石油勘探与开发 >

2025 , Vol. 52 >Issue 1: 204 - 216

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20240607

石油工程

电磁耦合智能分层采油技术

  • 杨清海 , 1 ,
  • 廖成龙 1 ,
  • 贾德利 , 1 ,
  • 祝英俊 2 ,
  • 于川 1 ,
  • 孔令维 2 ,
  • 于洋 2 ,
  • 杜凯 2
展开
  • 1 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
  • 2 大庆油田有限责任公司第四采油厂，黑龙江大庆 163700
贾德利（1980-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事分层注采和井筒工程控制技术等方面的研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院智能控制与装备研究所，邮政编码：100083。E-mail:

杨清海（1981-），男，河南新乡人，博士，中国石油勘探开发研究院高级工程师，主要从事智能分层注采、分层测试、井下发电、井下传感、石油工程仿生、油气新能源融合等方面的研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院智能控制与装备研究所，邮政编码：100083。E-mail: com.cn

Office editor: 胡苇玮

收稿日期: 2024-09-14

  修回日期: 2025-01-10

  网络出版日期: 2025-02-07

基金资助

国家自然科学基金面上项目“基于载荷脉冲的抽油机井无线通讯方法研究”(52374067)

中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“智能分层注采工程技术研究”(2021ZG12)

中国石油天然气股份有限公司科技项目“复杂工况高效注采理论与新方法研究”(2023ZZ09)

收起

An intelligent separated zone oil production technology based on electromagnetic coupling principle

  • YANG Qinghai , 1 ,
  • LIAO Chenglong 1 ,
  • JIA Deli , 1 ,
  • ZHU Yingjun 2 ,
  • YU Chuan 1 ,
  • KONG Lingwei 2 ,
  • YU Yang 2 ,
  • DU Kai 2
Expand
  • 1 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
  • 2 The Fourth Oil Production Plant of Daqing Oilfield, Daqing 163700, China

Received date: 2024-09-14

  Revised date: 2025-01-10

  Online published: 2025-02-07

Fold

摘要

针对现有分层采油工艺技术存在的不适应检泵作业、有效工作寿命短、通讯可靠性差等问题，提出了电磁耦合智能分层采油技术，研制了核心工具及配套工具，并开展了现场试验。采用生产和配产管柱分离的丢手管柱结构，当两管柱在井下对接后，利用电磁耦合原理实现管柱间电能与信号的近距离无线传输，为井下多个智能配产器供电，并实现双向通讯。研制了适应井下复杂工况的电磁耦合传能与通讯装置、智能配产器、地面控制器等核心工具，以及大通径丢手锚定器、油井过电缆封隔器等配套工具，实现了技术定型。在大庆油田完成10口井现场试验，两管柱井下对接快捷、可靠，电磁耦合传能与通讯装置工作稳定，实现了井下分层流量、压力、温度的实时监测和分层产液量调控，提高了储层认识程度，取得了增油、降含水的生产实效。

关键词： 分层采油; 电磁耦合; 电能无线传输; 信号无线传输; 井下实时监测; 注采协同调控; 降水增油

本文引用格式

杨清海 , 廖成龙 , 贾德利 , 祝英俊 , 于川 , 孔令维 , 于洋 , 杜凯 . 电磁耦合智能分层采油技术[J]. 石油勘探与开发, 2025 , 52(1) : 204 -216 . DOI: 10.11698/PED.20240607

Abstract

To address the challenges of existing separated zone oil production technologies, which include incompatibility with pump inspection operations, short effective working life, and poor communication reliability, an innovative electromagnetic coupling intelligent zonal oil production technology has been proposed, core tools and accessory tools have been developed and applied in field tests. This technology employs a release-sub-involved pipe string structure that separates the production and allocation pipe strings. Once the two strings are docked downhole, the principle of electromagnetic coupling is used to achieve close-range wireless transmission of electrical power and signals between the strings, powering multiple downhole intelligent production allocators (IPAs) and enabling two-way communication between ground and downhole. The core tools including downhole electricity & signal transmission equipment based on electromagnetic coupling (EST), IPAs, and ground communication controller (GCC), and accessory tools including large-diameter release sub anchor and cable-crossing packers, have been developed to meet the complex downhole conditions. Field tests on ten wells in the Daqing Oilfield demonstrated that the downhole docking of the two strings was convenient and reliable, and the EST worked stably. Real-time monitoring of flow rate, pressure and temperature of separate layer and regulation of zonal fluid production were achieved, enhancing reservoir understanding, and achieving practical production results of increased oil output and reduced water content.

Key words： separated zone oil production; electromagnetic coupling; wireless transmission of electrical power; wireless transmission of signal; real-time downhole monitoring; collaborative regulation of injection and production; oil production stabilization and water cut control

0 引言

分层采油是油田高含水阶段解决层间矛盾、充分发挥中低渗透层产能、减少无效水循环、实现剩余油挖潜的重要手段[1]。目前，中国老油田已全面进入开发中后期，要有效控制含水上升速度，进一步挖掘剩余油潜力，需提升采油井的分层控制水平，推动分层采油在功能上从“堵水”向“控水”转变，在实现方式上由机械化向数字化转变[2]。在此背景下，出现了缆控式、振动波控制等电控分层采油技术，初步实现了井下分层产量、含水率、压力等参数的在线实时监测，为油藏动态分析和优化提供了大数据基础[3⇓-5]。缆控式分层采油根据管柱结构又可分为整体式和丢手式。整体式结构的生产管柱与配产管柱是一体的，电缆敷设在油管外部，由井口贯穿到井底，连接各个层段的配产器。该结构一趟管柱可完成全部作业，打压坐封过电缆封隔器后即可生产，具有管柱结构简单的优点，也存在作业工艺繁琐、配套泵组适用范围小、检泵作业需将管柱全部起出、管柱蠕动易造成封隔器失效等缺点[6]。丢手式结构的生产管柱与配产管柱是分离的，根据两者对接方式不同，又分为无线对接式和湿对接式，无线对接式只能实现无线通讯，井下电能受限，管柱起出时存在卡井风险，湿对接式可实现电能和信号对接，但对接成功率低、长期可靠性较差[7]。振动波控制分层采油采用丢手管柱结构，利用振动波实现地面和井下数据传输，具有施工工艺简单、作业风险小等优点，也存在井下电池容量受限、上传功率小、适用井深浅等缺点[8-9]。总体上看，现有分层采油工艺技术存在不适应检泵作业、有效工作寿命短、通讯可靠性差等问题，整体处于研发和试验阶段，应用范围较小。
为此，本文采用生产管柱和配产管柱可分离的丢手管柱结构，解决检泵问题，并利用电磁耦合原理实现生产管柱和配产管柱之间的电能与数据可靠传输，解决检泵时两管柱间的分离与重复对接难题。在此基础上，设计研制了满足井下复杂工况要求的电磁耦合传能与通讯装置、智能配产器、地面控制器等核心工具，形成具有适应检泵作业、高可靠性等特点的电磁耦合智能分层采油技术。

1 系统结构与作业工艺

1.1 系统构成

图1为电磁耦合智能分层采油技术的管柱结构，主要分为地面控制器、生产管柱、配产管柱等3个部分。地面控制器用于采集井下动态监测数据、下发层段液量调节指令，并与数据中心交互。生产管柱包括油管，外绑在油管外侧、贯穿整个生产管柱的单芯电缆，以及管柱下部的过电缆油管锚、管式泵和电磁耦合传能与通讯装置发射端（EST-P）。配产管柱包括丢手锚定器、电磁耦合传能与通讯装置接收端（EST-S）、与分层数相对应的过电缆封隔器和智能配产器、油管及电缆等。
图1 电磁耦合智能分层采油技术管柱结构示意图
该技术的核心为电磁耦合传能与通讯装置（Electricity & Signal Transmission Equipment based on Electromagnetic Coupling，简称EST），包括发射端（EST-P）和接收端（EST-S）两部分。EST-P连接在生产管柱管式泵下方，通过单芯电缆与地面控制器进行信号和电能传输，EST-S安装在配产管柱丢手锚定器下方，通过单芯电缆与多个智能配产器进行信号和电能传输。EST-P与EST-S无线对接后，整体管柱基于电磁耦合原理实现电能与数据无线传输，为井下智能配产器提供充足电能和实时通讯通道。生产过程中，抽油杆抽吸可能会造成生产管柱上下伸缩蠕动，进而导致EST-P与EST-S的无线对接失效，因此在管式泵上方配备过电缆油管锚，避免油管蠕动。丢手锚定器起到锚定或打捞配产管柱的作用，并为EST-P提供大通径中心通道，使其与EST-S实现无线对接。过电缆封隔器实现井下层段封隔。智能配产器具有井下层段温度、压力、流量监测与产液量调控功能。

1.2 作业工艺

电磁耦合智能分层采油技术的作业工艺主要包括配产管柱入井、生产管柱入井与对接、正常生产、检泵及重复入井对接等4个环节，如图2所示。
图2 电磁耦合智能分层采油技术作业工艺示意图

1.2.1 配产管柱入井工艺

根据工程设计，在井口将配产管柱上的智能配产器（多支）、过电缆封隔器（多支）、EST-S、丢手锚定器依次连接，将单芯电缆外绑在油管外侧，之后通过油管作业将配产管柱下入到指定井深位置。然后，井口油管打压分别完成过电缆封隔器坐封、丢手锚定器锚定，继续打压至丢手锚定器丢手脱开，完成配产管柱下入与悬挂，此时管柱结构如图2a所示。

1.2.2 生产管柱入井与对接工艺

将生产管柱的EST-P、管式泵和过电缆油管锚依次连接，之后通过油管作业下入生产管柱。待生产管柱下入到丢手位置后，EST-P前端的导向机构引导EST-P磁芯与线圈总成部分进入丢手锚定器和EST-S中心通道。然后，继续缓慢下放生产管柱，直至井口悬重为零，EST-P与EST-S实现完全对接。利用地面控制器测试井下电能和数据传输状态，确认状态正常后，表明生产管柱与配产管柱对接无误，记录此时生产管柱与井口之间的相对位置从而调整生产管柱长度，即可完成井口安装，单芯电缆从井口采油树套管四通穿出并用电缆密封装置进行密封。随后，井口油管打压使过电缆油管锚坐卡，从而使EST-P与EST-S相对位置完全固定，避免泵抽过程油管蠕动对电磁耦合装置内、外筒对接状态的影响。至此，完成生产管柱下入，此时管柱结构如图2b所示。

1.2.3 正常生产工艺

生产管柱下入完成后，下入抽油杆完井，油井进入正常生产状态，管柱结构如图2c所示。通过地面控制器可实现井下分层液量、压力、温度等参数的在线监测与分层液量的智能控制。根据油田开发需要，可进行多层合采、单层轮采等方案调整或分层测试，从而获得不同采油方案下的井下层段生产动态参数，支撑精细化智能化开采。

1.2.4 检泵与重复入井对接工艺

当有检泵或其他起管柱需要时，上提生产管柱。当上提力超出过电缆油管锚解卡载荷后，过电缆油管锚解卡，继续上提管柱，EST-P与EST-S分离，可将生产管柱全部起出，如图2d所示，配产管柱无需起出。在地面完成检泵后，将生产管柱再次下入即可，工艺流程与生产管柱入井与对接工艺一致。若配产管柱出现失效情况，在生产管柱全部起出后，油管作业下入丢手打捞工具，丢手打捞工具与丢手锚定器卡定后，上提管柱，依次解卡丢手锚定器、过电缆封隔器，继续上提管柱，即可将配产管柱全部起出。
由管柱结构与作业工艺可知，电磁耦合智能分层采油技术具有以下特点：①井下对接可靠性高。生产与配产管柱采用无线对接方式，无需物理连接，避免井液和井下复杂工况对电能和数据传输的干扰。②实现井下长期工作。生产与配产管柱对接后，电缆可视为与配产器直连，能够实现长期、实时、高频井下数据采集，支撑油井分层精细化认识。③适应检泵需求。由于具备井下可重复对接与分离的电能及数据传输通道，在例行检泵时，只需起出生产管柱，无需起出配产管柱，有效提高了配产管柱上智能配产器等工具的服役周期，降低设备和作业成本。

2 核心工具研制与测试

根据系统原理和框架结构，设计、研制了电磁耦合传能与通讯装置、智能配产器、地面控制器等核心工具以及系列配套工具。

2.1 电磁耦合传能与通讯装置

2.1.1 电磁耦合传能与通讯装置结构

电磁耦合传能与通讯装置由EST-P和EST-S两部分组成。EST-P主要由上接头、主控电路、磁耦合模块、中心管、保护壳体、导向体等组成，如图3所示。磁耦合模块包括两组磁芯与线圈，分别实现电能和信号传输，其总成环向安装于中心管外表面，中心管材质为无磁钢，保护壳体材质为聚四氟乙烯。EST-P中心内通径25 mm，满足过液需求。导向体用于引导插入对接，磁耦合模块经过线腔体连接到主控电路，而主控电路安装于外壳体和中心管形成的密闭环腔内。EST-S由对接入口、磁耦合模块、外壳体、中心管、主控电路、下接头等组成，如图4所示。磁耦合模块同样包括两组磁芯与线圈，分别实现电能和信号传输，其总成环向安装在外壳体内表面。主控电路安装于外壳体和中心管形成的密闭环腔内。
图3 EST-P结构示意和实物图
图4 EST-S结构示意和实物图
为保证电磁耦合传能与通讯装置耐温性能，在电子元件选型方面，充分考虑了元器件在高温环境下的失效率、导电系数、温漂特性等，选取耐温、耐电压等级高的元件降额使用，同时在电路设计方面也充分考虑元器件散热、功耗优化等问题，采用降低电压、减少无效工作时间等方法降低功耗，减轻电路正常工作时的自身温升，提升电控系统耐温性能。为保证耐压强度，外壳体及中心管等关键承压零件均选用高强度钢材质，并根据承压45 MPa指标计算了最小壁厚。室内实验表明，该装置耐温85 ℃、耐压45 MPa。

2.1.2 传能与通讯原理及路径

EST-P和EST-S无线传能与通讯基于电磁耦合无线传输技术，采用磁耦合谐振方式，通过磁耦合模块实现电能与信号的同步传输，工作原理如图5所示。地面控制器发送的电能与通讯信号耦合形成直流载波信号，经单芯铠装电缆传输至EST-P，再经两路独立的电磁感应耦合系统分别实现井下电能与信号的无线传输，有效避免电能传输对信号传输的干扰[10-11]。
图5 电磁耦合传能与通讯装置工作原理图
电能传输方面，EST-P高频逆变电路首先将直流电逆变为高频交流电，经谐振电路补偿后，通过电能传输磁耦合模块传输到EST-S谐振补偿电路，再经整流滤波处理后输出直流电给井下智能配产器供电。
信号传输方面，EST-P载波串口转换电路首先将载波控制信号转换为串口TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号，并经调制解调电路转换为ASK（幅移键控）调制信号。然后经信号传输电路转变为交流信号，再由信号传输磁耦合模块传输到EST-S的信号传输电路，并转换为串口TTL信号。最后经载波串口转换电路转换为载波控制信号，传输给井下智能配产器，实现智能配产器产液调控阀开度调节等。同样，智能配产器监测的井下层段温度、压力、流量等信号，以相同原理、相反路径传输给地面控制器。

2.1.3 电磁耦合无线电能传输系统设计

电磁耦合无线电能传输系统包含高频逆变电路、谐振磁耦合单元、整流滤波电路3部分。

2.1.3.1 高频逆变电路设计

在无线电能耦合过程中，采用图6所示的高频逆变电路将地面控制系统输入的直流电转换为交流电，通过EST-P电能传输磁耦合模块初级线圈绕组产生交变磁场，并在EST-S电能传输磁耦合模块次级线圈绕组感应出交流电。
图6 高频逆变电路原理

PWM—脉冲宽度调制；RLPWM—右侧低端开关管PWM控制信号；RHPWM—右侧高端开关管PWM控制信号；LLPWM—左侧低端开关管PWM控制信号；LHPWM—左侧高端开关管PWM控制信号

考虑到电能传输功率、效率、绕组特性，由频率调节电路控制PWM（脉冲宽度调制）信号发生器，产生两路互补的信号（PWM1和PWM2）输出（见图7a）。再经PWM驱动电路产生4路全桥逆变开关控制信号（见图7b），进而控制全桥逆变开关电路交替导通，实现直流输入到交流输出的转化（见图7c）。
图7 电磁耦合高频逆变电路设计

V—电压，V；Vm—高端开关管导通驱动电压，V；Vin—输入直流电压，V；t—时间，s

2.1.3.2 谐振磁耦合单元设计

高频逆变电路转化后的交流电经谐振电路补偿后，再经过EST-P的耦合线圈产生交变磁场，之后通过EST-S的线圈耦合输出交流电，如图8所示。
图8 谐振磁耦合单元原理图
在电磁耦合传能与通讯装置设计中，为了提升电能传输效率，应尽可能减小EST-P与EST-S之间的径向间隙；然而，为了保证EST-P和EST-S的井下对接成功率，以及长时间工作后两者的顺利脱开，应尽可能增大两者的径向间隙，这构成一对矛盾。为兼顾井下电能传输效率、径向间隙、井下油水介质影响，采用串串型谐振补偿电路对电能磁耦合单元进行谐振补偿[12-13]，通过串联谐振电容来匹配EST-P初级电感和EST-S次级电感，使电感、电容在工作频率下达到谐振状态，以获得较高的传能效率。
首先，进行谐振电容设计。根据139.7 mm（5.5 in）套管条件下的机械尺寸、负载工作电流、密封与耐压等参数限制，确定EST-P初级线圈和EST-S次级线圈的直径、匝数、线径等参数。谐振电容的计算方法如（1）式所示[14]。EST-P线圈和EST-S线圈的电感由室内实验测得，分别为289 μH和402 μH。通过室内实验测试不同谐振频率下传能效率，结果如图9所示，可以看到当谐振频率为40 kHz时，传能效率最大，系统总损耗最小，因此谐振频率设定为40 kHz。因此，由（1）式计算得到EST-P和EST-S的谐振电容分别为550 pF和400 pF。
$C=\frac{\text{1}}{{{\omega }^{\text{2}}}L}=\frac{\text{1}}{{{\left( 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }f \right)}^{\text{2}}}L}$
式中 f——谐振频率，Hz；L——线圈电感，H；C——谐振电容，F；ω——角频率，s-1。
然后，进行EST-P与EST-S之间径向间隙设计。表1为不同径向间隙下EST-P与EST-S之间传能效率的理论计算结果，可以看出：随着EST-P与EST-S之间径向间隙增加，传能效率降低；当径向间隙不超过3 mm时，传能效率在90%以上。除了影响传能效率，径向间隙还限制EST-P磁耦合模块处中心管的最大壁厚，进而限制中心管的耐压能力。不同径向间隙下，EST-P中心管壁厚的最大设计值和耐外压45 MPa所需中心管壁厚的最小理论值如表2所示。充分保证EST-P井下压力环境下的长期工作可靠性，并综合考虑传能效率、对接成功率等因素，即可完成EST-P与EST-S之间径向间隙设计。
图9 不同谐振频率下的传能效率
表1 不同径向间隙下EST-P与EST-S之间传能效率
径向间隙/mm 线圈间距/mm 互感量/μH 传能效率/%
0 8 312 91.72
1 9 310 91.27
2 10 309 90.80
3 11 308 90.32
4 12 307 89.82
5 13 306 89.31
6 14 305 88.78
表2 不同径向间隙下EST-P中心管壁厚
径向间隙/
mm		 中心管壁厚
最大设计值/mm		 耐外压45 MPa中心管壁厚
最小理论值/mm
1 6 3.80
2 5 3.69
3 4 3.49
4 3 3.27
5 2 3.38
6 1 3.00

2.1.3.3 整流滤波电路设计

采用全桥整流电路实现交变电能转换，整流后的直流电为脉动直流，经滤波处理后输出稳定直流，如图10所示。
图10 全桥整流滤波电路原理

2.1.4 电磁耦合无线信号传输系统设计

电磁耦合无线通讯以单芯电缆为载体、信号传输磁耦合模块为中继，包含载波通讯和无线数字通讯两种形式，实现地面控制系统、EST-P、EST-S、智能配产器间的双向实时通讯。
地面到EST-P以及EST-S到智能配产器采用载波通讯方式，载波通讯信号与直流电源叠加后传输，载波分离电路将接收到的直流+载波信号进行分离，分离出的载波信号送入载波转TTL电路转换提取出通讯指令，如图11所示。
图11 载波通讯原理
EST-P与EST-S之间的无线数字通讯采用ASK调制技术，利用载波分离出的TTL高电平信号调制高频信号，实现连续高频信号的间断输出。连续高频信号输出时表示发送数据1，无高频信号输出时表示发送数据0，如图12所示。该编码方式编码与解码成功率不受某一周期的波形影响，能够适应井下复杂介质、金属屏蔽与干扰等环境，具有较高通讯成功率[15⇓-17]。
图12 ASK调制信号波形
无线信号发送与接收过程如图13所示，调制电路通过TTL信号对高频信号进行调制从而产生ASK调制信号，经放大处理后，通过传输电路滤除调制信号以外的电能干扰，最终经EST-P线圈或EST-S线圈将数字信号发送出去。EST-S线圈或EST-P线圈将接收到的感应电磁信号转换成ASK信号，由于井下较为恶劣的传输环境，该信号存在较大干扰，需经带通滤波器滤除掉干扰信号，再经检波电路提取出通讯包络信号，通过低通滤波器滤除高频信号，利用比较器实现信号整形，得到通讯TTL信号。
图13 无线信号发送与接收电路原理

2.1.5 室内模拟测试

电磁耦合传能与通讯装置的电能传输性能和通讯性能是保证智能配产器正常进行参数监测和流量控制阀开关动作的核心指标，而EST-P与EST-S的井下对接是分采工艺成功的核心环节，为此开展正常对接和异常工况下的电能传输性能和通讯性能测试。

2.1.5.1 电磁耦合无线电能传输性能测试

测试系统组成如图14所示，地面控制器、电磁耦合传能与通讯装置、电子负载相互连接，前两者为实际工具样机，电子负载用于模拟井下电缆和智能配产器耗电，利用万用表分别测量EST-P输入电压和EST-S输出电压。
图14 电磁耦合传能与通讯装置电能传输性能测试系统
首先测试了EST-P与EST-S完全对接条件下（即轴向错位距离为零）的电能传输性能。通过地面控制器将EST-P输入电压分别设置为90，80，70，60，50 V，测得EST-S对应的输出电压、电流、功率及传能效率如表3所示。可见，当输入电压不低于70 V时，井下输出电压可维持在最低供电电压50 V以上，且传能效率保持在90%以上。
表3 完全对接时不同输入电压下电能传输性能
输入
电压/V		 输入
电流/mA		 输入
功率/W		 输出
电压/V		 输出
电流/mA		 输出
功率/W		 传能
效率/%
90 1 074.5 96.7 69.5 1 253.2 87.1 90.1
80 939.0 75.1 61.8 1 098.7 67.9 90.4
70 811.6 56.8 53.2 968.0 51.5 90.6
60 694.9 41.7 46.3 818.6 37.9 90.9
50 577.8 28.9 38.8 677.8 26.3 91.1
为模拟井下对接异常情况，在输入电压为额定电压70 V时，测试了不同EST-P与EST-S轴向错位距离条件下的电能传输性能，结果如表4所示。可见，当错位距离不超过80 mm时，井下输出电压可维持在最低供电电压50 V以上。
表4 70 V输入电压下不同错位距离时电能传输性能
错位
距离/mm		 输入
电压/V		 输入
电流/mA		 输入
功率/W		 输出
电压/V		 输出
电流/mA		 输出
功率/W		 传能
效率/%
0 70 811.6 56.8 53.2 968.0 51.5 90.6
20 70 820.0 57.4 52.8 960.0 50.7 88.3
40 70 905.0 63.4 52.1 947.3 49.4 77.9
60 70 868.5 60.8 50.9 925.5 47.1 77.5
80 70 880.0 61.6 50.3 914.5 46.0 74.7
100 70 896.0 62.7 49.6 901.8 44.7 71.3

2.1.5.2 电磁耦合无线通讯性能测试

将地面控制器、电磁耦合传能与通讯装置、智能配产器连接，通过上位机操作软件记录通讯状态下的发送和接收数据量，从而测试数据传输通讯成功率。
在EST-P与EST-S完全对接情况下，将EST-P输入电压分别设置为90，80，70，60，50 V，测试发送、接收数据量及通讯内容，结果如表5所示。可见，不同输入电压下通讯成功率均接近100%。
表5 完全对接时不同输入电压下通讯性能
输入电压/V 发送数据量/组 接收数据量/组 通讯成功率/%
90 500 499 99.8
80 500 500 100.0
70 500 500 100.0
60 500 500 100.0
50 500 500 100.0
在输入电压为额定电压70 V时，开展了不同EST-P与EST-S轴向错位距离情况下的通讯性能测试，结果如表6所示。可见，当错位距离由80 mm增大到100 mm时，通讯成功率由约100%大幅降低到71.8%，已无法满足正常通讯要求。
表6 70 V输入电压下不同错位距离时通讯性能
错位距离/mm 发送数据量/组 接收数据量/组 通讯成功率/%
0 500 500 100.0
20 500 500 100.0
40 500 500 100.0
60 500 500 100.0
80 500 499 99.8
100 500 359 71.8

2.1.5.3 环境介质影响测试

将电磁耦合供电与通讯装置放置于大庆油田第四采油厂常规油井井液样品（含水率约96%）中，重复上述电能传输性能和通讯性能测试实验，结果如表7—表10所示。可见，在井液中的电能传输功率和传输效率接近于空气中的测量结果，完全对接条件下，当输入电压不低于70 V时，井下输出电压可维持在最低供电电压50 V之上；70 V输入电压下，当错位距离不超过80 mm时，井下输出电压可维持在最低供电电压50 V之上。在井液中的通讯性能也与空气中较为接近，完全对接时不同输入电压下通讯成功率均接近100%；而70 V输入电压下当错位距离大于80 mm时，通讯成功率由约100%大幅降低到70.8%，已无法满足正常通讯要求。
表7 井液中完全对接时不同输入电压下电能传输性能
输入
电压/V		 输入
电流/mA		 输入
功率/W		 输出
电压/V		 输出
电流/mA		 输出
功率/W		 传能
效率/%
90 1 075.1 96.8 68.5 1 243.8 85.2 88.0
80 940.3 75.2 60.8 1 103.6 67.1 89.2
70 812.2 56.9 53.2 964.3 51.3 90.2
60 695.9 41.8 45.6 828.9 37.8 90.4
50 579.1 29.0 38.3 697.1 26.7 92.1
表8 井液中70 V输入电压下不同错位距离时电能传输性能
错位
距离/mm		 输入
电压/V		 输入
电流/mA		 输入
功率/W		 输出
电压/V		 输出
电流/mA		 输出
功率/W		 传能
效率/%
0 70 812.9 56.9 53.2 964.3 51.3 90.2
20 70 827.1 57.9 52.8 964.0 50.9 88.0
40 70 911.4 63.8 52.1 944.3 49.2 77.1
60 70 872.9 61.1 50.9 923.4 47.0 76.9
80 70 887.1 62.1 50.3 914.5 46.0 74.1
100 70 901.4 63.1 49.6 901.2 44.7 70.9
表9 井液中完全对接时不同输入电压下通讯性能
输入电压/V 发送数据量/组 接收数据量/组 通讯成功率/%
90 500 498 99.6
80 500 500 100.0
70 500 500 100.0
60 500 500 100.0
50 500 499 99.8
表10 井液中70 V输入电压下不同错位距离时通讯性能
错位距离/mm 发送数据量/组 接收数据量/组 通讯成功率/%
0 500 500 100.0
20 500 500 100.0
40 500 500 100.0
60 500 500 100.0
80 500 499 99.8
100 500 354 70.8
综合以上测试结果可知，为使井下输出电压维持在最低供电电压50 V之上且保证较高的通讯成功率，EST-P的输入电压应不低于70 V，EST-P与EST-S井下对接后的轴向错位距离应不超过80 mm。

2.2 智能配产器

智能配产器主要由上接头、外壳体、主控电路、液量调控机构、涡街流量计、压力传感器、进液筛管、下接头等组成，如图15所示。主控电路由微控制器模块、电源模块、参数监测与存储模块、载波通讯模块组成，用于采集并传输井下各层段的温度、压力、流量等数据，并控制产液量调控机构开关动作。液量调控机构由耐高温直流电机、行星齿轮减速器、丝杠螺母驱动轴系和产液调控阀组成，最大输出扭矩20 N·m，调控阀全开时最大过流通径15 mm，全关状态下密封压差可达25 MPa。产液调控阀为锥面阀结构，材质为硬质合金，具有良好的耐磨性、抗冲蚀和防积垢性能。压力传感器为钛/硅-蓝宝石传感器，测量范围为0~60 MPa，精度为满量程的±0.5%。涡街流量计优化设计为扇形结构，漩涡发生体为三角形结构，既保证了结构紧凑，又可得到信噪比较高的流量涡街信号。
图15 智能配产器结构示意和实物图
智能配产器集成了井下分层流量、压力、温度的实时监测和分层产液量调控功能，因此具备根据设定目标自动进行层段调控的能力，如分层定液量开采、分层定压开采等。
开展了智能配产器耐温、耐压、流量检测等性能测试。耐压测试时，将智能配产器放置于45 MPa高压打压缸内，保压时长2 h。结果表明，液量调控阀在高压下开关动作正常，泄压后配产器外观完好，无变形，各部件密封完好，内部电路板腔无进水。耐温测试时，将智能配产器主控电路板置于85 ℃高温测试箱中连续运行24 h。结果表明，智能配产器通讯状态、产液量调控阀电机动作等功能均正常。流量检测测试时，将智能配产器连接在流量测试台，通过循环系统模拟不同井下产液量，测试介质为纯水，以标准流量表检定方法对智能配产器涡街流量计5~100 m3/d流量范围下的检测精度进行标定与测试。稳定流量条件下测试结果如图16所示，可见智能配产器在5~100 m3/d流量范围下的检测精度在满量程的±5%以内。
图16 智能配产器5~100 m3/d流量范围下检测精度曲线

2.3 地面控制器

地面控制器用于采集井下监测数据并控制井下智能配产器调控层段产液量，主要由电源转换模块、主控电路和箱体组成。电源转换模块首先将220 V交流电转换为55~90 V直流电，并经单芯电缆传输给电磁耦合传能与通讯装置，再经电磁耦合传能与通讯装置将电能传输给智能配产器。主控电路由微控制器模块、数据处理与存储模块和载波通讯模块组成。载波通讯模块主要负责地面与井下的双向信号传输。数据处理与存储模块用于对上传的监测数据进行处理和存储。

2.4 配套工具

配套工具主要包括过电缆油管锚、丢手锚定器和过电缆封隔器。过电缆油管锚采用打压坐卡、上提解卡设计，坐卡压力10 MPa，上提解卡载荷8 t。丢手锚定器采用打压坐卡及丢手脱开设计，坐卡压力15 MPa，丢手脱开压力18 MPa，上提解卡载荷4 t，坐卡后的锚定载荷30 t。过电缆封隔器用于实现层段封隔，采用打压坐封、上提解封设计，坐封压力15 MPa，上提解封力6 t，最大封隔压差25 MPa，完全满足现场试验所需层段封隔压差（最大约10 MPa）。

3 现场试验

在大庆油田第四采油厂开展了10口井现场试验，基于现场试验情况，对电磁耦合智能分层采油技术与工艺不断迭代优化。电磁耦合分层采油系统在现场最长运行周期已达1年多，技术可靠性和工艺稳定性得到了现场验证，实现技术定型。

3.1 井况和现场作业情况

10口试验井平均井深1 100 m，根据开发需要分为2~3个层段分层开采。典型试验井X7-41-S738井2018年射孔完井，井深1 198.99 m，最大井斜18.3°，采用注水方式开发，设计3层分层采油，深度分别为927.40~970.59 m、976.90~1 014.00 m、1 128.40~1 137.00 m。根据工程设计，X7-41-S738井工具串结构（见图17）为：过电缆油管锚+管式泵（850.00 m）+EST-P+丢手锚定器+EST-S+过电缆封隔器Ⅰ（925.00~927.40 m）+智能配产器Ⅰ+过电缆封隔器Ⅱ（970.50~976.90 m）+智能配产器Ⅱ+过电缆封隔器Ⅲ（1 014.00~1 128.40 m）+智能配产器Ⅲ。
图17 井身结构和工具串示意图
施工时，首先在地面将所有配产器调控阀关闭，将配产管柱下入到指定井深位置，井口打压过电缆封隔器坐封、丢手锚定器锚定正常，继续打压后丢手锚定器正常丢手脱开。之后，下入生产管柱，EST-P与丢手锚定器、EST-S插入对接一次成功，地面控制器测试井下电能传输和数据传输状态均正常。随后，井口油管打压过电缆油管锚坐卡，再下入管式泵柱塞及抽油杆完井。最后，通过地面控制器将3层智能配产器流量调控阀由全关调整为全开状态，油井开始正常生产，测控系统软件成功获取井下分层液量、压力、温度等实时监测数据。
图18为X7-41-S738井3层合采阶段连续监测到的井下分层油管压力、环空压力和流量数据变化曲线。可以看出，该井正常开抽生产后，分层油管压力、环空压力均快速下降，油层1油管压力、环空压力由初始8.54 MPa分别降低到稳定生产后的约0.72，0.83 MPa，初始流量最大为36 m3/d，稳定后平均流量为15.6 m3/d；油层2油管压力、环空压力由初始9.43 MPa分别降低到稳定生产后的约1.43，1.76 MPa，初始流量最大为25.6 m3/d，稳定后平均流量为12.1 m3/d；油层3油管压力、环空压力由初始10.12 MPa分别降低到稳定生产后的约1.86，1.91 MPa，平均流量为0.7 m3/d。
图18 X7-41-S738井3层合采阶段井下分层参数监测数据

3.2 现场试验效果

利用电磁耦合智能分层采油技术开展分层调控50余井次，取得了多层合采、单层轮采等不同采油方案下的井下动态认识，10口试验井平均日增油0.15 t（增幅31%）。主要有以下3方面的典型应用效果。

3.2.1 量化储层变化评价，实现油井分层精细认识

电磁耦合分层采油系统分层油管压力和环空压力数据采集频率为每1 min采集1组，压力数据精度精确到满量程的±0.5%，采集频率和数据精度均满足Saphir软件进行试井解释的数据要求。因此，利用电磁耦合分层采油系统可开展压力恢复测试，并通过试井解释对油井分层储层变化进行量化评价。
典型应用井X7-42-738井的井深为1 116 m，分为3层进行分层采油，油层1深度为908.5~946.3 m，油层2深度为958.1~990.5 m，油层3深度为1 072.1~1 097.4 m。对X7-42-738井开展了压力恢复测试，图19为获取的3个层段的压力恢复数据。可以看到，油层1处环空压力由0.83 MPa恢复到最大10.82 MPa，油层2由1.21 MPa恢复到最大11.35 MPa，油层3由1.82 MPa恢复到最大9.23 MPa。
图19 X7-42-738井分3层采油各油层压力恢复测试曲线
利用监测到的各层段压力恢复数据和流量数据，通过Saphir试井软件开展了压力恢复试井解释分析，拟合了双对数曲线，由于双对数曲线中压力导数曲线出现双孔下凹特征，因此选用双孔拟稳态模型进行试井解释，获取了各层段表皮系数等参数。图20为2020年4月19日该井全井试井解释结果，图21为层段压力恢复解释得到的双对数曲线。可以看到，层段压力恢复解释得到的油层1、油层2双对数曲线形态与全井试井解释的双对数曲线形态相似，而油层3的曲线形态与全井的曲线形态差距较大。根据压力叠加效应，可以判断油层1、油层2为该井主产层，这也与流量监测数据相符（油层1平均流量13.1 m3/d，油层2平均流量4.3 m3/d，油层3平均流量0.3 m3/d）。根据解释结果，得到油层1、油层2表皮系数分别为-0.87和-2.59，表明油层1、油层2近井带无污染、储层流动性好；油层3表皮系数为34.6，表明油层3近井带非均质性强或存在污染，可以进行措施改造，以提升油层3产液能力。
图20 X7-42-738井2020年4月19日全井试井解释结果
图21 X7-42-738井3层段压力恢复数据解释结果

3.2.2 单井层段产液量调控，实现单井降水增油

利用电磁耦合分层采油系统监测到的井下层段压力变化数据、层段流量变化数据以及油层地质数据，可对采油井潜力层段进行分析判断，并调控为单独开采潜力层段，实现稳油控水。
根据电磁耦合分层采油系统监测到的井下层段流量变化数据，典型应用井X7-41-S737井两层合采时油层1产液量为11 m3/d、油层2产液量为8 m3/d，油层1产液量较高。从累计砂岩动用数据上看，油层1油层累计动用高达79.2%，油层2油层累计动用仅有69.2%，油层2动用相对较差。综合以上两方面数据，认为油层2为该井的剩余油潜力层，因此将X7-41-S737井由两层合采调整为单采油层2。图22为该井调整前后的日产量变化。调整为单采油层2后，平均日产液量由21.11 t降低为16.52 t，平均日产油量由0.93 t增加到1.05 t，平均含水率由95.59%降低为93.64%（下降了1.95个百分点），实现了降水增油。
图22 X7-41-S737井两层合采阶段和单独开采油层2阶段生产曲线

3.2.3 实施注采井组协同调控，实现井组降水增油

结合智能分层采油和分层注水井组层段压力、流量监测数据变化与油层动用情况，以控制合理压力梯度、引导平面流场优化进行分层协同调整为原则，对X7-42-738井、X7-41-S738井和X7-41-S737井这3口分层采油井以及周围智能分层注水井组成的分层注采井组开展了协同调控实验。首先通过综合分析这3口井层段产液量和累计砂岩动用数据，对3口井的剩余油潜力层进行了分析判断，进而调控开采潜力层段，具体层段开度调整情况如表11所示。同时同步调整了周边智能分层注水井对应层段的注水强度（高动用层段降低注水强度、低动用潜力层段提升注水强度），以实现注采协同调控，提升调控效果。经过约1个月的效果跟踪评估，调控后3口井均见到了降水增油效果：X7-42-738井平均日产油量由0.65 t增加到0.78 t，平均含水率由96.2%降低为95.3%（下降0.9个百分点）；X7-41-S738井平均日产油量由0.63 t增加到0.94 t，平均含水率由96.5%降低为94.6%（下降1.9个百分点）；X7-41-S737井平均日产油量由0.65 t增加到0.72 t，平均含水率由96.6%降低为95.9%（下降0.7个百分点）。通过智能分层注采井组协同调控，实现了高含水阶段采油井组的降水增油，提升了水驱油藏的开发效率和经济效益。
表11 分层采油井组层段开度调整情况
井号 调控前各层开度 调控后各层开度
X7-42-738 单采油层2，油层1、油层3全关 合采油层1和油层2，油层3全关
X7-41-S738 合采油层2和油层3，油层1全关 单采油层2，油层1、油层3全关
X7-41-S737 合采油层1和油层2 单采油层2，油层1全关

4 结论

电磁耦合智能分层采油技术采用生产和配产管柱分离的丢手管柱结构，并利用电磁耦合原理实现管柱间井下高效可靠的数据传输和电能传输。研制的电磁耦合传能与通讯装置、智能配产器、地面控制器等核心工具满足井下复杂工况要求。大庆油田现场试验验证了技术与工具的稳定性和可靠性，表明电磁耦合智能分层采油技术能够实现油井井下分层流量、压力、温度的实时监测和分层产液量调控，具有井下对接便捷可靠、可重复对接、供电与通讯稳定、满足检泵作业等诸多优势，为缓解油井层间矛盾、提高储层认识、实现降水增油提供了新的工程技术手段。电磁耦合智能分层采油系统整体耐温85 ℃、耐压45 MPa，适用于139.7 mm（5.5 in）套管油井，最大井斜30°以内，层段数6层以内。
根据现场试验情况和油田进一步生产需求，后续将对电磁耦合智能分层采油系统进行以下几点优化：①将系统整体耐温水平由85 ℃提升至125 ℃；②研发井下含水率传感器，使智能配产器具备井下层段含水率实时监测功能；③优化电磁耦合传能与通讯装置结构，提升内外筒对接后的许用串动距离。在现场应用方面，将基于实时监测的海量数据深入分析多年高强度水驱后的油井储层状况，并将该技术与智能分注、快速油藏分析技术相结合，实现注采协同调控，从而在水驱油田稳油控水、剩余油挖潜中发挥更大作用。

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