0 引言

分层注水可以起到调整层间矛盾和调节产出剖面的作用，能够有效控制油井的油水比例，维持油田长期稳产、高产，提高采收率^[1]。但是目前广泛采用的常规分层注水工艺需要反复投捞调试，效率偏低、人力物力成本高，对于大斜度井和水平井甚至无法完成测调作业，而海上油田对效率与成本的更高要求使得该缺点更加突出^[2-5]；另一方面，常规测试方法存在精度不足的问题，而且因为测试周期长导致注水合格率随时间下降较快。针对以上缺点和不足，研究人员提出了不同的解决方案，但多数方案均基于现有硬件和设备，或者通过适当修改机械结构提高其在投捞过程中对大斜度井和水平井的适用性，或者通过经验性的总结及局部结构改进提高注水精度。虽然以上改进遵循了经济实用的原则，但未能从根本上改变常规方法的固有缺点。随着油田开发建设的不断深入，其开发难度也越来越大，对精细化和智能化的要求也越来越高^[6-9]。

早在2005年，IBM就与挪威合作建设指挥油田，实现了地下油田运行状况的无线感知，进而进行“智慧地”管理，达到了延长油田寿命，提高油田产量的目的；沙特阿拉伯的阿美石油公司也提出了“监测、优化、集成、创新”4个层次的数字油田建设方案，并利用井下传感器结合智能完井技术和自动化技术及时掌握生产状况，提高了井下作业效率^[10]。笔者基于数字油田发展，引入传感器技术、自动化技术和信息化技术，研制了一套完整的海上平台注水井远程控制与管理系统。该系统基于预置电缆测调技术，利用1台PC机远程控制最多7口井、单井层数多达8层的注水测调作业，并且可以长期、实时获取各层数据，提高了分层注水的精度与效率，为海上数字化油田的发展奠定了基础。

1 系统整体方案

海上平台注水井远程控制与管理系统组成见图 1。

系统由井下部分、海上平台部分以及陆地基地部分组成。井下部分的主体为所研制的智能测调工作筒；海上平台部分主要由井口控制器与中控PC组成，每个井口控制器通过多条单芯电缆与多个智能测调工作筒连接，而多个井口控制器通过485总线连接至中控PC端；陆地基地的核心是服务器系统，其通过互联网或者GPRS与各中控PC相连。由于篇幅所限，海上平台部分与井下部分只列出了1台中控PC与1个井口控制器的细分系统。

2 系统结构及功能特点 2.1 智能测调工作筒

智能测调工作筒的结构如图 2所示。

该工作筒外径114 mm，内部过流通径44 mm，本体耐压60 MPa，单层流量调节范围0~700 m³/d，能够实时、直观地监测分层配注量，从而实现对注水作业的在线闭环控制。

此外，工作筒通过配备压力和温度传感器获取相应的井下参数，并进一步将数据反馈至井口控制器作为控制依据。智能测调工作筒提高了系统整体的智能化程度及作业效率。为了保证系统长期运行的可靠性，除了选用高质量的传感器、执行机构以及合适的材料外，还采用了冗余设计方案，在1个测调工作筒上配备有上、下2个流量计。以相邻2层为例，冗余流量计设计方案如图 3所示。

每个工作筒i配备2个流量计i-1、i-2，分别位于工作筒的两端，返回的流量数据分别为Q_i1、Q_i2。正常情况下，工作筒i的配注量由式(1)进行测算。

流量计1-2与流量计2-1的功能基本重叠，故传感数据近似相等。如果其中之一发生故障，那么二者可以在功能上相互替代。若出现极端情况，即二者均发生故障，还可以通过工作筒内壁与外壁安装的压力传感器返回的内压数据p_iI与外压数据p_iO(见图 3)对配注量ΔQ_i进行测算。

2.2 井口控制器

井口控制器一方面负责将智能测调工作筒测量的井下各参数向上传递至中控PC，另一方面又需要将中控PC根据传感参数决策出的控制信号下达至各智能测调工作筒。

井口控制器与智能测调工作筒之间的通信通过单芯电缆实现，通信方式为直流电力线载波通信。电力线载波通信方法利用供电线路进行数据传输，不需额外线路，能够满足井下设备对线路的占用空间和可靠性2方面要求。

中控PC机与各井口控制器通过RS-485总线进行连接。RS-485采用平衡发送和差分接收，具有很强的抗干扰能力，有效通信距离可达上千米；其电气原理使得采用RS-485总线标准的通信设备可以在节省许多信号线的情况下方便地构成分布式系统，实现一个中控PC作为主控节点，多个井口控制器作为从节点的控制网络组建。

2.3 中控PC

中控PC的主要任务均通过在其上运行的“地面测调软件”来完成。该软件主界面分为工具栏、信息显示、曲线显示、井资料显示及消息显示几个区域。地面测调软件接收到井下各个智能测调工作筒经由井口控制器返回的数据，实时以文字的形式显示在信息显示区，以图形化的形式显示在曲线显示区，并在井资料显示区显示对应井的设定流量和设定偏差等信息，方便操作人员进行对照。操作人员通过工具栏上的各个按钮对各工作筒进行操作，达到相应的作业目的；另一方面，软件还能够根据不同的格式模板生成报表，完善对多口井注水作业的管理。除去以上基本功能，地面测调软件还具备一些特色功能以提高作业效率，保障作业安全。

2.3.1 直读验封

验封即检查井下封隔器的密封性。若井下封隔器密封不严，会造成正常分注演变为混注，甚至造成单层吸水量过度，从而加剧层间矛盾，影响注水开发效果，因此验封的作用非常重要。常规验封需要进行钢丝电缆作业，与常规注水作业类似，存在效率低的缺点。而地面测调软件在智能测调工作筒的支持下，无需单独下入验封仪即可实现远程操作下的直读验封功能。以图 4所示情况举例。验封时，通过控制工作筒向工作筒1、3、5所在层加压。通过各工作筒所安装的压力传感器可以实时测量其所在层压力(p_1O、p_2O、p_3O、p_4O、p_5O)随时间的变化趋势。若所测2、4层地层压力不受管柱压力的影响，基本保持不变，证明工作筒2、4两侧密封良好。图 5为5层井验封曲线。

2.3.2 异常情况报警保护

该系统可以对地层压力超压报警、井口注入压力超压报警及压力突变报警等多种异常情况报警。如图 4所示，以工作筒1为例，如果地层1内由于地层堵塞或底水突破压力突然升高时，当智能配水器监测到地层1压力p_1O发生突变，系统会自动关闭智能配水器1的水嘴，防止地层水返吐。同时还会发出报警，提醒地面控制人员。通过报警及关断功能，提高了整个注水系统的安全性及可靠性。

2.4 基地服务器

基地服务器可细分为陆地终端的数据中心服务器以及位于总部的中央服务器2部分，它们与各平台的数据链接关系如图 6所示。

所有中控PC获取到的平台注水井各项参数以及控制运行情况均通过GPRS终端发送、汇总至陆地终端服务器，并进一步通过Internet网络汇总至总部中央服务器，便于决策人员能够根据实时、直观的数据给出有效的应对方案，也便于在更高的层面对生产作业进行统筹规划。GPRS适用于少量、频繁的数据传输或者突发性的、间断的数据传输，而且针对海上平台自身的特殊情况，能够利用现有网络有效节约成本。但由于当前中控PC以下层级的系统尚处于局部应用阶段，故整体网络尚未完全铺开，相信随着技术的发展，海上平台相互间的数据传输将更为便捷。以先进的通信网络为依托的更为精细化、智能化的数字油田将成为未来的发展趋势。

3 现场应用

2014年8月，电缆测调技术在渤中作业公司QHD32-6 WHPC平台成功应用。该井为2层分注，井斜为56.4°，单层最大排量为400 m³/d。施工完成后，地面控制设备与井下智能测调工作筒通信正常，在地面可以实现井下注入量的监控与调配，分层调配配注量和注入压力达到配注要求。通过网络远程控制在陆地终端就可以实现WHPC平台井下压力、注入量的监测及注入量的调节，极大地提高了监测效率，便于大规模进行油田管理。

4 结 论

(1) 海上平台注水远程控制与管理系统采用直流电力线载波通信方式，实现对多口井、多个层注水的集中、高效、精细化管理。

(2) 该系统实现了井下分层数据的远程实时监测及控制、注水量自动调整和封隔器直读验封等功能。

(3) 系统异常情况报警保护功能实现了地层超压报警和井口压力超压报警，并能实现水嘴的自动关断功能，保证了注水安全。

(4) 系统采用GPRS终端发送、汇总至陆地终端服务器，通过Internet网络汇总至总部中央服务器，使决策人员能够及时、直观地观测到监测数据，有助于更加全面地进行决策规划。

(5) 电缆测调技术在QHD32-6 WHPC平台的顺利实施，为海上数字化油田的发展奠定了良好的基础。