引言
目前，人類的油氣資源開發集中在地表以下幾千米的范圍內，屬于地球的地殼范圍內，地球是人類生活的家園，它蘊含了豐富的供人類維持生產活動的資源。
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境背景，有必要結合地球的構造對油田注水井的環境結構做數模構建，以便為油田注水井管道的聲通信研究奠定基礎。本文研究注水井物理環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到井下裝置。聲學技術在油田上的一個主要應用方向是地球物理測井中的聲波測井方法，它是近二十年來發展比較快的地球物理測井方法，在油田勘探和開采、工程物探等許多領域有廣泛的應用。如何能利用聲通信的方式實現管道的聲信道傳輸，對研究油氣田管道內各種設備、流量監測，遠程通信，具有開創性的意義.
1 注水井結構及物理環境數學建模
注水井通常是在完整鉆井的基礎上，在井筒套管內，下入由接箍串接的油管，輔以封隔器、配水器等部件構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構構成，油管一般懸掛在井口上。油田注水井物理環境主要由環境溫度、井內外壓力等參數構成。本文數學建模也主要是針對分析注水井的溫度和壓力環境包括井內的壓力和井外壓力.在此要重點理清它們之間的數學關系并建模仿真。
1.1 油田注水井結構
注水井通常是在完整鉆井的基礎上，在井筒套管內，下入由接箍串接的油管，輔以封隔器、配水器和絲堵等構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構構成，油管一般懸掛在井口上.注水井結構示意圖如圖1所示?！緢D1】
分層配水管柱是實現同井的分層注水的重要技術手段，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。我國油田大規模應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，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.幾種常用配水管柱示意圖如圖2所示?！緢D2】
固定配水管柱主要有擴張型封隔器及配水器等構成，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，注水井有比較復雜的結構，比運輸石油、天然氣的管道復雜的多。聲波在傳播時，對傳聲物體的結構很敏感，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，可以任意調換，注入量的控制就可以通過協調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整比固定配水管柱靈活的多，但是，偏心配水管柱更換配水器水嘴時，仍需井上作業，下井更換。那么，能否使用開度可調的配水器水嘴，水嘴連接到電機上，通過電機控制水嘴的開度大小來實現配水嘴壓力損失的調整，而水嘴的開度由井上作業人員通過無線聲信道，發射指令給井下接收機，接收機將指令轉換成電機的機械動作改變水嘴開度。如果能實現這種控制方式，那將是注水井注入作業的一次質的飛躍，因為它是工作量最小、工作效率最高的嘴損調整方式。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境數學建模
人類的油氣資源開發集中在地表以下幾千米的范圍內，屬于地球的地殼范圍內。
以地殼地溫梯度3 ℃計算，假設地表常溫層溫度為14 ℃，外溫層厚度15 m,溫度近似等于常溫層，可以得到注水井外部溫度的估算公式為：【1】
其中，h 為地層深度，單位為m.在實際環境中，注水井內部的注入水會和外部地層介質發生以熱傳導、對流和熱輻射為基本形式的熱交換。在注入過程中，井內溫度會隨著注入速度、注入時間、注水溫度和關井時間等參數的影響發生變化。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，注水井井內溫度在注水過程中略低于井外溫度，當注水井停注一段時間后，井內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境數學建模
在油、氣藏分布的地殼范圍內，壓力與深度基本呈直線關系，由地殼的物理性質可知，地殼的平均密度為2.6×103kg/m3,平均重力加速度為9.8 m/s2,則直接按照靜壓力平衡公式：【2】
可得，在深度h 的位置上，注水井的外部壓力約為：【3】
而油田注水井的內部由于充滿水，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生較大差異。計算井內壓力的公式表達為：【4】
假設井口壓力為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境。
2 注水井物理環境數學建模仿真
仿真實驗以Matlab 7.1為開發平臺，以在勝利油田實際采集了相關數據作分析了驗證，數據采集使用利用中國石油大學自主研發的EDES-5采集儀及數據分析系統。該系統由傳感器、數據采集儀、診斷儀、PC機等組成。采用給定數據實驗和采集數據驗證相結合的方法，首先假定井口壓力為10 MPa,深度從地表到地下4000 m,根據上述數學模型得到，到注水井的溫度和壓力環境關系圖如圖3所示。從仿真結果可以看出隨著注水井深度的增加其物理環境參數井外溫度、井外壓力、井內壓力的增加關系，使用實際采集的環境數據驗證了計算結果的正確性。仿真結果表明通過此數學模型對實時監控注水井環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?！緢D3】
3 結束語
以后期油田注水井管道的遠程無線通信的實現為研究開發目的，分析了注水井的外部物理環境---地球構造和地球的物理環境，以此為基礎，研究了注水井的井內溫度、井內壓力和井外壓力情況，以及注水井的結構和油田開發配水原理。得出了幾個關鍵的物理參數的數學模型，并通過仿真實驗得以實現和驗證。建模和仿真結論為實時監控注水井環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的聲通信工作的研究做了鋪墊和基礎研究工作。
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