趙廣淵， 王天慧， 楊樹坤， 李 翔， 呂國勝， 杜曉霞

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

渤海油田已進入全面注水開發(fā)階段，注水效果在一定程度上關(guān)系到渤海油田的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。由于常規(guī)投撈式分層注水工藝存在測調(diào)效率低、占用平臺作業(yè)井口、不滿足大斜度井應(yīng)用等問題[1–4]，近年來，渤海油田開始了智能分層注水技術(shù)的礦場試驗[5–7]。

WellDynamics公司最早研究應(yīng)用液壓控制智能分注技術(shù)，該公司的液壓直驅(qū)控制系統(tǒng)只有開、關(guān)2種狀態(tài)[8]。斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓等知名油服公司采用電液配合或全電控方式實現(xiàn)了多層控制閥的開關(guān)或調(diào)節(jié)[8–9]。國內(nèi)多位學(xué)者也開展了相關(guān)研究，王海皎[10]研究了一種全電動流量控制裝置；楊繼峰[11]設(shè)計了一種通過驅(qū)動電機和減速器精細控制流量調(diào)節(jié)的流量控制閥；何東升和王威[12–13]等人利用液壓信號控制流量，并優(yōu)化了液壓流量控制閥的密封結(jié)構(gòu)；黎偉等人[14]設(shè)計了一種用于水平井分段壓裂的智能開關(guān)滑套。上述研究多采用電動方式控制流量閥，或只對其控制方式和密封結(jié)構(gòu)進行部分優(yōu)化，對液壓控制智能分注技術(shù)的研究較少。

渤海油田于2016年開始應(yīng)用液壓控制智能分層注水技術(shù)，其采用機械液壓控制方式，井下工具無電子元器件，取得了良好應(yīng)用效果[15–19]。但隨著油藏精細注水要求不斷提高，逐漸顯現(xiàn)以下問題：1）多層注水井液控管線數(shù)量較多，現(xiàn)場施工難度大；2）液壓控制智能滑套調(diào)節(jié)級數(shù)少，只有開、關(guān)和半開3級開度，不但分層調(diào)配精度低，而且調(diào)配合格率低；3）海上油田小井眼注水井逐年增多，現(xiàn)有注水工具尺寸不滿足要求，技術(shù)推廣受限；4）地面無法實時監(jiān)測井下注水情況，無法直觀判斷各層注水情況。

針對上述問題，在常規(guī)液壓控制智能分注技術(shù)基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化控制方式、井下流量控制閥和流量計的結(jié)構(gòu)、分層測調(diào)方案等，提高了液壓控制智能分注技術(shù)在渤海油田的適用性。

1 液壓控制智能分注技術(shù)

1.1 液壓控制智能分注系統(tǒng)

液壓控制智能分注系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)、可穿越線纜封隔系統(tǒng)、流量控制裝置組成（見圖1）。地面控制系統(tǒng)通過液控管線與井下流量控制裝置連接，可實現(xiàn)液壓導(dǎo)通與傳遞；可穿越線纜封隔系統(tǒng)既可以穿越液控管線，也可以實現(xiàn)層間封隔；在液壓作用下，通過地面控制系統(tǒng)控制流量控制裝置的機械結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)水嘴開度，實現(xiàn)地面或遠程對井下各層注水量的調(diào)控，從而完成分層配注。

圖1 液壓控制智能分注系統(tǒng)Fig.1 Intelligent water injection system with hydraulic control

1.2 技術(shù)特點

液壓控制智能分注技術(shù)可實現(xiàn)流量控制閥在線控制，可適應(yīng)井下復(fù)雜工況，通過定位換向機構(gòu)調(diào)節(jié)井下注水流量。渤海油田液壓控制智能分注技術(shù)具有以下主要技術(shù)特點：

1）不占用海上平臺作業(yè)井口。渤海油田已進入高采出程度、高含水階段，為了穩(wěn)定產(chǎn)量，油水井作業(yè)量較大，而海上平臺空間有限，作業(yè)窗口緊張。液壓控制智能分注技術(shù)可通過地面控制系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)各層的配注量，節(jié)省作業(yè)井口空間。

2）滿足大斜度井和水平井應(yīng)用要求。渤海油田大斜度井和水平井占比較高，鋼絲投撈或電纜測調(diào)技術(shù)適應(yīng)性較差。液壓控制智能分注技術(shù)通過液控管線連通地面控制系統(tǒng)與井下流量控制閥，實現(xiàn)了在線控制，不受井斜限制。

3）測調(diào)效率高，可實現(xiàn)遠程控制。通過地面控制系統(tǒng)的計算機，可實現(xiàn)手動、自動一體控制，操作便捷，調(diào)節(jié)控制效率高。地面控制系統(tǒng)可通過無線通信設(shè)備，與海上平臺中央控制室的計算機相連，遠程調(diào)節(jié)井下流量控制閥的開度。

2 液壓控制工藝優(yōu)化

2.1 控制方式

常規(guī)液壓控制智能分注工藝采用“N+1”控制模式，通過N+1條液控管線控制井下N層分層注水。該模式操作簡單，一般適用于分層數(shù)較少（≤4層）的注水井。對于分層數(shù)較多（≥4層）的注水井，采用此控制方式所需液控管線數(shù)量較多，施工難度及安全風(fēng)險高，適用性低。為此，研制出“3-2”控制方式的數(shù)字解碼器，提高了分層注水層數(shù)。

2.1.1 控制原理

“3-2”控制方式將每個流量控制閥與數(shù)字解碼器串聯(lián)，通過液控管線增壓、穩(wěn)壓、泄壓順序的變化識別并選擇不同層位，調(diào)節(jié)對應(yīng)流量控制閥水嘴的開度，實現(xiàn)3條液控管線控制井下6層的配注量。

控制流程通過液控管線編號與壓力控制順序排列組合實現(xiàn)（見圖2），1#液控管線與數(shù)字解碼器關(guān)閉口連接；2#液控管線與數(shù)字解碼器增壓口和數(shù)字解碼器流量控制閥關(guān)閉口連接；3#液控管線與數(shù)字解碼器穩(wěn)壓口和數(shù)字解碼器流量控制閥開啟口連接。通過地面控制柜給出開啟數(shù)字解碼器指令時，經(jīng)3#液控管線穩(wěn)壓、2#液控管線增壓，數(shù)字解碼器開啟，壓力傳導(dǎo)通道開啟；此時，通過2#、3#液控管線增壓，可實現(xiàn)流量控制閥的開啟與關(guān)閉，達到換向調(diào)節(jié)目的；最后，1#液控管線增壓，數(shù)字解碼器關(guān)閉，壓力傳導(dǎo)通道關(guān)閉。

圖2 “3-2”控制方式原理示意Fig.2 “3-2” control principle

2.1.2 數(shù)字解碼器

數(shù)字解碼器是實現(xiàn)井下層位智能選擇與液壓傳導(dǎo)的裝置（見圖3），其本體材質(zhì)為42CrMo，工作壓力為35 MPa，由1個常開二位二通閥和1個常閉二位二通閥組成，利用“3-2”控制方式與井下流量控制閥配合，以3條液控管線分層控制調(diào)節(jié)6層的注水量。渤海油田注水井多采用篩管防砂完井，常用防砂管柱的內(nèi)徑為 120.7，101.6，98.6 和 82.6 mm。為滿足上述內(nèi)徑防砂管要求，分別配套了?117.0和?80.0 mm 的數(shù)字解碼器。

圖3 數(shù)字解碼器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of digital decoder

2.2 流量控制閥

渤海油田注水井分注層數(shù)多，多采用?177.8 mm套管完井，下入內(nèi)徑82.6 mm防砂管柱。針對流量控制閥水嘴調(diào)節(jié)級數(shù)少、不適用于小井眼等問題，研制了適用于不同內(nèi)徑防砂管柱的流量控制閥。

流量控制閥通過開啟和關(guān)閉總成間的壓差，推動密封軸套上下滑動，改變其與可調(diào)水嘴的重疊面積，實現(xiàn)水嘴開度調(diào)節(jié)（見圖4）。密封軸套的滑動由導(dǎo)向銷釘在定位換向機構(gòu)中限定，實現(xiàn)多級控制的關(guān)鍵在于定位換向機構(gòu)。

圖4 井下多級流量控制閥Fig.4 Downhole multistage flow control valve

流量控制閥本體材質(zhì)為42CrMo，導(dǎo)向銷釘和定位換向槽采用硬質(zhì)合金，提高其抗研磨性能。優(yōu)化定位換向槽尺寸，將?118.0 mm流量控制閥調(diào)節(jié)級數(shù)增大至 11 級，?95.0、?80.0 mm 流量控制閥調(diào)節(jié)級數(shù)增大至7級（見圖5）。其中，水嘴開啟定位槽長度不同，而水嘴關(guān)閉定位槽長度一致，導(dǎo)向銷釘在水嘴開啟定位換向槽中移動時，水嘴開啟定位槽越長，水嘴開度越大；當(dāng)導(dǎo)向銷釘位于水嘴關(guān)閉定位槽時，水嘴處于關(guān)閉狀態(tài)；每切換一級水嘴開度，均要經(jīng)過水嘴關(guān)閉狀態(tài)。采用金屬對金屬的密封方式，保證流量控制閥水嘴在關(guān)閉狀態(tài)時的密封效果。優(yōu)化后井下多級流量控制閥工作壓力為35 MPa，密封件可耐溫200 ℃，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 井下多級流量控制閥技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of a downhole multistage flow control valve

圖5 7級調(diào)節(jié)定位換向槽結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.5 Designed structure of the location reversing slot of 7-stage adjustment

2.3 大排量渦街流量計

考慮井下高溫、高壓、出砂、油污和空間狹小等惡劣工況，研制了測試結(jié)果不受介質(zhì)影響、穩(wěn)定性高的大排量渦街流量計，實時監(jiān)測井下各層注水量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)。被測介質(zhì)經(jīng)過漩渦發(fā)生體后，分離產(chǎn)生兩排穩(wěn)定漩渦，漩渦分離頻率與當(dāng)前流速成比例關(guān)系，通過置于漩渦場中的感應(yīng)探頭進行檢測，將振動頻率轉(zhuǎn)換為電信號進行數(shù)據(jù)處理，計算出當(dāng)前流量。

為適應(yīng)渤海油田注水排量大的特點，設(shè)計渦街流量計時，將?15.0 mm旁通測試通道用于流量測試，既保證了主流道尺寸，又充分考慮了測試通道的過流性能，防止注入水中的雜質(zhì)影響測試精度（見圖6）。該測試方式量程比大，可滿足不同排量測試精度；測試電路程序采用多段標定模型，根據(jù)測試流量范圍校正旁通測試通道流量，測試精度可達95%。多層注水井需每層安裝1套大排量渦街流量計，采用遞減法計算各層注水量。大排量渦街流量計本體材質(zhì)采用42CrMo，工作壓力為35 MPa，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖6 大排量渦街流量計結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of a vortex-shedding flowmeter for high flow rate

表2 大排量渦街流量計技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of a vortex-shedding flowmeter for high flow rate

2.4 測調(diào)方案設(shè)計

根據(jù)井下有無配套流量計，設(shè)計了模糊測調(diào)和精確測調(diào)2種測調(diào)方案。

2.4.1 模糊測調(diào)

模糊測調(diào)的原理同嘴損曲線法[20]，以2層分注為例，具體測調(diào)流程如下：

1）各層選定水嘴級位，測試分層注水指示曲線；

2）根據(jù)分層注水指示曲線計算各層配注量對應(yīng)的井口注入壓力ph；

3）查閱各層水嘴嘴損圖版，計算各層配注量下的地層注入壓力pwf：

式中：pwf為地層注入壓力，MPa；ph為井口注入壓力，MPa；pw為靜液柱壓力，MPa；pp為管柱壓力損失，MPa；pb為嘴損，MPa。

4）根據(jù)式（1），查閱嘴損曲線圖版，選擇配注量對應(yīng)控制閥水嘴級位，進行配注。

多層分注可參照此測調(diào)流程進行。

2.4.2 精確測調(diào)

地面控制系統(tǒng)可實時顯示井下各層注水量、管內(nèi)壓力、地層注入壓力和溫度等參數(shù)，根據(jù)各層地層注入壓力和水嘴級位，結(jié)合式（2）查閱嘴損圖版，即可得到滿足配注量對應(yīng)的水嘴級位，直接調(diào)節(jié)各層流量控制閥，調(diào)配效率高。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2016～2018 年，渤海油田實施液壓控制智能分注的注水井，分注層數(shù)均為2層，防砂管柱最小內(nèi)徑為120.7和100.6 mm。自2019年起，液壓控制智能分注優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)已在渤海油田累計應(yīng)用20井次，其中在防砂管柱內(nèi)徑為82.6 mm的小井眼應(yīng)用3井次，最大分注層數(shù)4層，最大井斜角75.26°，目前注水管柱工作正常，液壓控制智能分注系統(tǒng)運行穩(wěn)定，井下流量控制閥開關(guān)靈活，分注工具性能可靠，實時監(jiān)測了井下各層注水流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了層間封隔器在線驗封及各層配注量的測調(diào)，驗證了其在小井眼和大斜度井中的適用性。下面以A井為例，具體介紹應(yīng)用情況。

A井2002年8月11日投產(chǎn)，射開明化鎮(zhèn)組Ⅱ（NmⅡ）油組和Ⅳ（NmⅣ）油組，2個油組單獨防砂。2015年8月，為完善注采井網(wǎng)，實施轉(zhuǎn)注作業(yè)，將NmⅡ油組細分為2段注水，全井共3段注水，鋼絲投撈分注測調(diào)需用時2.5 d。2016—2018年，因平臺作業(yè)量大，A井每年測調(diào)2次，測試數(shù)據(jù)獲取頻次低，對各層位注水情況認識不清。

為了提高測調(diào)效率，實現(xiàn)井下注水情況實時監(jiān)測，2019年10月，下入液壓控制智能分層注水管柱，管柱結(jié)構(gòu)為頂部封隔器+ 1#渦街流量計+ 1#多級流量控制閥+ 2#隔離封隔器+ 2#渦街流量計+ 2#多級流量控制閥+ 3#隔離封隔器+ 3#渦街流量計+3#多級流量控制閥。分3層注水，每層多級流量控制閥控制級數(shù)為11級，采用大排量渦街流量計實時監(jiān)測井下流量、壓力等數(shù)據(jù)。

注水管柱下入初期，P1層防砂段單獨注水，配注量300 m3/d。分層注水管柱下到位后，封隔器坐封，開啟P2層多級流量控制閥，關(guān)閉P1、P3層多級流量控制閥，從油管階梯試壓，僅管內(nèi)壓力有階梯變化，地層注入壓力無明顯變化，說明2#、3#隔離封隔器層間封隔情況良好，流量計壓力測試正常。A井恢復(fù)注水后，對比P1層流量計測試流量與該井地面流量計測試流量，流量測試誤差小于2%，且管內(nèi)壓力和地層注入壓力顯示正常（見表3），驗證了大排量渦街流量計的可靠性。

表3 A井流量計測試結(jié)果Table 3 Test data of flowmeters in Well A

2020年2 月，A井P1層、P2層和P3層的配注量分別為300，150和500 m3/d，讀取大排量渦街流量計測試的地層注入壓力，通過計算P1、P2和P3層流量控制閥水嘴級位選擇3，6和10，再通過大排量渦街流量計測試井下各層注水流量，以保證滿足配注量要求，整個作業(yè)過程歷時1 d。

截至2021年3月，A井液壓控制智能分層注水管柱工作正常，流量控制閥累計調(diào)節(jié)185次，平均測調(diào)用時0.8 d，流量控制閥可靠性得到驗證，大排量渦街流量計測試精度和測調(diào)效率等均有所提升。

4 結(jié)論與建議

1）針對渤海油田常規(guī)液壓控制智能分層注水工藝分注層數(shù)少、不滿足小井眼應(yīng)用需求等問題，研制了數(shù)字解碼器、適用于小井眼的多級流量控制閥，實現(xiàn)最大注水分層數(shù)6層，最大調(diào)節(jié)級數(shù)11級，提高了注水調(diào)節(jié)精度；配套研制了大排量渦街流量計，測試精度可達95%，實現(xiàn)了地面實時監(jiān)測井下各層注水?dāng)?shù)據(jù)、配注量的精確測調(diào)，提高了調(diào)配效率。

2）液壓控制智能分層注水優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)已在渤海油田累計應(yīng)用20井次，累計完成測調(diào)作業(yè)40余井次，平均單井測調(diào)周期縮短至1 d，測調(diào)效率比鋼絲投撈分注提高60%，工具的可靠性、測調(diào)效率、測試精度均得到了驗證。

3）基于渤海油田智能分層注水技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，建議加強井下實時監(jiān)測、自動化測調(diào)方面的研究，同時進一步研究采用壓力波、聲波、單芯電纜等控制方式的智能分注技術(shù)，并著重提高智能分注井下工具的可靠性。