劉義剛 孟祥海 張志熊 藍(lán)飛 陳征 張樂(lè) 陳華興

(中海石油有限公司天津分公司)

0 引 言

?177.8 mm(7 in)小井眼注水井的鉆完井成本比常規(guī)井眼降低23%以上，是低油價(jià)時(shí)代降本增效的有效措施[1-5]，部分新油田也規(guī)劃了一定數(shù)量的小井眼注水井，因此，小井眼注水井將成為海上油田未來(lái)很重要的一類注水井。截至2019年12月，渤海油田防砂完井最小內(nèi)通徑82.6 mm(3.25 in)的小井眼注水井有108口，部分待轉(zhuǎn)注油井、側(cè)鉆井和套管補(bǔ)貼井的防砂完井最小內(nèi)通徑也是82.6 mm。這些井目前只能采用早期開(kāi)發(fā)的一投三分、同心分注、多管分注和空心集成等工藝，存在分注層數(shù)受限、調(diào)配作業(yè)占井時(shí)間長(zhǎng)和測(cè)調(diào)效率低的問(wèn)題。同時(shí)，受海上平臺(tái)時(shí)空特點(diǎn)及油水井集中管理等限制，大部分平臺(tái)年作業(yè)天數(shù)接近或超過(guò)年生產(chǎn)天數(shù)，作業(yè)資源優(yōu)先滿足油井需求，使得注水井的分注率、調(diào)配率和分注井層段合格率均較低，迫切需要提高注水井測(cè)調(diào)效率。智能測(cè)調(diào)分注工藝雖然實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)測(cè)調(diào)，適用于任何井型，目前處于推廣應(yīng)用階段，但主要在最小內(nèi)通徑為120.7 mm(4.75 in)的注水井中應(yīng)用，故障率較高，文獻(xiàn)[6-7]對(duì)故障率高的問(wèn)題進(jìn)行了研究。邊測(cè)邊調(diào)分注工藝雖然在測(cè)調(diào)效率上略低于智能測(cè)調(diào)工藝，但比傳統(tǒng)的鋼絲投撈分注工藝有極大提升，也只適用于最小內(nèi)通徑101.6 mm(4 in)以上常規(guī)井眼注水井[8]。鑒于此，筆者對(duì)大尺寸邊測(cè)邊調(diào)工藝技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，形成了適用于82.6 mm內(nèi)通徑的小井眼分注井測(cè)調(diào)一體化注水工作筒及配套工具。采用該工具可實(shí)現(xiàn)小井眼注水井分層測(cè)調(diào)一體化注水，達(dá)到一趟作業(yè)完成驗(yàn)封和測(cè)調(diào)的目的，同時(shí)保證整個(gè)管柱內(nèi)通徑不小于44 mm，不影響后續(xù)相關(guān)測(cè)試等作業(yè)。研究成果可滿足當(dāng)前開(kāi)發(fā)階段這一類注水井的高效測(cè)調(diào)需求。

1 技術(shù)分析

1.1 管柱設(shè)計(jì)

海上油田小井眼分注井測(cè)調(diào)一體化工藝管柱(見(jiàn)圖1)采用一個(gè)?82.6 mm測(cè)調(diào)一體化注水工作筒對(duì)應(yīng)一個(gè)注水層，每個(gè)工作筒結(jié)構(gòu)都一樣，設(shè)有定位對(duì)接機(jī)構(gòu)和可調(diào)水嘴，可與測(cè)調(diào)儀器對(duì)接定位并控制注水層水量。驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀器選擇性地去驗(yàn)封和調(diào)節(jié)每個(gè)工作筒。

1.2 工藝原理及特點(diǎn)

該分注工藝通過(guò)插入密封與封隔器的配合完成層間密封，利用注水測(cè)調(diào)儀器檢測(cè)井底溫度、壓力和流量，地面控制設(shè)備對(duì)井底參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)地面控制器控制注水驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化儀器，實(shí)現(xiàn)在線驗(yàn)封并調(diào)節(jié)注水工作筒工作水嘴的大小，改變各地層注入量大小，提高分注效率。其創(chuàng)新點(diǎn)如下。

(1)可根據(jù)具體需求層段數(shù)下入配套插入密封(或封隔器)以及注水工作筒，注水層段數(shù)不受限制。

(2)可以一趟電纜作業(yè)完成所有層位的驗(yàn)封及調(diào)配，大幅提高驗(yàn)封及測(cè)調(diào)時(shí)效。

(3)在測(cè)調(diào)過(guò)程中，地面可實(shí)時(shí)監(jiān)控井下不同層位流量、壓力和溫度并控制調(diào)節(jié)井下注水工作筒水嘴大小。

(4)采用定測(cè)方式對(duì)地層注水量進(jìn)行檢測(cè)，提高流量測(cè)試精度。

(5)預(yù)留剖面測(cè)試和氧活化測(cè)試通道，滿足注水井測(cè)試需求。

1—安全閥；2—滑套；3—頂封和定位密封；4、6、8—?82.6 mm測(cè)調(diào)注水工作筒；5、7—隔離封隔器和插入密封；9—底部封隔器；10—單流閥。

2 關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)

2.1 ?82.6 mm測(cè)調(diào)一體化注水工作筒

該工作筒整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上接頭、外筒、活動(dòng)水嘴組件、固定水嘴組件、下接頭以及其他配套密封件組成。工具整體采用同心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上下兩端設(shè)計(jì)有73.0 mm(2in) NUB×NUP油管螺紋，依照工具連接方式進(jìn)行連接，中部設(shè)置有中心通道和橋式通道雙流道，實(shí)現(xiàn)多層測(cè)調(diào)分注，下部設(shè)置活動(dòng)水嘴與固定水嘴，活動(dòng)水嘴組件軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)水嘴開(kāi)度大小的控制。

在正常注水過(guò)程中，流體從上接頭流入，一部分流體流入中心通道被注入地層；另一部分流體流入橋式通道。經(jīng)中心通道的部分流體與流經(jīng)橋式通道的流體在下接頭處匯合后一起流入下一地層。

主要技術(shù)參數(shù)：長(zhǎng)度756 mm，最大外徑80 mm，最小內(nèi)徑46 mm，最大單層排量1 000 m3/d，耐溫-40～150 ℃，耐壓50 MPa。

1—上接頭； 2、6、8—O形密封圈；3—外筒；4—擋砂圈；5—調(diào)節(jié)軸套組件；7—固定水嘴組件；9—下接頭。

2.1.1 上接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上接頭是?82.6 mm測(cè)調(diào)一體化注水工作筒的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如圖3所示，主要包括油管螺紋、普通螺紋、定位臺(tái)階、防轉(zhuǎn)槽、扶正筋、排砂槽、防砂槽和梯形螺紋。其中，上端油管螺紋和普通螺紋分別與油管及工作筒外筒連接；定位臺(tái)階與下入井下的測(cè)調(diào)儀對(duì)接；防轉(zhuǎn)槽也叫導(dǎo)流槽，與下入井下的測(cè)調(diào)儀防轉(zhuǎn)塊配合，防止測(cè)調(diào)過(guò)程中電纜及測(cè)調(diào)儀旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在注水及測(cè)調(diào)過(guò)程中該防轉(zhuǎn)槽也是流體進(jìn)入橋式通道的入口，具有導(dǎo)流作用；扶正筋主要起扶正作用，上接頭與外筒螺紋連接后，上端與外筒連接，上接頭外壁與外筒內(nèi)壁形成過(guò)流旁通，下端部分無(wú)連接結(jié)構(gòu)，整個(gè)上接頭下端懸于外筒內(nèi)部，為防止上接頭下端變形，設(shè)計(jì)增加扶正結(jié)構(gòu)；擋砂圈防止井下砂子進(jìn)入梯形螺紋處，避免出現(xiàn)因砂卡導(dǎo)致水嘴無(wú)法調(diào)節(jié)；梯形螺紋是工作筒中活動(dòng)水嘴組件的移動(dòng)軌道，其螺距大，傳力效果好，經(jīng)QPQ強(qiáng)化處理后可保證工作筒順利調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)下端設(shè)計(jì)有梯形螺紋，且屬于關(guān)鍵移動(dòng)軌道，為保證螺紋強(qiáng)度及工具的整體強(qiáng)度，統(tǒng)一采用17-4PH材質(zhì)。

1—油管螺紋；2—普通螺紋；3—定位臺(tái)階；4—防轉(zhuǎn)槽；5—扶正筋；6—排砂槽；7—擋砂圈；8—梯形螺紋。

該結(jié)構(gòu)可以理解為將?98.6 mm注水工作筒[8]中上接頭與導(dǎo)向筒進(jìn)行創(chuàng)新、組合形成。通過(guò)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅減少了原本的焊接工藝，而且還省去了?98.6 mm測(cè)調(diào)工作筒中的本體組件，使?82.6 mm測(cè)調(diào)注水工作筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，同時(shí)還滿足?98.6 mm注水工作筒的功能需求。

2.1.2 中心通道和橋式通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中心通道和橋式通道是關(guān)鍵注水流道，中心通道屬于主過(guò)流通道，可實(shí)現(xiàn)地層多層注水；橋式通道屬于分流通道，既可實(shí)現(xiàn)地層測(cè)調(diào)時(shí)多層段注水，還可平衡水嘴前后壓力。?82.6 mm測(cè)調(diào)一體化注水工作筒在中心通道與橋式通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上98.6 mm、101.6 mm、120.7 mm及大排量測(cè)調(diào)注水工作筒不同，分為兩部分。第一部分為上接頭與外筒組成的分體式中心通道與橋式通道(見(jiàn)圖4)，上接頭中心通道即為該部分的整體中心通道，上接頭與外筒連接后，橋式通道由上接頭與外筒之間的環(huán)空組成，流體流經(jīng)中心通道時(shí)可由上接頭防轉(zhuǎn)槽處流入橋式通道，并由橋式通道的下端流入第二段橋式通道。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是采用軸套式結(jié)構(gòu)，不僅減小了設(shè)計(jì)尺寸，還提供了較大尺寸的橋式過(guò)流通道。第二部分為固定水嘴處一體式中心通道與橋式通道(見(jiàn)圖5)。該結(jié)構(gòu)位于固定水嘴組件內(nèi)部，采用月牙槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配套線切割加工工藝，這樣就完成了橋式主流通道設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是中心通道和橋式通道為一體式結(jié)構(gòu)，減少了零件數(shù)量，提高了可靠性。

圖4 分體式中心通道與橋式通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic of split central channel and bridge channel

2.1.3 關(guān)鍵測(cè)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵測(cè)調(diào)結(jié)構(gòu)包含“一動(dòng)一靜一密封” 3部分結(jié)構(gòu)。

活動(dòng)水嘴組件為測(cè)調(diào)結(jié)構(gòu)中的“一動(dòng)”部分，是整個(gè)注水工作筒的關(guān)鍵部件，由擋砂槽、調(diào)節(jié)槽、梯形轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋、通壓槽及水嘴陶瓷套等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成，如圖6所示。

圖5 一體式中心通道與橋式通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural schematic of integrated central channel and bridge channel

1—擋砂槽；2—調(diào)節(jié)槽；3—梯形轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋；4—通壓槽；5—水嘴陶瓷套。

調(diào)節(jié)槽可與下入井下的測(cè)調(diào)儀配合，測(cè)調(diào)儀調(diào)節(jié)爪插入調(diào)節(jié)槽內(nèi)。當(dāng)測(cè)調(diào)儀調(diào)節(jié)爪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)活動(dòng)水嘴組件沿梯形轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整體部件在軸向方向上下移動(dòng)，從而改變陶瓷套與固定水嘴組件中的陶瓷水嘴配合，完成注入水嘴開(kāi)度大小的控制。調(diào)節(jié)槽設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)槽可調(diào)節(jié)距離與注入水嘴全開(kāi)至全關(guān)距離相等，防止注入水嘴已經(jīng)全開(kāi)或全關(guān)，而活動(dòng)水嘴組件仍在上下移動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)位移與水嘴開(kāi)度不匹配；其次，調(diào)節(jié)槽上下兩端應(yīng)設(shè)計(jì)防扭矩過(guò)載結(jié)構(gòu)，確保當(dāng)注入水嘴已全開(kāi)或全關(guān)時(shí)，測(cè)調(diào)儀調(diào)節(jié)爪可在調(diào)節(jié)槽內(nèi)自動(dòng)滑脫，反向轉(zhuǎn)動(dòng)又可正常調(diào)節(jié)，避免扭矩過(guò)載。

梯形轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋相當(dāng)于活動(dòng)水嘴裝配組件的旋轉(zhuǎn)齒輪，可沿對(duì)應(yīng)梯形螺紋旋轉(zhuǎn)并上下移動(dòng)，此處梯形螺紋強(qiáng)度高、螺距大，表面QPQ處理后可確保水嘴調(diào)節(jié)的正常運(yùn)動(dòng)，有效防止粘連。

水嘴陶瓷套結(jié)構(gòu)選用氧化鋯材質(zhì)，利用激光焊接工藝固定在活動(dòng)水嘴組件的本體上，具有硬度高及耐沖蝕的特點(diǎn)，可增加測(cè)調(diào)工藝的可靠性。

固定水嘴組件為測(cè)調(diào)結(jié)構(gòu)中的“一靜一密封”部分，主要由陶瓷水嘴、壓環(huán)、格萊圈及固定水嘴套等組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1—陶瓷水嘴；2—壓環(huán)；3—格萊圈；4—固定水嘴套。

“一靜”是指陶瓷水嘴，通過(guò)激光焊接方式與固定水嘴套連接，屬于固定水嘴，與活動(dòng)水嘴組件中的陶瓷套配合，實(shí)現(xiàn)注入水嘴開(kāi)度大小的控制。其設(shè)計(jì)不再采用以往的軸套式結(jié)構(gòu)，而是使陶瓷水嘴與活動(dòng)水嘴組件中陶瓷套在布局方向上相互垂直，具有硬度高、耐沖蝕及可降低調(diào)節(jié)扭矩的優(yōu)點(diǎn)。“一密封”是指固定水嘴組件中的密封結(jié)構(gòu)，該密封部件選用格萊圈動(dòng)密封，適用于軸向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封，在高溫高壓下變形量較小，調(diào)節(jié)阻力小。

2.2 ?82.6 mm驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化工具

?82.6 mm驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化工具是實(shí)現(xiàn)小井眼注水井邊測(cè)邊調(diào)的關(guān)鍵配套工具，主要由超聲流量短節(jié)、測(cè)調(diào)控制短節(jié)以及驗(yàn)封短節(jié)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

主要技術(shù)參數(shù)：長(zhǎng)度2 170 mm，最大外徑42 mm，耐溫-40～150 ℃，耐壓60 MPa，定位臂每次打開(kāi)/收回時(shí)間5 s，流量測(cè)量范圍10～1 000 m3/d，流量測(cè)量精度5%，單層配水調(diào)整時(shí)間8 min。

流量短節(jié)主要完成對(duì)井下參數(shù)的采集，包括流量、溫度和管柱壓力等，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至測(cè)調(diào)板；測(cè)調(diào)控制短節(jié)控制調(diào)節(jié)臂的張收、正負(fù)調(diào)動(dòng)作，同時(shí)收集其他短節(jié)信息打包發(fā)送至地面控制器；驗(yàn)封短節(jié)主要控制驗(yàn)封電機(jī)動(dòng)作，利用位置傳感器檢測(cè)電機(jī)位置，進(jìn)而完成驗(yàn)封功能，同時(shí)采集地層壓力傳送至控制短節(jié)。

控制器上的正負(fù)調(diào)按鈕和上位機(jī)軟件的正負(fù)調(diào)按鍵可以進(jìn)行配水器的開(kāi)度調(diào)節(jié)。上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)測(cè)量溫度、壓力和流量，并且顯示可調(diào)水嘴的開(kāi)度變化。調(diào)節(jié)至要求的流量或者要求的開(kāi)度后可按停止按鈕停止本層的流量調(diào)節(jié)。

1—流量短節(jié)；2—測(cè)調(diào)控制短節(jié)；3—驗(yàn)封短節(jié)。

井下驗(yàn)封時(shí)，儀器在對(duì)接的情況下，通過(guò)上位機(jī)或地面控制器發(fā)送驗(yàn)封命令，儀器執(zhí)行驗(yàn)封控制命令，由電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)絲杠傳動(dòng)，擠壓儀器密封段的上下驗(yàn)封皮碗，使上下皮碗張開(kāi)，與配水器內(nèi)壁擠壓形成兩個(gè)密封腔，兩個(gè)密封腔中間位置與地層相通，通過(guò)測(cè)調(diào)儀上的兩個(gè)壓力傳感器測(cè)得管柱壓力與地層壓力的壓差即可驗(yàn)證封隔器的密封性能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2019年3月至2020年6月，海上油田小井眼分注井測(cè)調(diào)一體化工藝技術(shù)已在PL、SZ和LD等油田11口注水井試驗(yàn)應(yīng)用，單井最大分注層數(shù)達(dá)到6層，最大下入深度2 700 m，最大應(yīng)用井斜65°。從應(yīng)用井測(cè)調(diào)效果看，基于油藏需求共計(jì)驗(yàn)封調(diào)配144層次，一次驗(yàn)封測(cè)調(diào)成功率可達(dá)97.3%以上，平均單井測(cè)調(diào)時(shí)間在6 h以內(nèi)，分層驗(yàn)封效果可達(dá)90%以上，分層流量測(cè)調(diào)誤差在10%以內(nèi)，測(cè)調(diào)精度在2%以內(nèi)，分層配水合格率在95%以上，達(dá)到了海上油田小井眼分注井高效測(cè)調(diào)的時(shí)效和技術(shù)要求。比傳統(tǒng)鋼絲投撈測(cè)調(diào)工藝測(cè)調(diào)時(shí)效每次單井節(jié)約90 h/以上，節(jié)省測(cè)調(diào)費(fèi)用120余萬(wàn)元，分注井測(cè)試率提高了15%以上，分層配水合格率提高了近42%，在一定程度上提高了注水開(kāi)發(fā)效率，取得了較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)海上油田小井眼注水井缺乏高效測(cè)調(diào)分注工藝的技術(shù)現(xiàn)狀，在現(xiàn)有大尺寸邊測(cè)邊調(diào)分注工藝基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高效測(cè)調(diào)分注工藝、分注管柱、注水工作筒及驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化儀器，形成了適用于海上油田82.6 mm內(nèi)通徑的小井眼分注井測(cè)調(diào)一體化分層工藝技術(shù)，滿足了海上油田小井眼注水井現(xiàn)階段的精細(xì)化注水需求。

(2)現(xiàn)場(chǎng)11口應(yīng)用井的測(cè)調(diào)情況表明，該工藝一次性驗(yàn)封測(cè)調(diào)成功率高，測(cè)調(diào)效率高，分層調(diào)配合格率高，測(cè)調(diào)精度高，相比傳統(tǒng)鋼絲投撈測(cè)調(diào)工藝，可大幅節(jié)約單井測(cè)調(diào)時(shí)間，從而大幅縮短占井周期，節(jié)省測(cè)調(diào)費(fèi)用，可在其余小井眼分注井推廣應(yīng)用。