0 引言
水驱是中国油田主体开发方式，水驱油田产量占目前中国油田总产量的60%以上。精细分层注水开发在大庆油田长期稳产和长庆油田增储上产过程中起到关键作用，预计未来10年内仍是中国油田提高采收率和控水稳油的主要技术手段。中国石油天然气股份有限公司（简称中国石油）现有分层注水井5.7×104口，主体技术是桥式偏心+电缆高效测调的人工作业，年测调40多万次，资源消耗巨大。随着近年来精细分层注水的持续推广应用，水驱开发面临许多新形势，如分层注水井数逐年增加、分段日益精细、测调周期逐步缩短等，使得测调工作量剧增，成本大幅上升，并且所获数据仍无法满足开发方案优化需求[1-2]。实现分层注水数字化是解决当前生产矛盾、实现开发方案优化和降本增效的必然选择，也是中国智慧油田建设的重要方面。
井下监测与数据传输是实现分层注水数字化的关键和难点，鉴于井底长距离数据传输和线路连接的复杂性，以及恶劣或极端作业和生产环境对系统可靠性提出更高的要求，获取井筒和油藏实时数据面临巨大挑战。本文重点论述中国分层注水井下监测与数据传输技术的发展历程，结合油田生产现状、生产需求和现有井下监测与数据传输技术的特点，提出分层注水井下监测与数据传输技术发展方向。
1 分层注水井下监测与数据传输技术的发展历程
1.1 传统井下数据获取方法
1.1.1 投捞井下存储式传感器
采用钢丝投捞双通道压力计进行分层压力测试以及封隔器验封都属于这种方式。以偏心分层注水工艺管柱为例，需要进行压力测试时，首先打捞井下堵塞器，然后将双通道压力计投入偏心配水器偏孔内，同时测量油管内压力和地层压力，测试完成后通过钢丝下入投捞器，捞出双通道压力计，然后再次投入堵塞器，实现正常注水。对取出的存储式双通道压力计进行数据回放，获取地层压力及压力恢复曲线等数据。注水管柱验封时，将堵塞式双通道压力计投入到反应层配水器内，如图1 所示，同时采集油套两路压力。地面做“开、关、开”动作改变注水压力，使得动作层环空压力产生变化。捞出双通道压力计，地面回放观察压力曲线判断封隔器是否密封。
投捞传感器会影响井下流动状态，使测试资料准确性降低，即无法精确反映地层状态。此外，整个测试过程繁琐，测试效率低，掉卡仪器事故率较高。
1.1.2 电缆直读通讯与测调技术
随着油田开发的深入，层间矛盾加大，需加密测调周期以保障注水合格率。为了有效缩短现场测试时间和减少工作量，20世纪90年代研制并规模应用了以“桥式偏心、桥式同心和配套电缆高效测调”为核心的分层注水工艺[1]。其核心是用电缆代替钢丝，携带井下电动测调仪作业，系统组成如图2 所示。系统由电动测调仪、电缆绞车、地面控制系统等3个部分组成。井下电动测调仪与桥式偏心配水器的堵塞器对接，实现流量自动调整，无需投捞堵塞器。同时对井下流量、压力、温度等信号在线实时采集，大幅度提高了注水井的测调效率。井下电动测调仪经电缆绞车与地面控制系统相连。地面控制系统主要完成对井下仪器的供电控制、通讯以及上传信号的采集与处理，可实现井下各层注水量的实时监测、调节过程监测、成果曲线绘制及吸水指示曲线绘制等。地面控制系统与井下测调仪通过直流载波通信方式进行信号传输，即借助电缆自身的电容和电阻特性，利用对电容的充电与放电及与电阻的等效关系，达到对电压进行调制的作用，从而在供电系统中载入测控信号进行分时高速传输。同时，通过程序优化，将载入的测控信号直接调制到基带上，达到载波的振幅和频率，并利用抑制功能原理使测控信号始终处于基带附近，以克服电缆长度造成的信号衰减及失真，提高测控信号传输的可靠性和稳定性，信号传输距离可达4 km以上。
“桥式偏心+电缆直读测调”因其在测试方面的优势，目前仍是中国油田的主体分层注水技术。但这种通讯方式只能在测试时测量井下参数并获取片段数据，无法实现井下参数的长期监测，而且每次通讯时都需要动用测试车，导致工作量增加。
1.1.3 井下接力通讯技术
21世纪初，在分层注水测试过程中，为了克服电缆直读测调只能获得井下片段数据、投捞作业对工人技术水平要求高、深井作业难度大等问题，在电缆直读测调技术基础上，开发了井下接力通讯技术。
井下接力通讯技术通过井筒长距离有线通讯和井下短距离无线通讯接力的方式实现。分层注水中，系统主要由以井下无线通讯短节为主的接力通讯系统和井下电控配水器组成。井下无线通讯短节通过电缆与地面控制计算机相连，通过电缆载波方式同时实现无线通讯短节的供电及与地面计算机的双向通讯，同时，通讯短节以无线方式与井下电控配水器通讯，完成地面指令的下达以及智能配水器测量数据的上传[8⇓-10]，系统构成如图3 所示。在该技术中，井下电控配水器自带电池、无线通讯模块和电控水嘴，能够监测、调整井下参数并将监测数据存储在配水器的存储器中。当需要调整注水参数或读取井下数据时，用电缆车携带无线通讯短节快速下入目的层后改为缓慢下放，无线通讯短节不断呼叫井下电控配水器，电控配水器在休眠待机过程中每隔一段时间会自动唤醒1次，当无线通讯短节与井下配水器成功通讯后配水器转入工作状态并提示地面停止电缆下放，建立起地面控制器+电缆+无线通讯短节+井下电控配水器的接力通讯链路，并实现远距离非接触通讯。通过这种方式，可以实现井下电控配水器的控制调整和仪器存储数据的在线读取，可以获得配水器自下井后的长期监测数据，也可以将地面指令注入井下仪器，实现对井下仪器的控制并实时监测井下参数的变化。由于电磁波在水中衰减极快，加上无线通讯仪器发射功率限制，井下无线通讯距离一般只有30~50 cm，若增加无线功率，可以扩大到1 m。
井下接力通讯技术既可以在测试时获取井下实时参数，又可以读取智能配水器中存储的历史数据，获取数据量大幅提高，由于不需要测试仪器和井下配水器刚性对接，大幅简化现场作业并降低了对操作人员的要求。然而，该技术依然存在无法实时获取井下参数以及测试工作量大的问题，未规模推广应用。
1.2 预置电缆井下参数实时监测通讯技术
为了实时获取井下参数和连续监测数据，21世纪初科研人员研发了预置电缆井下参数实时监测通讯技术。该技术是基于单芯钢管电缆通讯技术研发的，通讯系统主要由地面主机、钢管电缆和配套电控井下工具组成。在完井过程中，电控井下工具通过单芯钢管电缆串联连接，然后通过敷设在油管外的单芯钢管电缆连接到地面控制仪器，进而连接到控制计算机，实现电控井下工具和地面控制系统的物理连接。单芯钢管电缆提供信号传输通道，同时为井下工具供电。该技术作业井深可达3 800 m以上，数据传输速率可达1 kb/s，数据实时性好，数据量大，供电通讯一体化，较好地解决了井下仪器供电和井下监测与数据传输难题，目前在分层注水中已进入示范应用阶段。
以预置电缆实时监测分层注水工艺为代表的第4代分层注水技术，工程实施如图4 所示。将压力、温度、流量传感器与流量控制系统结合成整体置于井下，预置电缆随管柱下入，应用单芯钢管电缆及载波传输技术实现井下测试装置与地面控制主机通讯，可同步控制多级井下测试装置进行数据监测和流量调配，对各层段注入压力、流量和温度进行实时监测及堵塞器开度控制，实现全自动分层调配及参数监测。其优势为数据量、调配周期和通信不受施工和环境的限制，通过电缆增大电机的驱动能力以便处理遇堵问题，该工艺更加有利于注水合格率的保障和辅助油藏分析。预置电缆分层注水技术实现了注水井分层压力和流量的数字化实时监测及油藏注水动态监测的网络信息化，推进分层注水工艺向数字化、自动化、集成化方向发展[11-12]。
1.3 分层注水井下无线通讯技术
为了实现井下远程控制，同时满足带压作业等工艺需求，科研人员对井下无线通讯技术的探索从未停止，但由于传统电磁波技术用于井下远程通讯的实现难度大、成本高，只能寻找其他适用于分层注水的井下无线通讯技术。近年来取得进展的井下无线通讯技术主要包括振动波井下监测与数据传输技术、压力波井下监测与数据传输技术和流量波井下监测与数据传输技术。井下无线通讯技术都是借助井筒现有资源，以油套管或水流为通讯介质实现远距离通讯。
1.3.1 振动波井下监测与数据传输技术
由于管柱结构的复杂性和陷波、信号识别、电磁兼容等一系列技术难题，振动波下传技术直到2015年才获得系统性突破，并成功应用于分层采油和找堵水作业中。由于地面振动信号发生器功率不受电源局限，向井下监测与数据传输距离理论上不受限制。以目前仪器水平，已实现下传井深2 680 m的直传通讯，数据传输速率最快可达8 b/s，特别适合井下工具的远程控制，应用前景广阔。
振动波上传技术发展相对滞后，随着电池供电井下振动信号发生器的研发成功及通讯策略的转变，2019年实现了井下到地面振动波通讯技术的突破，并同步开展振动波控制分层注水现场试验。目前已成功完成5口井的现场试验，试验井深分布在800~1 000 m，在环境噪声不大的情况下，均能完成双向直传通讯。
振动波控制分层注水技术工作系统如图5 所示。地面仪器主要由振动信号发生器及控制电源系统组成，井下仪器为振动波控制配水器，内含加速度传感器、振动信号发生器、电控水嘴、压力温度传感器等。当地面需要井下监测数据或调整井下参数时，地面控制计算机控制地面振动信号发生器发出特定的振动波信号，唤醒井下处于睡眠状态的振动波控制配水器，并建立一对一通讯链路。振动波控制配水器可根据地面指令调整井下配注量并实现分层注水远程控制，也可根据地面指令将井下流量、压力、累计配注量、阀门开度、温度等历史数据上传。
由于振动波井下监测与数据传输技术完全借用现有油套管资源，不占用油管中心通道，施工工艺简单，作业风险小，成本低，时间短，适应各种井筒类型，在分层注水应用中具有独特优势。但振动波上传直传距离有限，在一定程度上限制了其应用范围。
1.3.2 压力波井下监测与数据传输技术
压力波通讯技术一开始是小规模应用于分层采油和找堵水作业中，21世纪初后期开始应用到分层注水中，形成了压力波控制分层注水技术[25⇓⇓-28]，其系统组成如图6 所示。地面注水阀组设计有压力波编码控制器，可按照远程软件发送的指令自动控制压力波编码控制器开度，规律性地改变注水井油管中的压力，建立井筒内的压力波动，并在井下产生压力波动信号。井下智能配水器集成压力传感器及可控水嘴，压力计连续检测并存储压力值，配水器的控制器调取压力值并解析波动码，将其转换为控制信号来控制水嘴开度，实现地面至井下的命令传输及地层注水量的控制。井下智能配水器的控制器根据井下数据发送指令控制水嘴开度，并在井口产生压力波动信号。地面控制系统实时监测井口压力值，将检测到的压力波动信号解码，实现井下分层流量、压力和温度等数据向地面传输。
压力波控制分层注水技术信号传输不占用油管通道，压力传感器同时作为井下监测与数据传输传感器，技术成熟度高且成本较低，井下仪器容易实现低功耗待机。该技术已在长庆油田进行了小规模应用，截至2021年底已经应用1 248口井，最大传输井深2 900 m，单个命令下传40 min，单个数据上传40 min，是目前应用井数最多的井下无线通讯注水技术。从长庆油田的生产应用结果看，压力波控制分层注水技术信号传输速度较慢，远低于随钻测井的1 b/s，选择该技术是为了适应开放井下环境压力波信号传输需求，保证在大多数油藏状况下都能完成双向通讯。
1.3.3 流量波井下监测与数据传输技术
为了解决压力波信号在分层注水应用中存在的环境适应性问题，根据对中国主流注水井网结构的调研结果和生产需求分析，2015年提出依托现有注水井网资源，用流量波来实现井下监测与数据传输，建立从配水间到井下配水器之间的无线通讯网络。流量波通讯的理论依据是流动液体的连续性原理和质量守恒定律，即在地面高压泵作用下，水被注入井下地层，注水管道中的水流连续流动，单位时间内流过管道任一截面水的质量相等，因此用流量波进行信号传输具有优越的抗干扰能力和环境适应性。
流量波通讯系统的网络构架如图7 所示，系统主要由安装在配水间分水管线上的流量信号发生器、流量信号检波器和井下各层电控配水器组成，井下电控配水器内置流量传感器、压力传感器、电控水嘴等辅助仪器。需要进行指令下传时，地面流量信号发生器在计算机控制下发出含有控制指令信息的流量波动信号，通过注水管线和油管传递到井下电控配水器，井下流量传感器接收到地面控制指令时，解码还原地面控制指令并完成相应动作。井下数据上传时，井下电控配水器根据地面的控制指令将井下数据转换成控制信息，通过控制电控水嘴的开度变化，将信息调制到注水水流上向地面传递，地面的流量信号检波器检测到注入流量的变化，通过解码实现井下数据还原，进而实现井下数据的上传。
由以上流量波数据传输过程可知，流量波双向通讯的能量均来自地面的注水压力。因此，只要地层能够吸水，就能完成信号的传输，而且吸水特性越好，完成信号传输越容易，并且不需要在井下形成较大的压差波动，信号传输对坐封工具、地层压力影响小，具有良好的环境适应性。
流量波通讯技术目前仍在发展和完善中，已经完成分层注水全过程的模拟实验。测试结果表明，通过产生合理时间间隔的流量脉冲，流量波可实现1 400 m无衰减信号传输，典型的流量波下行传输曲线如图8 所示。该模拟实验将井下传感器置于地面，由多通道高速信号采集系统完成数据的实时集中采集。图8 中红色曲线为0 m处流量传感器检测到的上游流量变化，该曲线通过调整上游控制阀门的开度及开关保持时间而形成；蓝色曲线为1 400 m处流量传感器接收到的下游流量变化，是红色曲线在下游1 400 m处的响应。如图8 所示，排除水流压缩性、水流惯性所产生的流量瞬时波动及短暂延迟，两条流量曲线具有基本无衰减的波动幅值，并且变化趋势呈现出很好的一致性。由此可见，人为产生的规律流量波动在流经1 400 m管线后能得到准确复现，并进一步证明了流量波可作为井下远程信号传输的理想载体。
依托现有注水井网资源，采用流量波井下监测与数据传输技术，可以建成以配水间为节点、水流为信息载体的井下无线通讯网络，借助配水间供电系统，通过现有移动网络，可构建覆盖地面控制中心到油藏的数字化无线通讯网络，为实现分层注水数字化提供技术支撑。该技术可实现完整的单井测调无线控制链路，为实现配水间和油藏工具联动测调提供基础条件，也为井组联调联控和注水参数优化奠定坚实基础，具有布置成本低、易于工业化应用等优势。流量波控制分层注水技术将于近期进行现场试验。
2 存在问题及挑战
由于井下环境复杂，要实现智能分层注水，并进一步提高水驱开发效果，需要更加高效、可靠、经济的井下数据传输技术。
2.1 井下电缆通讯技术面临的问题
可以预见，在新的低成本井下监测与数据传输技术成熟应用之前，在未来相当长的一段时间内，电缆直读通讯与测调技术仍将是油田分层注水测调技术的主体。但在进行井下监测与数据传输时需动用测试车下入通讯工具进行，导致人工工作量增加，只能获取短暂的数据片段，随着注采关系频繁变化，测调周期逐步缩短，有限的队伍服务能力与精准数据需求、开发成本之间的矛盾将越发突出。
预置电缆分层注水技术处于示范应用阶段，由于电缆与分层工具属串联系统，在多层段应用中，过多的井下连接会降低系统可靠性，综合服役寿命仍需现场进一步验证。敷设电缆导致现场施工工艺复杂，对套变、井斜适应性差，难以满足带压作业工艺要求。电缆不能重复使用，多数注水井现场没有电源供应，规模应用面临进一步的基建投入。应用成本和施工工艺复杂性是缆控技术无法回避的难题。
2.2 井下无线通讯技术面临的问题
2.2.1 井下电池能量限制
井下无线通讯技术近年来取得一定进展，并在分层注水调控方面获得一定范围的应用，但井下无线通讯控制分层注水技术均面临一个共性问题，即基于无线通讯技术的井下分注工具均采用电池供电。由于电池能量限制，上传数据量和井下服役周期互相制约，对井下传感器和主控程序的功耗都提出很高要求。其次，由于井下仪器均带有轴密封和多道静密封，微小泄露不可避免，水气会在仪器内形成放电通道，高温井中更加突出，此外锂电本身也有一定的自放电率。这些因素都会导致井下仪器待机时间与理论计算时间产生误差，从而导致井下仪器的服役周期短于预期。油田期望井下仪器能稳定工作至少3年，目前通过增加电池串联数量已基本实现。但井下仪器本身的服役期受制造质量、工作环境等方面影响，寿命长短不一，缺乏统计意义。
2.2.2 振动波通讯上传直传距离限制
振动波井下上传通讯技术，受井下电池能量限制，井下振动信号发生器功率不能做得很大，上传直传距离有限，目前只能实现1 000 m以内的稳定通讯。同时，通讯成功率还受井筒噪音、地面噪音、管串工具结构等诸多因素影响，可靠的直传通讯距离还需在更多的现场应用中进一步验证，低功耗数据传输协议也有待进一步完善。采用接力通讯技术能够解决井下上传通讯距离限制，在国外工程实践中也得到证实，国内相关的科研工作尚未开展。
振动波通讯控制分层注水应用中，井下每层工具均需要配备振动信号发生器，但振动信号发生器电声转换器件为贵重的超磁致伸缩材料，仪器成本很难大幅降低，采用接力通讯上传会导致单井成本进一步提高，并增加管柱的复杂性。由于通讯构架更为简单的流量波通讯技术的突破性进展，现在已暂停发展基于振动波接力通讯的分层注水技术。
2.2.3 压力波通讯技术环境适应性限制
压力波井下无线通讯技术应用于分层注水时，其传输通道为油管和地层组成的开放系统，通讯速度和成功率受油藏特性影响较大。如果油藏吸水特性好，在地面供水能力有限的情况下，将难以在井下建立有效压差。对于低渗透油藏，则需要建立专门的排水管线和污水池以实现压力信号传输，工程实施成本高。为确保压力波通讯的成功率，在实际应用中多采用全开全关的通讯方式或临时借助地面泵车发送压力信号，可能会在注水管柱中形成较大的压力冲击，严重时加剧管柱伸缩位移，甚至导致封隔器解封或失效。
2.2.4 流量波通讯技术井下流量传感器灵敏度和功耗限制
流量波井下监测与数据传输技术具有简洁的通讯架构，特别适合应用于分层注水，实现的关键是井下流量计量和信号监测技术。井下流量精确计量尤其是小流量计量是行业性技术难题，流量波数据传输技术对井下流量传感器提出更高要求：一方面，井下流量计必须具有较高的灵敏度，以适应流量波小信号检波要求；另一方面，必须具备良好的环境适应性和稳定性，作为井下监测传感器，井下流量传感器必须具有低功耗特性，否则在电池供电情况下难以满足监测工作要求。
作为全新的技术领域，流量信号在注水井网中的传输特性尚不清楚，井下高精度流量计量、通讯实时性和功耗难兼顾，低功耗、高精度数据上传缺乏有效方法，地面流量传感器难以兼具宽量程和高灵敏特性。笔者针对以上技术难题，正在开展相关系统攻关。
2.3 基于单井的分层注水技术面临的问题
数字化分层注水技术发展的首要目标是系统解决自动调控、地层吸水特性测试、注入量计量和注水压力参数优化，把人从繁重的测调工作中解放出来，达到降本增效目标，并减少人为干扰因素，为开发方案优化提供所需数据。现阶段发展的电缆通讯技术、振动波通讯技术只能解决从油藏到井口的数据传输，压力波通讯技术存在环境适应性问题。但油田分层注水是由水源、配水间、注水管线、井筒和油藏组成的复杂系统，要实现自动调控首先应实现井下仪器和配水间的联动联调，也是实现注水参数优化和节能降耗的前提，因此现有的数字化分注技术与数字化分注目标和生产需求还有相当距离。与此同时，单井分注测调是一个相互影响的缓变系统，地面和井下变化对彼此影响往往需要十几秒到数百秒才显现，地面和井下缺乏控制参数的实时反馈，传统控制方法无法实现自动化测调。
3 分层注水井下监测与数据传输技术的发展方向
实现智能分层注水是提高水驱动用程度、保证水驱稳产的必由之路，而井下数据高效传输是实现智能分层注水的关键。分层注水井下监测与数据传输技术发展主要有以下几个方向。
对于现场规模应用的电缆高效测调井，可结合微型电池、传感器和存储器，对传统配水器进行数字化改造，在不影响投捞性能的前提下，可以嵌入压力传感器和存储器及微处理器，实现对地层压力的监测，以弥补地层压力参数变化历史数据的缺失，结合接力通讯技术，也可实现历史数据的在线读取。
对于有井下参数实时监测需求的重点监测井，重点发展高速有线通讯技术。一方面是进一步完善预置电缆通讯技术，主要提高通讯电缆连接的稳定性和可靠性，如优化电缆连接方式、简化并规范现场施工工艺、提高管材质量等。另一方面，借助新型管材技术发展成果，利用有内置缆芯的复合连续管来代替传统油管进行完井作业，以提高施工的便捷性和可靠性。当然，在复合连续管的环境适应性、抗挤压性能、复合连续管连接可靠性方面还有大量工作要做。
对于以实现测调自动化并提供少量监测数据为目标的规模生产应用，应重点发展低成本的井下无线通讯技术。一方面，进一步完善压力波井下监测与数据传输技术，优化数据传输编码方法，提高通讯速度；另一方面，加快流量波井下监测与数据传输关键技术攻关，尽快突破以低功耗、高灵敏井下流量传感器为代表的关键技术，攻关地面和井下同步测调控制方法，实现自动测调并提高测调效率。同时，结合移动无线通讯网络，加快建设覆盖控制中心、配水站、配水间和分注井的分层注水综合控制通讯网络，加快配水间电控化改造，尽快实现分层注水的联调联控，进而实现优化注水参数和降本增效的目标。
在水驱开发体系中，除了继续发展注水井相关技术外，提升受效井即采油井的精细化管理亦十分重要，需开展油藏、工程一体化技术研究。如将分层注水井下监测与数据传输技术同分层采油技术结合，通过数据共享与联动控制，进一步深化储集层认识，为开发方案的制定提供更精准的数据模型，最终形成由油藏数据驱动的新一代智能分层注采技术，进一步实现有效控制含水率、合理动用储量和降本增效的目标。此外，需进一步研究如何将分层注水成熟的、较低成本的数据传输技术扩展应用至分层采油领域中，提高分采管柱的适应性。
4 结语
井下监测与数据传输技术是实现分注数字化和自动控制的关键，为了满足油田开发不同阶段的生产需求，分层注水井下监测与数据传输技术的发展先后经历了投捞井下传感器、测试车下入电缆直读通讯、井下接力通讯、预置电缆通讯以及井下无线通讯的发展历程。结合油田生产需求和现有井下监测与数据传输技术存在的问题，提出数字化分层注水技术发展方向。对已规模应用的高效测调技术，重点实现配水器的数字化；对于重点监测井，进一步完善缆控分层注水技术并发展复合连续管分层注水技术；对于以实现测调自动化为目标的规模应用，应重点发展无线控制分层注水技术，充分利用数字化分层注水技术成果，发展数字化分采技术，提升油藏开发数字化水平，为实现油藏与工程一体化提供技术支撑。