孟林波 魏琳娟
西安思坦仪器股份有限公司，陕西 西安 710065
摘要：为了有效解决层间和层内差异，油田采用分层注水工艺技术来实现均衡注采开发。目前常用的分层配水器，虽然能够实现分层注水工艺，但存在施工复杂、作业成本高、测调难度大和分层注水效果差等问题。本文主要介绍井下智能分层配水技术的研究，包括配水控制方法设计、水嘴开度精准定位控制设计和低功耗设计。
关键词：分层配水；水嘴；低功耗
1.概述
目前，油田注水井生产管理中，常用的分层流量的调配有两种方式：一是通过钢丝在配水器中投入不同规格固定面积的水嘴控制各层注水量，即常规投捞调配工艺；另一种是测调一体化工艺，将固定水嘴换成可调水嘴，通过电缆下入工具进行调节。本课题要实现井下配水器智能分层注水，因此需解决的主要技术难点有：井下调配水控制、水嘴精确定位控制、低功耗设计能保证配水器长时间工作。
2.设计思路
(1)配水控制方式设计
要使井下配水器按油藏需求进行配水，控制方式思路有两种，一种是地面集中控制方式；另一种井下配水器自主管理的控制方式。
①地面集中控制方式思路
井下配水器不设计流量计量单元，采用地面集中控制方式，即地面以单层配注量为依据，向井下配水器发送按某一开度进行调节命令，配水器执行并将稳定后水嘴前后压差向地面反馈，在地面控制器计算水量并与配注要求比较，再发出下一调节命令，直至合格。调节周期长，通讯次数多、耗时长。
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图1 地面控制调配过程示意图
这种方式的优点主要表现在：将智能模块放在地面，设计开发难度小；针对井下工况复杂：空间小、高温、高压、密封要求高，井下工具智能化改造成本高，减少功能模块，可大大降低开发成本。
②井下配水器自主管理控制思路
要实现井下配水器自主管理控制功能，必须对可调水嘴实施智能化改造，从优化水嘴结构、设计控制软件、优选材质才能实现自主管理功能。
一是水嘴双级细分控制设计思路：拟将水嘴按面积分成16～20个大的档位；每个大档内部又分为5-6个微调小级，从而实现精确配水调节。
二是水嘴流动特征模型固化设计思路：应用流体力学理论，以设计好的水嘴形状变化规律为边界条件，研究建立水嘴流动特征模型Q=F(A，△P)。并将水嘴流动特征模型固化在配水器控制芯片中，实现水嘴自主管理，提高调节效率。
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图2水嘴流动特征模型Q=f(A，△P)
智能自主管理设计思路：拟在以上设计的基础上,采用闭环自动控制模式，配水器接收到配水量命令后，微电机执行调节命令调节水嘴的开度，稳定后，根据水嘴压差、面积，应用特征模型得到分层实时流量，与要求的配注量对比，直到合格，实现分层流量调节的自主管理。
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图3 井下配水器自主管理控制示意图
(2)水嘴开度精准定位控制设计思路
建立水嘴流动模型，从水嘴形状、开度步长、定位技术、调节机构四个方面进行优化设计：
①常用的水嘴形状有圆形、椭圆、扇形、环状等，建立相应的数据模型，开展水嘴形状的优选研究；
②水嘴开度步长设置可以是按角度分布进行设计、也可按间距分布进行设计，通过数据模型模拟优选最佳控制方式；
③水嘴开度定位是非常关键的因素，关系到调节的精准度，高精确度定位技术有红外线定位技术、激光定位等，可根据开发成本、工程应用技术要求等综合评价选择；
④调节机构选择主要涉及微电机的优选及满足微步长调节的变速机构优选。
(3)低功耗设计
根据研究设计的目标：井下智能配水器有效工作时间达到3年，从以下四个方面进行优化实现：
①采用分组供电模式设计：分别给电机和控制电路供电，强电与弱电分离，降低系统能耗。
②水嘴调节采用高压平衡设计，水嘴调节部分两端的承压面积设计相等，使其平衡受力，降低水嘴开关动作能耗
③表面处理低磨阻设计：水嘴部件采用硬质合金材料和镜面高精度研磨加工工艺，确保其密封可靠、滑动阻力小。
④休眠设计:井下功能模块全部采用休眠-唤醒设计，进一步降低无功损耗。
3.总结
通过本项目研究应用，可解决问题主要有：一是解决分注井分层注水量调配效率低的问题，采用自定义周期方式自动调配各层注水量，缩短调配周期，提高调配效率，并实现定层、定量注水；二是解决分注各层压力、流量等参数无法长期、连续监测的问题，通过在井下置入压力、温度、流量传感器，实现各层压力、流量等生产参数的长期监测，提供储层分析资料。可以实现智能调配分层注水量，提高分层配水的准确率，实时监测各层压力、流量等参数，实时掌控油藏动态，实现油田精细注水，进一步改善油田水驱开发效果。
参考文献
[1] V．B．Jackson Nielsen,徐婷,李晓明,等.墨西哥湾的首例智能完井系统[J].石油地质科技动态.2003(4): 31-42
[2] 康学峰,杨厚荣,孙永兴.永置式井下智能多参数监测装置[J].石油仪器. 2007(2): 8～10.
[3] 赵欣.智能配水工艺技术在注水井中的应用[J].内蒙古石油化.2013(4): 96～99.
[4] 于九政,巨亚锋,郭方元.桥式同心分层注水工艺的研究与试验[J].石油钻采工艺，2015(5):92～94.
作者简介：孟林波(1985年 — )男，陕西，电子研发工程师，硕士学位，研究方向：油田智能注水技术。