智能分注系統(tǒng)中流體波碼信號的傳輸機理

胡改星, 王子建, 畢福偉, 劉延青, 歐陽詩昆

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院，西安 710081；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710081；3.長慶油田公司第十二采油廠，慶陽 745000)

油氣田開發(fā)過程中，儲層壓力的下降造成對油氣的驅(qū)動能力減弱，為保證儲層中的油氣繼續(xù)向生產(chǎn)井中運移，需要對儲層注水以增強地層能量[1-4]。精細分層注水技術(shù)針對各個儲層的能量衰減情況進行有區(qū)別的能量補充，有利于能量衰竭型儲層及低滲、超低滲儲層的有效開發(fā)。該技術(shù)的核心為分層注水智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的信息雙向傳輸采用流體波碼通信方式，利用流體壓力的變化來進行控制命令下傳與數(shù)據(jù)的上傳。對于智能分層注水：文獻[5-7]介紹了智能分層注水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及在超低滲儲層開發(fā)中的應(yīng)用；文獻[8]通過建立注水井分層注水的流動特性模型，計算各注水層的壓力、流量與配水器電控閥開度關(guān)系，用于優(yōu)化注水參數(shù)；文獻[9-10]敘述了智能分層注水系統(tǒng)的現(xiàn)場測調(diào)方法；文獻[11]敘述了流體波碼通信裝置的工作原理及流體壓力信號的編碼與解碼方法。但上述研究均未涉及流體波碼的產(chǎn)生與傳輸機理。流體波碼通信是智能分層注水系統(tǒng)的核心。研究表明，由于注水管流速較低，流體波碼與用于隨鉆測量(MWD)信息傳輸?shù)你@井液壓力脈沖技術(shù)在信號的產(chǎn)生與傳輸方式上均不相同[12-13]。此外，流體波碼的信號強度及傳輸距離受流體參數(shù)、輸水管網(wǎng)參數(shù)、注水管或井筒參數(shù)、流體裝置結(jié)構(gòu)及流體控制參數(shù)的影響，同時各參數(shù)之間的相互影響造成系統(tǒng)設(shè)計困難。通過數(shù)學(xué)分析解析波碼信號強度及傳輸距離與相關(guān)影響參數(shù)之間的關(guān)系，揭示流體壓力信號的產(chǎn)生與波碼傳輸機理，有助于波碼通信系統(tǒng)的設(shè)計與性能改善。筆者基于穩(wěn)定流的流體能量方程建立流體壓力信號的產(chǎn)生與傳輸過程的數(shù)學(xué)模型，研究了相關(guān)參數(shù)對壓力信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 智能分層注水系統(tǒng)的信號傳輸

1.1 系統(tǒng)組成與管路模型

智能分層注水系統(tǒng)包括地面注水流量的控制、井下配水器電控閥開度的監(jiān)控、井下各個注水層的注入流量監(jiān)控、地面與井下信息的無線雙向傳輸?shù)?，圖1所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 智能分層注水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the intelligent separated layer water flooding system struction

管網(wǎng)經(jīng)輸水管通過地面電控閥連接到注水管(井筒)，注水管下部連接有多個配水器，配水器電控閥通過改變開度來調(diào)控流量并經(jīng)水嘴注入地層，各配水器水嘴之間通過封隔器隔離。為實現(xiàn)地面控制命令的下傳，地面電控閥按控制編碼要求通過短時間改變閥的開度使注水管流量呈脈沖狀變化，引起井口壓力及井下配水器電控閥入口處壓力的改變，向配水器控制電路發(fā)出指令，指示改變水嘴流量或準備上傳井下數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的上傳，配水器控制電路根據(jù)編碼數(shù)據(jù)形成的電壓脈沖控制電控閥開度來改變水嘴流量，使注水管流量發(fā)生變化，引起配水器電控閥的入口處壓力及井口壓力的改變，將各配水器電控閥的開度、壓力、水嘴流量等信息傳輸至地面。利用電控閥開度調(diào)制流量來改變井口與井下壓力，實現(xiàn)地面控制命令與井下數(shù)據(jù)的雙向無線傳輸，稱之為流體波碼通信。

圖2所示為分層注水系統(tǒng)的管路模型，其中，Q為注水管流量；p1為管網(wǎng)壓力；z1為輸水管高程；v1為輸水管流速；pl1為輸水管沿程壓力損失；pw1為輸水管的局部壓力損失；p2為地面電控閥出口處壓力；z2為地面電控閥高程；v2為電控閥出口處管道流速；Δpu為地面電控閥產(chǎn)生的局部壓力損失；p2為注水管井口處壓力；z3為井底高程；v3為注水管流速；pl2為注水管沿程壓力損失；p3為配水器電控閥入口處壓力；v4為配水器偏通管流速；QΔi為水嘴流量；p4為地層壓力；z4為配水器水嘴出口處高程；pmi為水嘴壓力損失；v5為水嘴流速；Δpvi為配水器電控閥產(chǎn)生的局部壓力損失，i=1～n，n為配水器水嘴數(shù)。

圖2 分層注水系統(tǒng)管路模型Fig.2 Pipeline model for separated layer water flooding system

1.2 井下多配水器管路流體的流動分析

1.2.1 各配水器管路的流量分配

(1)

1.2.2 配水器開度引起的注水管流量變化分析

(2)

Q=Δp/r

(3)

由于配水器上部管路的流阻較大，在一定程度上限制住了整體管路的流阻變化，總管路流量有一些變化。數(shù)值計算表明，配水器數(shù)量越多，某一配水器電控閥開度的改變對總管路流量的影響越小。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 壓力信號下傳的傳輸機理及特性分析

2.1.1 地面電控閥產(chǎn)生的壓力信號

管網(wǎng)通過一定長度的輸水管接至注水井，設(shè)輸水管與注水管中流體處于紊流狀態(tài)，通過對管路a—a剖面的流體參數(shù)分析，建立管網(wǎng)至地面閥出口處的流體能量(伯努利)方程：

(4)

(5)

地面閥開度影響注水管流量，當電控閥從某一開度增加到另一開度時，注水管流量由Q1增加到Q2，地面閥出口處的壓力變化(信號幅度)為

(6)

2.1.2 地面閥開度改變在井下引起的壓力變化

設(shè)各配水器流體處于紊流狀態(tài)，通過對注水管路d—d剖面的流體參數(shù)分析，建立地面至井下配水器1電控閥入口處的伯努利方程：

(7)

設(shè)井垂深h=z2-z3，由于配水器數(shù)為n，如果各配水器電控閥開度相同，有QΔ1=Q/n，因此:

(8)

(9)

式(9)說明，地面閥開度改變引起的注水管流量變化誘導(dǎo)產(chǎn)生井下壓力信號，可以看作是信號的傳遞，信號下傳的傳遞函數(shù)為

(10)

2.2 壓力信號上傳的傳輸機理及特性分析

2.2.1 井下配水器電控閥產(chǎn)生的壓力信號

設(shè)各配水器管路的流體處于紊流狀態(tài)，通過對管路c—c剖面的流體參數(shù)分析，建立某一配水器電控閥入口至地層處的伯努利方程:

(11)

式(11)中:v5=QΔi/Am為水嘴流速。由于z3?z4，因此:

(12)

設(shè)地層壓力不變，地面電控閥全開，改變配水器1的電控閥開度，其余各配水器電控閥開度均相同；當配水器1開度減小時，電控閥阻力系數(shù)由ζv11→ζv12，該配水器的水嘴流量由QΔ11→QΔ12，此井下配水器電控閥入口處產(chǎn)生的壓力變化(信號幅度)為

（三）數(shù)學(xué)家華羅庚曾說過：“數(shù)缺形時少直覺，形少數(shù)時難人微，數(shù)型結(jié)合百般好，隔離分家萬事非?！庇枚嗝襟w輔助教學(xué)有助于數(shù)學(xué)知識的內(nèi)化和深化，把一些呆板的無法言表的內(nèi)容有抽象變?yōu)橹庇^，圖文并茂，聲像具備，形象生動，有利于提要課堂教學(xué)效率，促進教育教學(xué)質(zhì)量大幅度提高。本案中，對于探究為任意角，公式都成立，其內(nèi)容較為抽象，學(xué)生不易理解。這時我應(yīng)用幾何畫板展示公式動態(tài)相等過程，使內(nèi)容直觀化、具體化，吸引學(xué)生的注意力，啟迪學(xué)生思維，更有利于培養(yǎng)學(xué)生正確有序的觀察方法和空間想象能力。

(13)

2.2.2 配水器開度改變在井口引起的壓力變化

設(shè)地面電控閥全開，僅改變配水器1電控閥開度，其余各配水器均與配水器1的初始開度相同；通過對管路b—b剖面的流體參數(shù)分析，建立注水井井口至地層處的伯努利方程:

(14)

由于h=z2-z4，則地面閥出口(注水井井口)處壓力為

(15)

設(shè)配水器1開度改變時地層壓力不變。當配水器1開度減小時，其電控閥的阻力系數(shù)由ζv11→ζv12，該配水器的水嘴流量由QΔ11→QΔ12，注水管流量由Q1→Q2，則配水器1開度減小時在井口引起的壓力變化(信號幅度)為

(16)

由于

因此，

(17)

式(17)說明，井下某一配水器開度改變引起的流量變化誘導(dǎo)產(chǎn)生井口壓力信號。信號上傳的傳遞函數(shù)為

(18)

3 數(shù)值計算與分析

計算條件：輸水管長度l1=500 m；內(nèi)徑d1=30 mm；流量Q=75 m3/d；水黏度μ=1 mPa·s；密度ρ=1 000 kg/m3；井口電控閥出口處管內(nèi)徑d2=60 mm；輸水管局部阻力系數(shù)ξ1=0.75；地面電控閥內(nèi)腔直徑du=30 mm，Au=706 mm2，閥孔最大流通截面積A0=140 mm2；流體收縮系數(shù)σ=0.63；注水管內(nèi)徑d3=62 mm；長度l2=3 000 m；偏通管直徑dw=24 mm；水嘴管直徑dm=8 mm；配水器電控閥內(nèi)腔直徑dd=24 mm，Ad=452 mm2，閥孔最大流通截面積Ak=50.25 mm2；配水器數(shù)n=3。

3.1 流量對地面閥及配水器的壓力信號影響

注清水時，輸水管與注水管流體的雷諾數(shù)Re>2 300，管中流體處于紊流狀態(tài)。

信號幅度與流量呈平方關(guān)系，因此流量對信號的影響較大。取流體密度ρ=1 000 kg/m3，井下各配水器開度均為50%，地面閥開度從1%增加至100%。改變注水管最大流量情況下根據(jù)式(6)計算，地面閥產(chǎn)生的壓力信號幅度與注水管流量關(guān)系如圖3所示。

設(shè)地面閥全開，取流體密度ρ=1 000 kg/m3，井下配水器1的開度從50%減小至25%，其余各配水器開度均為50%。改變注水管最大流量情況下根據(jù)式(13)計算，配水器1產(chǎn)生的壓力信號幅度與注水管流量關(guān)系如圖4所示。

圖3 注水管流量對地面閥產(chǎn)生的壓力信號影響Fig.3 Influence of water injection pipe flow on pressure signal generated by the ground valve

圖4 注水管流量對配水器產(chǎn)生的壓力信號影響Fig.4 Influence of water injection pipe flow on pressure signal generated by the downhole flow control device

從圖3和圖4可以看出，注水管最大流量嚴重影響壓力信號幅度，由于配水器水嘴流量遠小于注水管流量，且配水器的開度變化范圍遠小于地面閥，因此其產(chǎn)生的壓力信號幅度遠小于地面閥產(chǎn)生的信號。

3.2 壓力信號在注水管中的傳輸特性

3.2.1 信號下傳

圖5 注水管長度對壓力信號下傳的影響Fig.5 Influence of water injection pipe length on pressure signal downlink transmission

流體密度ρ=1 000 kg/m3，注水管最大流量Qmax=75 m3/d，井下各配水器電控閥開度均為50%，地面控制閥開度從1%增加至100%。根據(jù)式(9)與式(10)計算，下傳至井下的壓力信號幅度與注水管長度關(guān)系如圖5所示，信號下傳時的傳遞函數(shù)值與注水管長度關(guān)系如圖6所示。

圖6 注水管長度對信號下傳傳遞函數(shù)的影響Fig.6 Influence of water injection pipe length on transfer function of the signal downlink transmission

從圖5和圖6可以看出：①下傳至井下的信號幅度基本與注水管長度無關(guān)，說明注水管長度對地面壓力信號的下傳基本無影響；②由于注水管長度影響地面閥小開度時的流量，導(dǎo)致地面閥產(chǎn)生的壓力信號幅度隨注水管長度的增加而增大，因此信號下傳的傳遞函數(shù)值隨注水管長度的增加而逐漸減小。

3.2.2 信號上傳

地面控制閥全開，流體密度ρ=1 000 kg/m3，注水管最大流量Qmax=75 m3/d，井下配水器1的開度從50%減小至25%，其余各配水器開度均為50%。根據(jù)式(17)與式(18)計算，上傳至井口的壓力信號幅度與注水管長度關(guān)系如圖7所示，信號上傳時的傳遞函數(shù)值與注水管長度關(guān)系如圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，上傳至井口的壓力信號幅度隨注水管長度的增加線性減小，說明注水管長度對井下壓力信號的上傳有一定影響，信號上傳的傳遞函數(shù)值隨注水管長度的增加而逐漸減小。

圖7 注水管長度對壓力信號上傳的影響Fig.7 Influence of water injection pipe length on the pressure signal uploading

圖8 注水管長度對信號上傳傳遞函數(shù)的影響Fig.8 Influence of water injection pipe length on transfer function of the signal uploading

4 室內(nèi)實驗

室內(nèi)實驗在流體波碼傳輸實驗裝置上進行，實驗裝置由平流泵、100 m循環(huán)管路、電傳壓力計、模擬地面電控閥、模擬井下配水器電控閥、電控旁路閥、儲水箱、計算機數(shù)據(jù)采集與閥控系統(tǒng)所組成，如圖9所示。循環(huán)管路為內(nèi)徑15 mm高壓盤管，平流泵最大排量為60 L/h，產(chǎn)生的管流速與現(xiàn)場2.5 in(63.5 mm)管內(nèi)徑的注水管在流量25 m3/d下的流速相同。該裝置可以模擬地面閥及井下配水器產(chǎn)生的壓力脈沖信號，并可測量地面閥開度改變時引起的井下壓力變化及井下配水器開度改變時引起的地面壓力變化。

圖9 流體波碼傳輸實驗裝置Fig.9 Experimental device for fluid wave code transmission

圖10所示為模擬地面閥的控制命令在井下產(chǎn)生的壓力響應(yīng)圖形，其中地面閥開度根據(jù)控制命令脈沖進行1%到100%的調(diào)節(jié)，命令編碼為10100110?？梢钥闯觯芰髁侩S地面命令脈沖同步變化，井下壓力信號與地面命令脈沖序列一致，說明地面閥開度改變使流量發(fā)生變化形成流體波碼，將控制命令傳遞至井下，與理論分析相符。圖11所示為模擬井下配水器根據(jù)數(shù)據(jù)編碼產(chǎn)生的壓力脈沖信號傳輸至地面的壓力響應(yīng)圖形，其中配水器電控閥開度根據(jù)數(shù)據(jù)脈沖進行60%到28%的調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)編碼為10011001?？梢钥闯?，地面壓力信號隨井下壓力信號同步變化，地面壓力信號整形后與井下數(shù)據(jù)脈沖序列一致，說明井下數(shù)據(jù)通過改變井下配水器電控閥開度導(dǎo)致注水管流量變化形成的流體波碼可以將數(shù)據(jù)傳輸至地面，符合理論分析結(jié)果。

圖10 地面閥的控制命令在井下產(chǎn)生的壓力響應(yīng)Fig.10 Pressure response of the ground valve control command generated downhole

圖11 井下配水器產(chǎn)生的壓力信號傳輸至地面的壓力響應(yīng)Fig.11 Ground pressure response of pressure signal generated by the downhole flow control device

5 結(jié)論

(1)地面閥開度改變引起的注水管流量變化產(chǎn)生井口壓力信號；配水器開度改變引起的水嘴流量變化產(chǎn)生井下壓力信號。

(2)注水管的最大流量嚴重影響地面閥和配水器產(chǎn)生的壓力信號幅度，且地面閥產(chǎn)生的信號幅度遠大于配水器產(chǎn)生的信號。

(3)某一配水器開度的改變不但造成水嘴流量的變化，還會引起其余配水器管路流量的重新分配；同時對注水管流量會產(chǎn)生一定的影響。

(4)壓力信號的下傳為地面閥開度改變引起的注水管流量變化誘導(dǎo)產(chǎn)生井下壓力信號，可以看作是信號的傳遞；同時壓力信號的上傳可以認為是井下配水器開度改變引起的注水管流量變化誘導(dǎo)產(chǎn)生井口壓力信號；由于信號的傳遞是注水管流量變化的誘導(dǎo)，因此信號頻率不會影響信號在注水管中的傳輸。

(5)注水管長度對地面壓力信號的下傳基本無影響，但對井下壓力信號的上傳有一定影響。