注水井結(jié)構(gòu)及物理環(huán)境數(shù)學(xué)建模與仿真

1、注水井結(jié)構(gòu)及物理環(huán)境數(shù)學(xué)建模與仿真引言目前，人類的油氣資源開發(fā)集中在地表以下幾千米的范圍內(nèi)，屬于地球的地殼范圍內(nèi)，地球是人類生活的家園，它蘊含了豐富的供人類維持生產(chǎn)活動的資源。石油、天然氣等都埋藏在地球的地殼中，分布在幾十米（有的露出地表）到幾千米的深度上。為了更好的了解石油開采活動的環(huán)境背景，有必要結(jié)合地球的構(gòu)造對油田注水井的環(huán)境結(jié)構(gòu)做數(shù)模構(gòu)建，以便為油田注水井管道的聲通信研究奠定基礎(chǔ)。本文研究注水井物理環(huán)境之目的還是為了下一步的油田注水井管道的聲通信信道研究做基礎(chǔ)性研究工作，而目前注水井中的通信方式主要以有線通信方式為主，通過電纜將信息從井上傳輸?shù)骄卵b置。聲學(xué)技術(shù)在油田上的一個主要應(yīng)用方

2、向是地球物理測井中的聲波測井方法，它是近二十年來發(fā)展比較快的地球物理測井方法，在油田勘探和開采、工程物探等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。如何能利用聲通信的方式實現(xiàn)管道的聲信道傳輸，對研究油氣田管道內(nèi)各種設(shè)備、流量監(jiān)測，遠程通信，具有開創(chuàng)性的意義.1 注水井結(jié)構(gòu)及物理環(huán)境數(shù)學(xué)建模注水井通常是在完整鉆井的基礎(chǔ)上，在井筒套管內(nèi)，下入由接箍串接的油管，輔以封隔器、配水器等部件構(gòu)成井下分層配水管柱，井口配以注水控制閥門組成的采油樹結(jié)構(gòu)構(gòu)成，油管一般懸掛在井口上。油田注水井物理環(huán)境主要由環(huán)境溫度、井內(nèi)外壓力等參數(shù)構(gòu)成。本文數(shù)學(xué)建模也主要是針對分析注水井的溫度和壓力環(huán)境包括井內(nèi)的壓力和井外壓力.在此要重點理清它們之

3、間的數(shù)學(xué)關(guān)系并建模仿真。1.1 油田注水井結(jié)構(gòu)注水井通常是在完整鉆井的基礎(chǔ)上，在井筒套管內(nèi)，下入由接箍串接的油管，輔以封隔器、配水器和絲堵等構(gòu)成井下分層配水管柱，井口配以注水控制閥門組成的采油樹結(jié)構(gòu)構(gòu)成，油管一般懸掛在井口上.注水井結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。分層配水管柱是實現(xiàn)同井的分層注水的重要技術(shù)手段，主要分為固定配水管柱、活動配水管柱、偏心配水管柱、橋式偏心配水管柱、同心集成式配水管柱、壓縮式靜液壓免釋放分層注水管柱和小直徑分層注水管柱等。我國油田大規(guī)模應(yīng)用的分層配水管柱為同心式和偏心式兩種。同心式管柱用于劃分較少較粗的油井初期開發(fā)，偏心式管柱適用于注水層段較多較細的中、高含水期油井開發(fā).幾種

4、常用配水管柱示意圖如圖2所示。固定配水管柱主要有擴張型封隔器及配水器等構(gòu)成，為保證封隔器的坐封，各級配水器的起開壓力需大于0.7 MPa.存在問題是更換水嘴是必須起管柱。從上分析可以看出，注水井有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比運輸石油、天然氣的管道復(fù)雜的多。聲波在傳播時，對傳聲物體的結(jié)構(gòu)很敏感，這對聲波的分析和處理帶來了一定的難度。通常情況下，對固定配水管柱，配水器的水嘴是固定的，此時，只能通過調(diào)整井口壓力來控制注入量。而對偏心配水管柱，配水器的水嘴在不動管柱的條件下，可以任意調(diào)換，注入量的控制就可以通過協(xié)調(diào)井口壓力和配水器的改變來滿足。雖然偏心配水管柱的注入量調(diào)整比固定配水管柱靈活的多，但是，偏心配水管

5、柱更換配水器水嘴時，仍需井上作業(yè)，下井更換。那么，能否使用開度可調(diào)的配水器水嘴，水嘴連接到電機上，通過電機控制水嘴的開度大小來實現(xiàn)配水嘴壓力損失的調(diào)整，而水嘴的開度由井上作業(yè)人員通過無線聲信道，發(fā)射指令給井下接收機，接收機將指令轉(zhuǎn)換成電機的機械動作改變水嘴開度。如果能實現(xiàn)這種控制方式，那將是注水井注入作業(yè)的一次質(zhì)的飛躍，因為它是工作量最小、工作效率最高的嘴損調(diào)整方式。這也是注水管道聲信道研究最實際的課題意義。1.2 油田注水井的溫度環(huán)境數(shù)學(xué)建模人類的油氣資源開發(fā)集中在地表以下幾千米的范圍內(nèi)，屬于地球的地殼范圍內(nèi)。以地殼地溫梯度3 計算，假設(shè)地表常溫層溫度為14 ，外溫層厚度15 m,溫度近似等

6、于常溫層，可以得到注水井外部溫度的估算公式為：其中，h 為地層深度，單位為m.在實際環(huán)境中，注水井內(nèi)部的注入水會和外部地層介質(zhì)發(fā)生以熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射為基本形式的熱交換。在注入過程中，井內(nèi)溫度會隨著注入速度、注入時間、注水溫度和關(guān)井時間等參數(shù)的影響發(fā)生變化。由于注入水的溫度相對于井外地層的溫度偏低，因此總的來說，注水井井內(nèi)溫度在注水過程中略低于井外溫度，當(dāng)注水井停注一段時間后，井內(nèi)溫度在熱交換的作用下，與井外地層溫度接近一致。1.3 油田注水井的壓力環(huán)境數(shù)學(xué)建模在油、氣藏分布的地殼范圍內(nèi)，壓力與深度基本呈直線關(guān)系，由地殼的物理性質(zhì)可知，地殼的平均密度為2.6×103kg/m3,平

7、均重力加速度為9.8 m/s2,則直接按照靜壓力平衡公式：可得，在深度h 的位置上，注水井的外部壓力約為：而油田注水井的內(nèi)部由于充滿水，并且井口存在注水壓力p0,井口壓力的大小將隨著具體井況的不同而產(chǎn)生較大差異。計算井內(nèi)壓力的公式表達為：假設(shè)井口壓力為10 MPa,深度從地表到地下4000m,則可得到注水井的溫度和壓力環(huán)境。2 注水井物理環(huán)境數(shù)學(xué)建模仿真仿真實驗以Matlab 7.1為開發(fā)平臺，以在勝利油田實際采集了相關(guān)數(shù)據(jù)作分析了驗證，數(shù)據(jù)采集使用利用中國石油大學(xué)自主研發(fā)的EDES-5采集儀及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、診斷儀、PC機等組成。采用給定數(shù)據(jù)實驗和采集數(shù)據(jù)驗證相結(jié)合

8、的方法，首先假定井口壓力為10 MPa,深度從地表到地下4000 m,根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型得到，到注水井的溫度和壓力環(huán)境關(guān)系圖如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出隨著注水井深度的增加其物理環(huán)境參數(shù)井外溫度、井外壓力、井內(nèi)壓力的增加關(guān)系，使用實際采集的環(huán)境數(shù)據(jù)驗證了計算結(jié)果的正確性。仿真結(jié)果表明通過此數(shù)學(xué)模型對實時監(jiān)控注水井環(huán)境壓力溫度具有重要的利用價值。也為下一步的研究工作奠定了基礎(chǔ)。3 結(jié)束語以后期油田注水井管道的遠程無線通信的實現(xiàn)為研究開發(fā)目的，分析了注水井的外部物理環(huán)境-地球構(gòu)造和地球的物理環(huán)境，以此為基礎(chǔ)，研究了注水井的井內(nèi)溫度、井內(nèi)壓力和井外壓力情況，以及注水井的結(jié)構(gòu)和油田開發(fā)配水原理。得出了幾個關(guān)鍵的物理參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并通過仿真實驗得以實現(xiàn)和驗證。建模和仿真結(jié)論為實時監(jiān)控注水井環(huán)境壓力溫度具有重要的工程實際利用價值，同時，為下一步開展油田注水井內(nèi)的聲通信工作的研究做了鋪墊和基礎(chǔ)研究工作。參考文獻：1 張虹，靳世久，孫立瑛。不同管道特征對聲發(fā)射信號幅度的衰減影響J.管道技術(shù)與設(shè)備，2007,9（3）：13-14.2 廖柯熹，?；?，張學(xué)洪，等。川氣東送管道典型站場風(fēng)險量化評價J.天然氣與石油，2012, 30（1）：5-9.3 葉俊林，黃定華，張俊霞。地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)M. 北京：地質(zhì)出版社，1996:6-10.4 楊軍，吳疆。注水井管道監(jiān)控系統(tǒng)