宋祖廠，劉 揚(yáng)，項(xiàng) 勇，賴學(xué)明，蓋旭波，鄔 楝2，胡石鋒，楊海超，韓 濤

(1.大港油田 采油工藝研究院，天津 300280； 2.大港油田 第二采油廠，河北 滄州 061100)

油田注水開發(fā)是有效保持地層能量的主要手段，也是目前國(guó)內(nèi)油田開發(fā)最成熟、最經(jīng)濟(jì)、最有效、最具潛力的開發(fā)方式。隨著油田開發(fā)的不斷深入，高壓深井不斷增多，如中國(guó)石油大港油田，屬于典型多層系復(fù)雜斷塊油藏，油層埋深713～4 030 m，注水壓力1～35 MPa，其中王官屯、板橋等油田近60%水井的井口注水壓力大于18 MPa，最高壓力達(dá)35 MPa[1]。

水井在利用柔性電纜下入儀器測(cè)試時(shí)，由于井口注水壓力高，經(jīng)常出現(xiàn)儀器在防噴管內(nèi)下不去或下入困難，地面無(wú)法剛性驅(qū)動(dòng)。為解決高壓水井中儀器下入難題，現(xiàn)場(chǎng)主要有3種解決方式：

1) 采用預(yù)先停注、放溢流等泄壓方式，使井口注水壓力降低。由于注水壓力改變，注水精度降低。泄壓占井周期長(zhǎng)，影響現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，且會(huì)造成地層能量損失、出砂井地層返吐、砂埋分注管柱和井口周圍環(huán)境污染等問題[2-5]。

2) 儀器上連接多段加重桿，利用重力來(lái)克服高壓水產(chǎn)生的上頂力。由于儀器串長(zhǎng)度和重力增加，井口配套的防噴管長(zhǎng)度也須相應(yīng)增加。采用人工攀爬舉升方式將儀器放入防噴管中，由于采油樹一般高2 m左右，且豎立起的防噴管非常高，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

3) 調(diào)用大型吊車，將配套有多段加重桿的超長(zhǎng)儀器通過近10 m測(cè)井防噴管下入井筒中。但該方式動(dòng)用設(shè)備多，造成施工成本大幅上升。

天滑輪懸掛的柔性電纜與下部多自由度儀器共同構(gòu)成的下入系統(tǒng)，屬于典型的多重柔性儀器下入系統(tǒng)，與連續(xù)油管剛性下入相比，具有現(xiàn)場(chǎng)占地面積小、操作輕便、投入成本低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，也存在儀器無(wú)法剛性驅(qū)動(dòng)等問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高壓水井中的儀器多重柔性下入方面研究探討較少[6-9]。筆者基于高壓水井儀器下入難題，研究提出一種多重柔性下入技術(shù)，在不泄壓條件下，使用井口配套裝置，通過在地面液壓泵連續(xù)加壓操作，即可利用柔性電纜將帶有多級(jí)加重桿的超長(zhǎng)、重儀器順利下入井筒中，無(wú)需水井停注泄壓，放溢流，或動(dòng)用大型吊車和人工攀爬防噴管，具有操作簡(jiǎn)便、安全可靠、工作效率高等特點(diǎn)，且降低施工成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，為解決高壓水井儀器下入難題提供了一種新的工程技術(shù)手段。

1 水井內(nèi)儀器可下入性分析

水井在測(cè)試時(shí)，儀器多采用柔性電纜通過井口豎立的防噴管下入井筒內(nèi)，如圖1。根據(jù)靜力學(xué)原理，電纜與儀器串能否從防噴管中順利下入井筒，與電纜的直徑、儀器串自身重力、配注的注水壓力及電纜與盤根間的最大靜摩擦力等因素有關(guān)。儀器串順利下入的基本條件：自重力大于儀器串受到的懸浮力與最大靜摩擦力之和，即：

(1)

式中：G為儀器串自重力，N；D0為電纜直徑，m；p0為注水壓力，Pa；F1為電纜與盤根間的最大靜摩擦力，N。

圖1 防噴管內(nèi)儀器串受力示意

通過室內(nèi)測(cè)得不同注水壓力下盤根對(duì)電纜摩擦力與壓力變化，可知盤根對(duì)電纜的靜摩擦力隨著井口注水壓力增加而增大，當(dāng)注水壓力大于12 MPa時(shí)，儀器開始下行，摩擦力逐漸趨于穩(wěn)定[7]。

2 儀器多重柔性下入技術(shù)及關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)配套使用的防噴管、防噴頭配套的測(cè)試工具和井下儀器的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。實(shí)際應(yīng)用中，克服懸浮力和摩擦力的方法就是增加儀器串配重[19]。假設(shè)電纜與盤根間的摩擦因數(shù)為μ，則儀器能夠順利下入井筒的基本條件是儀器串自重力大于自身所受的懸浮力和電纜與盤根間的最大靜摩擦力之和，即：

(2)

計(jì)算得到兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電纜在不同注水壓力下儀器串配重，如表2，若使用3.5 mm鎧裝電纜，按照高空人工舉升儀器串極限重力200 N左右，儀器串長(zhǎng)度將達(dá)到2.4 m，現(xiàn)有2.5 m防噴管能夠滿足工程使用要求。因此，儀器下入采用常規(guī)人工舉升方式能夠適應(yīng)的極限注水壓力約為18 MPa。

表1 高壓水井常規(guī)測(cè)調(diào)裝備參數(shù)

表2 不同井口壓力時(shí)儀器串配重的最小質(zhì)量

2.1 高壓水井儀器柔性下入工藝

對(duì)于注水壓力超過18 MPa的高壓水井，如何經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地使加長(zhǎng)且超重的儀器能夠通過井口防噴管下入到井筒內(nèi)是本文研究的關(guān)鍵。筆者從工藝適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面對(duì)比分析，研究提出儀器多重柔性下入技術(shù)。主要包括可傾斜液壓舉升加長(zhǎng)防噴管裝置、頂部液壓防噴密封裝置、儀器串、鎧裝電纜和測(cè)調(diào)聯(lián)動(dòng)車組等?？蓛A斜液壓舉升加長(zhǎng)防噴管裝置安裝在井口，如圖2，在地面把配有加重桿的超長(zhǎng)儀器串放入傾斜的加長(zhǎng)防噴管內(nèi)，油壓泵加壓，傾斜的防噴管豎立起來(lái)，如圖3所示，測(cè)調(diào)聯(lián)動(dòng)車組利用柔性鎧裝電纜使儀器串在自身重力作用下，通過豎立的加長(zhǎng)防噴管裝置下入到水井中，實(shí)現(xiàn)儀器在不泄壓情況下柔性下入。

圖2 傾斜的液壓舉升加長(zhǎng)防噴管裝置

2.2 關(guān)鍵配套裝置結(jié)構(gòu)

1) 可傾斜液壓舉升加長(zhǎng)防噴管。

傾斜液壓缸的兩端分別固定在A、B兩點(diǎn)，與加長(zhǎng)防噴管固定套C點(diǎn)組成一個(gè)三角關(guān)系，如圖4所示。當(dāng)傾斜液壓缸加壓后，液壓缸伸長(zhǎng)，A點(diǎn)以C點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，就帶動(dòng)加長(zhǎng)防噴管固定套及安裝的加長(zhǎng)防噴管轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著起升液壓缸不斷伸長(zhǎng)，A點(diǎn)就轉(zhuǎn)動(dòng)到圖5所示的位置，加長(zhǎng)防噴管與井口固定短節(jié)在同一軸線上，達(dá)到加長(zhǎng)防噴管豎起目的。

圖3 豎立的液壓舉升加長(zhǎng)防噴管裝置

圖4 液壓可傾斜舉升裝置在傾倒位置

對(duì)舉升裝置的起升過程進(jìn)行有限元分析，從圖6～10中的Von mises應(yīng)力分布云圖看出，整個(gè)起升過程中A點(diǎn)和C點(diǎn)應(yīng)力值較大，加長(zhǎng)放噴管接近水平位置時(shí)，整個(gè)裝置的Von mises應(yīng)力值達(dá)到最大，約168 MPa，后逐漸降低，滿足工程要求。

圖5 液壓可傾斜舉升裝置在豎立位置

圖6 起升角度為-20°時(shí)裝置應(yīng)力分布云圖

圖7 起升角度為10°時(shí)裝置應(yīng)力分布云圖

圖8 起升角度為40°時(shí)裝置應(yīng)力分布云圖

圖9 起升角度為70°時(shí)裝置應(yīng)力分布云圖

圖10 舉升裝置最大Von mises應(yīng)力變化曲線

隨起升角度的增加，舉升驅(qū)動(dòng)力變化曲線如圖11所示，可以看出，起升角度為0時(shí)(即加長(zhǎng)放噴管處于水平位置)，舉升驅(qū)動(dòng)力絕對(duì)值達(dá)到最大，約為9 584.8 N，整個(gè)舉升過程中，驅(qū)動(dòng)液壓缸軸向力逐漸減小，轉(zhuǎn)到90°時(shí)，由于防噴管重力主要作用在C點(diǎn)上，軸向壓力變?yōu)樽钚　?/p>

圖11 最大舉升驅(qū)動(dòng)力變化曲線

2) 頂部液壓防噴密封裝置。

頂部液壓防噴密封裝置結(jié)構(gòu)如圖12。

1—上接頭；2—壓帽；3—盤根Ⅰ；4—盤根墊Ⅰ；5—活塞桿；6—限位臺(tái)階；7—盤根Ⅱ；8—盤根墊Ⅱ；9—中心孔；10—防噴基座；11—防噴接頭；12—泵接頭；13—密閉空腔；14—高壓軟管；15—斜孔。

當(dāng)井內(nèi)壓力高，密封盤根沒有密封住電纜，高壓水沿電纜從小堵頭處噴出時(shí)，利用液壓活塞擠壓盤根來(lái)密封電纜。手壓泵推動(dòng)液壓油進(jìn)入防噴盒與液壓缸的環(huán)形空間，并上行至液壓缸中部1個(gè)斜孔，因?yàn)橐簤焊咨隙撕拖露朔謩e有兩道O形圈與防噴盒密封，這樣油只能從斜孔進(jìn)入活塞上端面。因?yàn)?，活塞上部連接桿通過密封堵頭與液壓缸相互密封，油進(jìn)入活塞上端后同時(shí)將壓力傳遞到活塞上端面。在

壓力的推動(dòng)下，迫使活塞下行。下行的活塞擠壓密封盤根，使盤根收縮變形，抱死電纜，達(dá)到密封效果。在上提和下放過程中，井內(nèi)的高壓水流會(huì)有部分沿電纜溢出，為了不讓這部分水從液壓防噴器上部噴出，造成環(huán)境污染。在活塞桿的上部增加溢流防噴盒，水流通過上部盤根阻擋，從溢流接頭處流出，進(jìn)入回收罐。

2.3 電纜優(yōu)選及技術(shù)裝備配套

注水壓力恒定時(shí)，儀器受到的懸浮力隨電纜外徑增大而增大，呈典型的非線性關(guān)系，如圖13所示。因此，從目前國(guó)內(nèi)?5.6 mm和?3.5 mm兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鎧裝電纜中優(yōu)選配套?3.5 mm鎧裝電纜。

圖13 測(cè)調(diào)儀器懸浮力與電纜外徑關(guān)系曲線

考慮加重的儀器串較長(zhǎng)，增加防噴管有效長(zhǎng)度至4.5 m。從上述分析可知，配套?3.5 mm鎧裝電纜時(shí)，儀器串配重≥41.3 kg時(shí)可滿足35 MPa高壓水井的儀器柔性下入需求。因此，儀器串優(yōu)化為儀器(15 kg)+兩級(jí)加重桿(2 m×16 kg/m )，總長(zhǎng)為4.4 m，即：儀器串自身質(zhì)量達(dá)到47 kg，總長(zhǎng)小于加長(zhǎng)防噴管長(zhǎng)度4.5 m，技術(shù)裝備配套如表3。

表3 高壓水井測(cè)調(diào)裝備的優(yōu)化參數(shù)

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

該技術(shù)主要在地面進(jìn)行操作，通過地面液壓缸加壓、泄壓，即可完成傾斜加長(zhǎng)防噴管豎立在井口位置，其主要技術(shù)參數(shù)如表4。

表4 儀器多重柔性下入技術(shù)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)已應(yīng)用425口井，儀器安全下入，成功率95%以上。最高井口注水壓力達(dá)31 MPa。從儀器連接到下入至井口，地面操作時(shí)間20 min左右，避免了停注、泄壓，平均占井周期減少近7 d。與常規(guī)人工舉升、動(dòng)用吊車等相比，顯著提高了高壓水井測(cè)試工作效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和工程費(fèi)用，對(duì)降低現(xiàn)場(chǎng)操作危險(xiǎn)性、防止作業(yè)區(qū)域環(huán)境污染和減少泄壓造成的地層能量損失具有重要作用。其中，在B20-12井，井深3 921 m，關(guān)井時(shí)油壓29.8 MPa。該井采油樹為350型采油樹，井口離地高度2.3 m，儀器串配套連接2 m加重桿，使用3.5 mm電纜下井。應(yīng)用該技術(shù)，儀器一次成功下入井筒。部分井的注水壓力如表5所示?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖14所示。

表5 部分井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)調(diào)時(shí)的井口油壓

圖14 儀器多重柔性下入技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況

4 結(jié)論

1) 針對(duì)高壓水井中儀器下入頻繁遇阻難題，筆者研究提出一種儀器多重柔性下入技術(shù)。計(jì)算得到滿足不同注水壓力時(shí)的下入儀器串配重。通過對(duì)可傾斜液壓舉升加長(zhǎng)防噴管裝置優(yōu)化配套，防噴管有效舉升長(zhǎng)度由常規(guī)的2.5 m提升至4.5 m，采用?3.5 mm柔性電纜，儀器下入適應(yīng)井口注水壓力理論上達(dá)到35 MPa。

2) 利用有限元方法對(duì)可傾斜液壓舉升加長(zhǎng)防噴管裝置進(jìn)行了模擬分析，得到不同起升角度時(shí)結(jié)構(gòu)Von mises應(yīng)力分布云圖，整個(gè)起升過程中A點(diǎn)和C點(diǎn)應(yīng)力值較大，最大Von mises應(yīng)力約168 MPa，滿足工程要求。同時(shí)也得到舉升驅(qū)動(dòng)力與防噴管起升角度的影響變化規(guī)律，最大舉升驅(qū)動(dòng)力(絕對(duì)值)產(chǎn)生在加長(zhǎng)放噴管處于水平位置處，約為9 584.8 N。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用425口高壓水井，成功率95%以上，最高井口注水壓力達(dá)31 MPa。平均占井周期減少近7 d。具有操作簡(jiǎn)便、安全可靠等特點(diǎn)。避免了停注、泄壓，可以提高測(cè)試數(shù)據(jù)精度、防止環(huán)境污染和減少地層能量損失、降低施工費(fèi)用。