 输入端口与模拟量输入传感器(包括压力及流量传感器)相连接 通过编程后进行传感器数据的采集 温度传感器采用 芯片式温度传感器 该传感器为数字式传感器 因此可直接与主控芯片的/口相连接 通过编程后采用 总线的方式进行温度数据的读取 水嘴内部安装有步进电机 对水嘴开度的控制实际上是对步进电机的控制 因此可将主控芯片直接与电动机控制线相连接 通过脉宽调制的方式对水嘴进行控制采用直流载波通信的方式进行井下及地面的通信 直流载波通信传输的命令或数据采用二进制的传输方式 因此编码电路实际上是将数字信号 和 转化为对应的模拟信号 通过模拟信号在电缆上进行传输 而解码电路与编码电路功能相反 是将电缆上的模拟信号重新转化为对应的数字信号 为了适用于不同规格的电缆 编解码电路中增加了 可编程增益放大器 对信号进行放大 从而实现对不同长度及规格电缆的自适应 该电路将迟滞比较器的门限电压与标准信号进行计算后得出增益放大倍数 进而编程调节放大器的增益 设计的增益放大电路如图 所示图 增益放大电路图 控制算法分层注水过程中 井下流量的控制精度直接决定了注水井的层段合格率 因此合适的控制算法对于注水流量的精确控制至关重要 目前井下流量调控常用的控制算法包括 控制算法、模糊控制算法及模糊自适应 控制算法 石 油 机 械 年 第 卷 第 期其中模糊控制及模糊自适应控制算法均需要根据以往经验设计模糊控制器 因此 本文所设计的集约式配水器采用增量式 控制算法对注水流量进行控制 控制算法的表达式如下:()()()()()式中:()为输出量()为误差 为比例系数 为积分时间常数 为微分时间常数式()中()会产生误差累计 可能会导致井下注水调控的误差增大 因此采用增量式的 控制算法进行调控 增量式 控制算法的表达式如下:()()()()()()()()()()由式()及式()可知 一旦确定了 控制算法的比例、微分及积分系数 只要使用本次控制周期前后 次的偏差 即可得到流量调控的控制增量 实际使用中 由于不同地层的吸水差异较大 因此 控制算法中的、及 应采取现场试凑方式 从而取得比较理想的控制效果 试验验证集约式井下自动调控分注装置(即中枢配水器和配水调控开关)样机加工完成后进行了大量试验 图 为室内试验情况 试验过程中分别对其耐压、耐温及流量调控误差进行了测试 具体如下图 集约式井下自动调控分注装置试验照片 耐压测试试验将集约式井下自动调控分注装置放入试验工装内进行试验 加压结束后通过测试仪器舱内电子器件是否正常工作来验证耐压情况 加压测试方式分为 种方案 图 为循序渐进式的加压方式 最终将压力稳定在 并保持一定时间 图 为直接加压方式 该方式直接加压到 并保持该压力值稳定一定时间 多次试验的结果显示所设计的集约式低成本井下自动调控分注装置水嘴可在 的压差环境下使用 当压力超过该范围后装置出现泄漏 因此 所设计的集约式井下自动调控分注装置水嘴的工作压差范围应 图 耐压测试 种加压方式实测加压曲线 图 耐温测试试验结束后实测温度数据 耐温测试试验耐温测试试验主要用于测试密封圈、电子元器件及传感器的耐温性能 试验时采用烘箱加热的方式对装置的耐温性能进行验证 试验时将烘箱温度调整到 并保持 测试结束后将中枢配水器和配水调控开关的电路及传感器相连接后进行通信 若仍能够读取到正确的传感器测量数据 则证明装置可满足 以下的使用需求 图 为某 年 第 卷 第 期王 聪 等:集约式低成本井下自动调控分注装置研究 次试验后将装置静止在室内环境下 利用外部测试仪器读取集约式井下自动调控分注装置的测量温度 此时温度为室内温度变化 与实际情况一致多次试验验证后 证明所研制的集约式井下自动调控分注装置可在 的工况环境下正常使用 流量调控误差试验通过设置集约式井下自动调控分注装置的注入流量 作为调控流量 并将标准的电磁流量计测量流量 作为标准流量 则流量调控误差 可采用下式进行描述:()试验时设置了 种试验方式:方式 为恒量式调控方式 即 为常量 通过实时测量 的值来计算测量误差 方式 为变量式调控方式 即间隔性的改变 的值 通过实时测量 的值来计算测量误差 图 和图 分别为实测 种试验方式下的流量及测量误差曲线 通过大量试验数据的统计分析后可知 该集约式井下自动调控分注装置的调控误差 该误差值满足现场调控需求图 恒量式调控方式试验结果 图 变量式调控方式试验结果 结 论()基于降低成本的需求 设计了集约式井下自动调控分注装置 包括中枢配水器及配水调控开关 满足耐温 及耐压差 的工况环境 且流量调控误差()与传统分层注水装置相比 具有 方面的优点:一是采用高精度传感器设计 并辅以 控制算法 从而提高了测控精度 二是井下中枢配水器可控制多个配水调控开关 实现单配水器协同控制多个注水层段 有效降低了成本()集约式井下自动调控分注装置采用 控制算法进行注水流量的自动调控 但由于不同地层的差异较大 所以 控制算法中的控制参数需采取现场试凑方式获取 降低了装置的普适性因此建议下一步研究自适应控制算法 以提高装置的普适性参 考 文 献 王增林.胜利油田分层注水工艺技术研究与实践.油气地质与采收率 ():.石 油 机 械 年 第 卷 第 期 .():李常友.胜利油田测调一体化分层注水工艺技术新进展.石油机械 ():.():刘合 郑立臣 俞佳庆 等.分层注水井下监测与数据传输技术的发展及展望.石油勘探与开发 ():.():佟音 金振东 刘军利 等.大庆油田缆控分层注水技术研究及应用.石油科技论坛 ():.():张旭 韩新德 林春庆 等.有缆智能分注技术在华北油田的应用.石油机械 ():.():姜燕 罗洪林 张旭 等.管外缆控式智能分注技术.石油钻采工艺 ():.():姚斌 杨玲智 于九政 等.波码通信数字式分层注水技术研究与应用.石油机械 ():.():胡改星 刘延青 张天杰 等.基于压力波通信的注水井分层调控系统研究.石油机械 ():.():张凤辉 薛德栋 杨万有 等.电缆永置式井下测调技 术 研 究 与 应 用 .石 油 机 械 ():.():徐兴安 张凤辉 杨万有 等.注水井高效测调一体化技术研究与应用.石油机械 ():.():谭绍栩 宋昱东 王宝军 等.渤海油田智能注水完井技术研究与应用.石油机械 ():.():薛德栋 杨万有 张凤辉 等.海上油田电控液驱分层注采系统研究 .石 油 机 械 ():.():孙金峰 张学超 李勇 等.免投捞实时测控精细注水技术.石油机械 ():.():贾庆升.无线智能分层注采技术研究.石油机械 ():.():冯硕 张艺耀 李进 等.渤海油田远程无线智能注水工艺技术及应用.石油机械 ():.():年 第 卷 第 期王 聪 等:集约式低成本井下自动调控分注装置研究 杨玲智 于九政 王子建 等.鄂尔多斯超低渗储层智能注水监控技术.石油钻采工艺 ():.():周阳阳.油田注水泵节能控制研究.石油石化节能 ():.():贾德利 王凤山 徐健 等.变论域自适应模糊的分层注水工艺控制.电机与控制学报 ():.():姚海兰.基于模糊自适应 的油田注水井智能监控系统研究.秦皇岛:燕山大学.:唐培文.模糊神经网络 控制器在常减压仿真模型中的应用 .北京:北京石油化工学院.:周良胜 颜筱函 周晓红 等.基于 控制的深水双管系统运行效果分析.中国海上油气 ():.():王祎晨.增量式 和位置式 算法的整定比较与研究.工业控制计算机 ():.():第一作者简介:王 聪 高级工程师 生于 年 年毕业于重庆大学矿物资源专业 获学士学位 现从事智能分层注水技术研发及管理工作 地址:()山东省东营市 电话:():收稿日期:(本文编辑 南丽华)下期部分文章预告(以实际刊出为准)基于响应曲面法的水力聚结器结构参数优化邢雷 苗春雨 蒋明虎 等自动抢接钻具止回阀装置运动学仿真研究刘先明 李晨杰 卿玉 等液控智能分采技术及其在渤海油田的应用郭明龙 李进 亓彦铼 等基于深度学习的油气管道形变管段识别方法王琳 马林杰 徐建 等水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立吴泽兵 张文溪 袁若飞 等基于 改进 的油田柱塞泵故障诊断杨光乔 李颖 王国程 等基于改进贝叶斯算法的粘滑振动等级评估研究邓杨林 李玉梅 张涛 等基于次声波的钻井返出液液面检测系统设计任旭虎 刘通 汪卫众 等页岩气井压裂交变载荷水泥环密封能力研究刘奎 丁士东 初永涛 等动态裂缝堵漏试验装置的研制与应用马成云 窦益华 邓金根 等高 断块深层致密油水平井钻井关键技术实践李云峰 吴晓红 李然 等连续管防喷盒胶芯摩擦机理及过管稳定性分析郑翔 陈婷 曾永锋 等热力耦合下封隔器锚固失效及影响因素分析刘怀亮 刘献博 席岩 等超轻预充填防砂筛管控砂解堵机理研究孙孟莹 邓金根 谢涛 等割缝筛管暂堵酸压适应性评价马清杰 李军 余勇刚 等 石 油 机 械 年 第 卷 第 期