孟祥海， 劉義剛， 陳 征， 張 樂， 藍 飛， 張志熊， 陳華興

中海石油(中國)有限公司天津分公司

0 引言

渤海油田絕大部分油藏具有儲層跨距大、小層多、非均質性突出等特點[1- 7]，分層注水開發(fā)是確保渤海油田長期穩(wěn)產增產的重要開發(fā)方式[8]，目前有分層注水井750余口，這些分注井的內通徑有120.65 mm、101.6 mm、98.55 mm、82.55 mm四種尺寸[9- 10]，其中82.55 mm為最小內通徑尺寸。內通徑為82.55 mm的小通徑分注井目前有108口，隨著海上油田側鉆井、套管補貼井以及油井轉注需求的增加，小通徑注水井勢必逐漸增多，未來將成為海上油田很重要的一類分層注水井。

目前小通徑分注井只能采用同心集成分層注水和一投三分注水工藝，通過鋼絲多趟投撈作業(yè)實現多層段分層測調，調配耗時長、效率低，占用海上平臺正常生產作業(yè)時間，且注水分層段數受限在三層以內，無法滿足渤海油田精細化注水要求[11- 15]。邊測邊調分注工藝、電纜永置智能測調分注工藝和無纜智能測調分注工藝等高效測調分注工藝目前只適用于101.6 mm以上內通徑尺寸的注水井，缺乏適用于82.55 mm小通徑分注井的高效測調分層注水工藝[16- 18]，亟待研究。鑒于電纜永置等智能測調分注工藝目前仍處于解決其高故障率的攻堅階段，因此，本文對小通徑分注井邊測邊調工藝技術進行了優(yōu)化改進，形成了適用的驗封測調注水工作筒及配套工具，滿足了渤海油田小通徑分注井由傳統(tǒng)分注工藝向智能分注工藝過渡階段的高效測調需求。

1 小通徑驗封測調一體化分注工藝系統(tǒng)

小通徑注水井驗封測調一體化分注工藝系統(tǒng)包括井下供電及信號傳輸系統(tǒng)與測調系統(tǒng)。井下電纜供電通過單片機和D觸發(fā)器控制繼電器的通斷來為地面控制器供電；信號傳輸采用單電纜多頻段載波的方式，通過二進制編碼方式進行傳輸；信號通訊分為信號發(fā)送、信號接收和上位機通訊三個部分。

主要工作原理為:通過插入密封與封隔器的配合完成層間密封，利用注水測調儀器檢測井底溫度、壓力、流量參數，地面控制設備對井底參數進行監(jiān)控，通過地面控制器控制注水測調儀器，調節(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?；跍y調系統(tǒng)優(yōu)化以及關鍵工具設計，最小通徑驗封測調一體化分注工藝系統(tǒng)突破了注水層數的限制，實現一趟電纜完成所有驗封與調配作業(yè)，且可以實時監(jiān)控各注水層位的溫度、流量以及壓力等數據并實時調節(jié)水嘴大小。

2 關鍵工具及工藝設計

2.1 驗封測調一體化分注管柱設計

?82.55 mm小通徑驗封測調一體化分注管柱采用一個工作筒對應一個油層的方案，如圖1所示。整個管柱主要由以下部分組成：①油管。滿足井筒尺寸條件下，盡量選擇大的注水通道，減小摩阻；②安全閥。井控工具，防止井噴、井涌，可迅速關閉注水管柱；③滑套。提供洗井通道以及修井作業(yè)中循環(huán)壓井；④頂封和定位密封(或頂部封隔器)。分隔注水段和上部套管環(huán)空，使整個管柱在此定位。完井后下壓一定噸位，防止管柱的蠕動給注水管柱帶來不利影響，延長管柱壽命；⑤測調一體化工作筒?？刂飘斍皩拥淖⑺?。設有定位對接機構和可調水嘴，起到與測調儀器的對接定位并控制注水層水量的作用；⑥隔離封隔器和插入密封。層與層之間的隔離密封；⑦單流閥(或絲堵)。不考慮反洗井則可將單流閥換成絲堵。

圖1 ?82.55 mm小通徑驗封測調一體化分注工藝及管柱系統(tǒng)

圖1所示小通徑驗封測調一體化分注管柱采用電動驗封儀器，電動驗封儀器可地面直讀驗封數據，管柱驗封后，將驗封測調一體化儀器下入井下至最下一級注水工作筒，通過地面控制器控制測調儀與注水工作筒對接，測試測量工作筒內流量參數；上提注水測調儀至上一級注水工作筒上部，下放測調儀與上一級注水工作筒對接，檢測通過上一級注水工作筒的流量，利用遞減法計算，可得出當前兩層的注入量。以此類推，注水測調儀器逐級上提測量各層段流量參數，減少重復作業(yè)。

2.2 測調工作筒設計

?82.55 mm小通徑注水井驗封測調一體化分注工作筒(圖2)設計采用固定于工作筒內部的可調水嘴實現地層的分層調配。為解決小通徑密封筒注水井預留尺寸較小的問題，對測調工作筒結構進行優(yōu)化，采用同心結構設計，上部設置連接油管扣，型號為?73.02 mm NUB×NUP；為實現多層測調分注功能，密封筒中部開設橋式通道雙流道和中心通道，在裝置下部安裝固定水嘴和活動水嘴，通過組件軸向移動實現對活動水嘴軸向移動的靈活控制。

1.上接頭;2.“O”型密封圈;3.外筒;4.擋砂圈;5.調節(jié)軸套組件;6.“O”型密封圈;7.固定水嘴轉件;8.“O”型密封圈;9.下接頭。

主要技術參數：長度756 mm，最大外徑80 mm，最小內徑46 mm，最大單層排量1 000 m3/d，耐溫-40～150 ℃，耐壓等級50 MPa。

工作筒結構優(yōu)化后，內部注入水流道主要為中心通道和橋式通道，二者均可實現地層多層注水，橋式通道還兼具平衡水嘴前后兩側壓力的作用。工作筒在優(yōu)化設計過程中，分別對內部兩處位置進行中心通道與橋式通道優(yōu)化，首先是上接頭與外筒連接處，上接頭內部中心管作為整個工作筒的中心通道，外筒與上接頭連接后形成的環(huán)空作為該處的橋式通道，橋式通道與中心通道由上接頭旋轉槽聯(lián)通；其次是在固定水嘴處設置一體式橋式通道。中心通道與橋式通道的設計采用軸套式結構，具有設計尺寸小、橋式通道空間大的優(yōu)點。

2.3 驗封測調一體化工具設計

驗封測調一體化儀器是小通徑注水井驗封測調一體化分注工藝的關鍵井下工具，其主要作用是監(jiān)測井下各地層溫度、流量、壓力等參數，同時調配各地層分層注水量，針對小通徑注水井井下空間的限制，研制了一種新型同心驗封測調儀，如圖3所示。

圖3 驗封測調一體化工具示意圖

該同心驗封測調儀整體采用短節(jié)式分體設計，上部為流量短節(jié)，中部為測調控制短節(jié)，下部為驗封短節(jié)，各部分均可獨立工作，測調控制短節(jié)可以通過串口與上下短節(jié)實現信號傳輸，然后通過單芯電纜將信號傳輸至地面控制器，兼具驗封與測調功能。

該驗封測調儀最大外徑42 mm，工作溫度范圍為-40～50 ℃，最高耐壓60 MPa，流量測量范圍10～1 000 m3/d，流量測量誤差控制在5%以內，單層配水調整時間不超過8 min。

3 室內及試驗井性能實驗

3.1 耐壓及密封性測試

為測試最小內通井測調一體化配水器的整體密封性能，開展了耐壓及密封性測試試驗。首先將測調一體化配水器固定在打壓架上，連接打壓泵和液壓管線，打壓泵通過階梯式打壓將壓力升至50 MPa，停止打壓，保壓50 MPa，30 min后觀察壓力表中顯示的壓力值，若壓力波動不超過0.5 MPa，即為耐壓50 MPa合格，高壓密封效果良好，反之若出現壓力減小及配水器表面有明顯漏液。說明配水器耐壓及密封性存在問題，需要拆裝檢查，對于有問題部件重新加工。

試驗過程中，對工作筒采用階梯式加壓，依次加壓至3 MPa、15 MPa、30 MPa、42 MPa，各階段均保壓10 min，然后升壓至50 MPa，保壓30 min。

總共選取12根工作筒進行密封性能測試試驗，測量工作筒在各穩(wěn)壓階段的筒內壓力，與目標打壓壓力對比，判斷工作筒密封性能。計算所有工作筒在加壓、穩(wěn)壓過程中目標壓力與筒內壓力的壓力差，如圖4所示。

由圖4可知，12根工作筒在不同壓力穩(wěn)壓時，保壓后壓力波動均不超過0.5 MPa，無明顯滲漏，測試合格。其中，隨保壓壓力升高，壓力波動也呈現升高的趨勢，工作筒在3 MPa保壓后壓力波動均為0，15 MPa保壓后壓力波動不超過0.2 MPa，30 MPa和42 MPa保壓后壓力波動均不超過0.3 MPa，50 MPa保壓后壓力波動最大達到0.4 MPa。

圖4 工作筒耐壓測試壓差分布

為測試工作筒耐壓等級，對工作筒持續(xù)打壓，實驗結果表明，研制的最小內通徑分注井測調工作筒在工作壓力60 MPa、工作溫度150 ℃時，保持30 min，壓力不降無滲漏，水嘴可正常開關，完全關閉狀態(tài)下無泄漏，測試合格。

3.2 靜壓下調節(jié)扭矩測試

在常溫常壓下，將配水器一端固定在臺鉗上，另一端利用支撐桿支撐，保證測調一體化配水器水平放置，利用手動調節(jié)工具及扭矩扳手插入測調一體化配水器內部，旋轉扭矩扳手，檢測測調過程中調節(jié)扭矩的大小。測試結果表明，12根工作筒在靜壓條件下調節(jié)扭矩均在4～5 N·m，均小于6 N·m，測試合格。

3.3 驗封測調儀測試

利用試驗井，分別進行驗封測調儀外殼耐壓測試、常溫條件下通信功能等基本功能測試以及儀器耐高溫測試。

(1)進行儀器外殼耐壓測試，將儀器除去電機、電容、電路板、壓力傳感器(2個)、電感線圈、磁定位線圈、電源模塊、行程開關、位置板、霍爾元件等電子元件，并用帶密封圈的壓力堵頭替代壓力傳感器，再將儀器整體進行裝配，將裝配完成的儀器吊掛在試驗井內，打壓至80 MPa，保壓30 min后泄壓取出儀器。檢查儀器外殼是否完好，將儀器外護管擰開，觀察儀器電路骨架是否有水珠。通過讀取高壓下儀器數據，判斷儀器外殼是否完好，以及儀器密封性是否符合要求。試驗結果表明，儀器外殼耐壓性良好，密封性完好，測試合格。

(2)進行驗封測調儀功能測試，測試結果表明，測調儀在常溫試驗井內可正確繪制流量、壓力、溫度曲線，軟件界面可顯示儀器開收臂狀態(tài)、水嘴調節(jié)狀態(tài)、命令狀態(tài)等信息，顯示流量、溫度、壓力、纜頭電壓等參數以及儀器的位置信息等數據；測調儀在高溫環(huán)境(150 ℃)下帶不同長度電纜條件下通信、命令控制均正常，儀器在不帶負載情況下，開收臂、正負調電流均在35～100 mA的范圍內，坐封、解封電流在35～140 mA范圍內，符合技術要求。

(3)為驗證測調儀的壓力測試精度，分別在15 ℃、50 ℃、85 ℃、100 ℃、125 ℃、150 ℃等6個溫度下測量0、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa 8個壓力臺階，對比正程和返程兩次測試的誤差，如圖5所示。由圖5可知，在溫度15～150 ℃以及壓力10～70 MPa條件范圍內，測調儀壓力測試誤差最大不超過0.8%，符合要求，測試合格。

圖5 壓力測試誤差分布

最后，為進一步驗證測調儀流量測試精度，分別在0、10 m3/d、30 m3/d、50 m3/d、80 m3/d、120 m3/d、260 m3/d、300 m3/d、540 m3/d、680 m3/d、800 m3/d等八個標定流量下進行流量檢定精度測試，對比測調儀流量測試結果與標定流量，計算誤差，測試結果如圖6所示。從圖6中可看出，除標定流量10 m3/d以及30 m3/d對應的流量測試誤差超過15%，其他流量下，測調儀流量測試誤差均小于15%，且流量測試誤差隨流量增大呈降低趨勢，即流量越大，流量測試誤差越小。海上油田小通徑注水井單層注水量一般在300 m3/d左右，該測調儀流量精度測試基本符合測試要求，測試合格。

圖6 流量測試誤差分布

4 現場應用

研發(fā)的小通徑注水井注水驗封測調一體化工藝技術已在海上油田11口小通徑注水井試驗應用，最大分層數6層，最大下入深度2 700 m，最大應用井斜65°。從應用井情況看，共計驗封調配144層次，一次驗封測調成功率可達97.3%以上，平均單井測調時間在6 h以內，分層驗封效果可達90%以上，分層流量測調誤差在10%以內，測調精度在2%以內，分層配水合格率在95%以上，達到了海上油田小通徑分注井高效測調的時效和技術要求。相比傳統(tǒng)鋼絲投撈測調工藝測調時效單井節(jié)約90 h/次以上，節(jié)省測調費用120余萬元。分層配水合格率提高了近42%，一定程度上提高了注水開發(fā)效率，取得了較好的應用效果。

5 結論

(1)本文針對小通徑注水井開展驗封測調一體化技術研究，設計了注水工作筒、驗封測調儀等關鍵工具，基于一個工作筒對應一個注水層得到一體化分注管柱，結合測調系統(tǒng)優(yōu)化開發(fā)了適應于?82.55 mm小通徑注水井的驗封測調一體化分注技術。

(2)開發(fā)的小通徑驗封測調一體化分注技術，突破注水層數限制，可實現一趟電纜下入，實時監(jiān)測井下不同注水層位的溫度、流量與壓力監(jiān)控，并進行水嘴實時調控，且流量監(jiān)測精度更高。

(3)現場應用情況表明該工藝一次驗封測調成功率高、測調效率高、分層調配合格率高、測調精度高等優(yōu)點，相比傳統(tǒng)鋼絲投撈測調工藝，可大幅節(jié)約單井測調時間，從而大幅縮短占井周期，節(jié)省測調費用，可在其余小通徑注水井推廣應用。