第34卷 第6期2012年11 月石 油 钻 采 工 艺
OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY Vol. 34 No. 6Nov. 2012
基金项目：中国石油化工集团公司科技攻关项目“循环分层周期注水工艺研究”（编号：P09055）。
作者简介： 马宏伟，1967年生。1992年毕业于江汉石油学院矿业机械专业，现从事油气开采技术研究工作，教授级高级工程师。电话：
0377-********。E-mail ：mhwhnyt@https://www.doczj.com/doc/8c1569064.html, 。
文章编号：1000?7393 （2012）
06 ? 0100 ? 04层间自动轮换分层周期注水工艺
马宏伟 彭元东 杨康敏 王小勇 刘科伟 焦明远
（中石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473132）
引用格式：马宏伟，彭元东，杨康敏，等.层间自动轮换分层周期注水工艺 ［J ］. 石油钻采工艺，2012，34（6）：100-103.摘要：针对分层周期注水存在的投捞调配工作量大的问题，开展了注水井层间自动轮换分层周期注水工艺研究，研制出了依靠高温电池供电、单片机控制的井下自动循环开关器，下井前设定好每个循环开关器的自动开关程序，使其在井下按照程序自动开启和关闭，实现分层周期注水。根据需要，还可以通过地面特定时间打“低—高—低”的液压编码，控制井下对应的自动循环开关器开启和关闭，临时改变井下注水层。该技术具有自动控制和液压控制双重功能，不用下入传统的投捞调配测试仪器就可以实现分层周期注水，液压编码只有3位，控制简便，可操作性强。现场试验11口井，自动循环开关器工作正常，达到了预期的目的，在智能分层周期注水方面实现了突破。
关键词：周期注水；分层注水；程序控制；井下管柱；液压控制中图分类号：TE357.6 文献标识码：A
The automatically shifting inter-layer separate and cyclic water injection technology
MA Hongwei , PENG Yuandong , YANG Kangmin , WANG Xiaoyong , LIU Kewei , JIAO Mingyuan
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology , Sinopec He ’nan Oil?eld Company , Nanyang 473132, China ）
Abstract: In view of current heavy work of running and pulling and allocating in separate and cyclic water injection, the research on technology of automatically shifting inter-layer separate and cyclic water injection in injection wells is conducted, the downhole auto -matic cycle switch which is powered by high temperature battery and controlled by a single-chip is developed. The automatic procedure of each cycle switch is set before running, and the automatic cycle switch automatically turns on and off followed the procedures in the downhole, realizing separate and cyclic water injection. The downhole water injection layer can be temporarily changed as needed by marking "low - high - low" hydraulic pressure code according to specific ground time to control the on and off of the automatic cycle switch. This technology has the dual function of automatic control and hydraulic control, allowing separate and cyclic water injection without the need to trip conventional running and pulling or measuring and allocating instrument. Moreover, the short 3-bit hydraulic code realizes easy control and flexible operability.11 wells have been finished, making a breakthrough in intelligent separate and cyclic water injection.
Key words: cyclic water injection ；separate water injection ；procedure control ；downhole string ；hydraulic control
周期注水是油田提高采收率的有效途径之一，
其实质就是通过脉动注水在油层中建立不稳定的压力降，使地层的不同孔隙通道和小层间产生交互渗流，促使未被水波及到的储层、层带投入开发。国内大庆、胜利、河南等油田均开展过矿场试验，取得一
定效果［1-2］
，但对于层间非均质性严重的井，在注水开发后期，笼统周期注水效果不明显，需要采取分层
周期注水［3］。
目前井下分注管柱用于周期注水时，采取的是多层同时停注、同时注水方式，其优点是管理简单，缺点是多层注水压力波动大，分层水量不清，在停注时存在层间干扰、管柱容易沉积杂质等问题，影响注
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马宏伟等：层间自动轮换分层周期注水工艺水效果［4］。通过投捞配水器进行单层轮换周期注水可提高注水效果，但是测试投捞调配工作量大［5］。国内在智能配水方面开展了井下压控开关智能配水工艺试验，由于调配的压力编码长达12位，需要频繁地进行升压、降压操作，调配复杂［6］。
为了提高周期注水开发效果，开展了注水井层间自动轮换分注工艺研究，研制出了井下自动循环开关器，利用程序自动控制和液压编码控制方法，控制一口井内2个层或者3个层交替循环注水，实现了单层交替分层周期注水。
1 技术分析
1.1 管柱结构
层间自动轮换分层周期注水管柱见图1，主要由缓冲器、水力锚、循环开关器、封隔器、限压单流阀、球座、筛管、丝堵组成。其核心循环开关器采用机电一体化设计方法，利用高温电池供电、微电机驱动、单片机控制，依靠程序控制系统和液压编码控制系
统控制其开启和关闭。
图1 层间自动轮换周期注水管柱示意图
1.2 工艺原理
循环开关器下井前均关闭，并设定打开、关闭周期。工具下井后，通过油管憋压坐封注水封隔器，将层间封隔成3个层，达到预定时间，3个循环开关器依照设定程序开启、关闭，依次交替循环注水；注水层位改变时，通过地面阀门控制注水量，进行不同层的自动轮换周期注水。一个循环周期的各层循环开关器开关状态见表1。
表1 各层循环开关器开关状态
生产状况
管柱下井第3层注入，1、2层停注第2层注入，1、3层停注第1层注入，2、3层停注
循环开关器1关闭关闭关闭开启循环开关器2关闭关闭开启关闭循环开关器3关闭
开启
关闭
关闭
自动轮换周期注水技术还具有定时液压控制临
时换层功能，在对应循环开关器设定的压控时间，通过地面控制阀门打出预先设定的液压编码，可以临时控制循环开关器开启或关闭，从而改变注水层位和周期，进行不同层的自动循环辅助液压控制周期注水。1.3 技术特点
（1）能够在井下自动换层注水，避免了投捞调配测试工艺。
（2）具有定时液压调控换层注水的功能，在设定时间通过液压编码可以控制井下不同循环开关器开启和关闭，临时改变井下注水层位和注水周期。
（3）液压编码简单，调控操作简便。（4）单层水量和流压实时监测，单层水量可以实时调配。
2 循环开关器
2.1 结构
循环开关器结构见图2，主要由上接头、压力传感器、电池、工作筒、单片机系统、微电机、丝杠、开关阀、主体、
下接头等组成。
图2 循环开关器结构示意图
2.2 工作原理
2.2.1 自动开关工作原理 单片机通过高温电池供电，驱动微电机工作。根据需要给某一层注水时，单片机系统控制电机顺时针转动，带动丝杠转动，通过螺旋传动机构，开关阀左移，达到工作行程，开关阀活塞打开，单片机控制电机停止工作，单片机系统进入休眠待机状态；达到设定注水周期后，单片机系统给驱动电机一个关闭信号，控制电机逆时针转动，通过螺旋传动机构，开关阀右移，开关阀活塞关闭，电机停止工作，循环开关器关闭，控制系统再次进入休眠待机状态。
2.2.2 液压控制工作原理 循环开关器安装有压力传感器，和单片机系统连接，单片机系统下井前设定了阈值压力范围和有效时间段，压力高于阈值压力
石油钻采工艺 2012年11月（第34卷）第6期102
就设定为“高压”，压力低于阈值压力就设定为“低压”；单片机系统定时采集压力传感器接收到的压力信号，通过计算识别判断信号是否有效，然后控制电机的转动［7］。在单片机系统设定的工作时间，如果接收到特定的“低压—高压—低压”，就认为是有效信号，控制电机转动，否则，就认为是无效信号，电机不工作。
不同的循环开关器单片机系统设定的工作时间不同，因此，不会发生误操作。为了避免地面压力变动误操作，设置的压力信号不仅有高低压之分，而且还有压力持续时间长短的限制，正常注水过程中压力变化巧合的几率微乎其微，不会发生误操作。由于在设定工作时间接收的压力信号才是有效信号，因此，要对某个循环开关器压控操作，就需要在该循环开关器的设定工作时间，发送“低压—高压—低压”信号，才能够控制循环开关器打开或关闭。2.3 自动控制系统设计
2.3.1 自动控制系统硬件设计 自动控制系统是循环开关器的核心，设计的液压调控循环开关器控制系统结构见图3
。
图3 循环开关器控制系统结构
单片机采用美国Microchip 公司的低功耗单片
机，扩展级的环境温度高达135 ℃，低速运行时的静态电流2.0 μA ，休眠状态下的静态电流50 nA ，最大限度降低功耗，单片机系统和其他模块优化后，整机静态休眠电流仅0.2~0.3 mA 。
电源调理模块为控制系统芯片提供了稳定高效的电源，在高温下稳定工作，本身的功耗小，以免过多地消耗电池电量。时钟电路模块元器件采用国外军品，时钟电路模块能够在预定的时间准时工作，实现循环开关按时间顺序正常工作，每天的时间误差不超过0.5 s ，25个月时钟误差不到7 min ，定时压控不会因错过时间而操作失误。
电动机电流监测模块监测电动机的运行状态，一方面控制开关的位置，另一方面防止电动机因为超负荷运转引起电流过大、发热过快的情况，从而保护电动机和控制系统电路，避免发生危险情况。
压力信息识别采用高温压力传感器，将注水压力信号转换成电信号，并通过压力传感器外围配套
电路以及调理电路，将信号转换成标准电信号。采用A/D 转换电路对调理后的电压信号进行采集，在智能控制系统内部进行压力值的判断，并加以计算处理，以达到对压力信号识别的目的。
2.3.2 自动控制系统软件设计 液压调控循环开关阀门的开启与关闭、数据存储、堵转电流监测、压力监测、时间设定、休眠等功能，是在硬件的基础上通过编写软件来实现的。当控制系统上电时，首先进行初始化，然后进行当前时间、时序定时时间和压控定时时间设置，设置完毕后，系统进入休眠状态以降低功耗。当时序定时时间到，电机开始转动，打开或关闭阀门开关，并在此过程中检测电机的电流，当检测到的电机电流大于设定阀值时，说明电机进入堵转状态，即开关已到位，电机停转，系统再次进入休眠状态；当压控定时时间到，如果要进行某一层阀门的控制，则进行地面打压，打压生效后，时序控制失效，进入压控控制状态，可根据需要进行打压操作，实现阀门的开启与关闭。
2.3.3 地面参数设置系统 地面参数设置系统具有友好的人机交互界面，见图4，首次开启时间为年月日格式，开启和关闭时间周期可以分别设置为 “3 min~254 d ”。首个开启的开关设置后，之后开启的开关首次开启时间为“前个开关开启时间+开启周期”，对于2层分注，关闭周期和开启周期相同，对于3层分注，关闭周期为其他两个开关的开启周期之和。通过相应的通讯协议，与井下开关控制系统联通，
对其进行参数设置和地面数据回放。
图4 参数设置系统
2.4 循环开关器技术参数
仪器舱抗外压：60 MPa ；耐压差：35 MPa ；耐
103马宏伟等：层间自动轮换分层周期注水工艺
温：135 ℃；开关周期：3 min~254 d；单组电池工作时间：25个月；两组电池工作时间：45个月；外径：115 mm；内径：42 mm；长度：1 100 mm。
2.5 循环开关器技术特点
（1）自动工作时间长；
（2）耐温耐压高；
（3）内通径满足流量测试、同位素测试仪器通过要求。
3 现场应用
在双河油田进行了11口井的现场试验，自动循环周期注水试验5口井，自动循环辅助液压控制周期注水试验6口井。双J106井电路板和电池在井下工作时间最长达到19个月，管柱起出地面后控制、驱动系统仍能正常工作；魏新31井工具在井下正常工作时间超过20个月。
以魏新31井为例介绍实施情况。该井为3层分层周期注水井，每个层注水周期1个月、停注2个月，循环开关器的控制系统带压控功能，设置压力阈值4 MPa，控制单元时间5 min，3个层的压控时间分别是9:00—11:00、13:00—15:00、16:00—18:00。
管柱下井后，油管憋压坐封封隔器，按照设定注水层位三、二、一的开启顺序，进行自动循环分层周期注水。5个月后，因生产需要进行压控开关分层周期注水，该井累计实施压控开关工艺40次，一次成功36次。
该井各层单注时注水压力差异较大，开关换向过程中压力变化明显，开关开启、关闭灵活可靠。通过地面压控进行开关开启、关闭操作时，只需要“关—开—关”注水阀门就可实现。具体操作方法为：到了压控时间关闭阀门，使压力下降到3 MPa以下并保持15 min以上，然后开启阀门，使压力上升到5 MPa以上保持4~5 min，最后关闭阀门，使压力下降到3 MPa以下保持15 min以上，井下循环开关器就会开启或者关闭。
由于地面设置了每个循环开关器的压控时间段，因此，在特定的时间段进行上述压控操作，就可
以对相应的循环开关器实施开启或者关闭。
4 结论及建议
（1）提出了单层交替分层周期注水的方法，利用程序自动控制方法实现了注水井层间自动交替轮换分注，避免了传统的分层注水井钢丝投捞测试遇阻遇卡、水嘴堵塞、井下分层水量不清等问题，适合大斜度、水平井的分段注水。
（2）研制的井下自动循环开关器具备井下长期连续工作的能力，既可以自动开启关闭，又可以通过地面控制注水阀实现液压控制开启关闭，而且工具具有中心通道，满足下入仪器进行同位素检测的需要。
（3）压控操作时对高压、低压持续的时间要求严格，因此需要事先了解注水井注水情况，合理确定压控阈值范围，即使某次的压控操作不成功，通过了解该井层的吸水情况，仍可以在下次压控时间段重复操作进行控制。
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（修改稿收到日期 2012-09-26）
〔编辑 朱 伟〕