金振東 佟音 王鳳山 高光磊 李井慧 王潔春

1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

隨著油田細(xì)分井?dāng)?shù)及細(xì)分層段數(shù)的逐年增多，測(cè)試工作量大與測(cè)試隊(duì)伍有限之間的矛盾日益突出。為了能為精細(xì)油藏描述提供連續(xù)、詳實(shí)的數(shù)據(jù)，大慶油田自2000年初開始了智能分層注水技術(shù)的探索性研究，主要包括非接觸式智能分注、波碼通訊分注、地面智能分注、纜控智能分注等，解決了常規(guī)分注技術(shù)存在的問題，實(shí)現(xiàn)分層注水精細(xì)化、有效化、智能化的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)控制［1-5］。其中，纜控智能分注工藝在技術(shù)成熟度、測(cè)調(diào)效率、測(cè)試精準(zhǔn)度、適應(yīng)范圍等方面具有優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了井下參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)測(cè)調(diào)，測(cè)調(diào)效率得到了大幅度提高，有助于特高含水后期剩余油的挖潛；但由于井下工具涉及參數(shù)采集系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)等多系統(tǒng)組合、多學(xué)科應(yīng)用，且完井作業(yè)涉及電纜連接及保護(hù)等，工藝復(fù)雜［6-8］，可靠性相對(duì)較低，工藝成本較高，2012-2017年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)54口井，運(yùn)行2年以上井?dāng)?shù)占比僅為51.9%，工藝穩(wěn)定性和可靠性均無法滿足規(guī)模應(yīng)用的需求。

通過對(duì)26口故障井進(jìn)行分析可知：(1)故障原因主要為電纜與智能配水器連接處密封失效、流量控制閥故障、過電纜封隔器洗井閥失效；其中，電纜與智能配水器連接處密封失效12口井，占比46.2%；流量控制閥故障7口井，占比26.9%；過電纜封隔器洗井閥失效4口井，占比15.4%；其他因素占比11.5%；(2)出現(xiàn)故障的時(shí)間主要集中在下井后的前6個(gè)月，故障井?dāng)?shù)為23口井，占總故障井?dāng)?shù)的88.5%；第7個(gè)月至第24個(gè)月出現(xiàn)故障井?dāng)?shù)為3口井，占總故障井?dāng)?shù)的11.5%。為了進(jìn)一步完善纜控分層注水工藝技術(shù)，優(yōu)化了纜控智能配水器的流量控制閥、過電纜封隔器等工具，完善了電纜與纜控智能配水器的連接密封，延長(zhǎng)了工具使用壽命，提高了纜控智能分注工藝的可靠性。

1 纜控智能分注工藝的完善優(yōu)化

1.1 智能配水器流量控制閥的優(yōu)化

流量控制閥是智能配水器調(diào)節(jié)注入量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是確保注水合格率的關(guān)鍵組件。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流量控制閥主要存在的問題有：(1)注入水含有大顆粒雜質(zhì)，流量控制閥易堵；(2)流量控制閥全開或全關(guān)后出現(xiàn)倒扣現(xiàn)象；(3)前后壓差超過3 MPa時(shí)，易出現(xiàn)傳動(dòng)軸斷裂。

為此對(duì)流量控制閥進(jìn)行優(yōu)化：(1)擴(kuò)大流量控制閥陶瓷閥芯外徑，由?10 mm擴(kuò)大到?14 mm，增加了閥體最大過流面積，降低流量控制閥堵塞幾率；(2)在流量控制閥陶瓷閥芯后端設(shè)計(jì)平衡孔，實(shí)現(xiàn)陶瓷閥芯前后端壓力平衡，減小了開關(guān)過程中由于壓差產(chǎn)生的阻力，防止流量控制閥無法正常開關(guān)的現(xiàn)象出現(xiàn)；(3)對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行應(yīng)力分析，優(yōu)化了傳動(dòng)軸尺寸，閥芯內(nèi)徑由?3 mm增大到?5 mm，傳動(dòng)軸連接螺紋由M2調(diào)整為M4，提高了抗拉和抗剪切強(qiáng)度。優(yōu)化后流量控制閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 流量控制閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of flow control valve

優(yōu)化后流量控制閥水嘴開度當(dāng)量0～14 mm連續(xù)可調(diào)，扭矩8 N · m，10 MPa壓差下漏失量小于1 m3/d且壓差條件下可以順利開關(guān)。流量控制閥運(yùn)行過程中，電機(jī)的工作電流始終低于其保護(hù)電流數(shù)值150 mA，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 流量控制閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Data of flow control valve test

1.2 電纜連接工藝的優(yōu)化

原有的纜控智能配水器兩端各預(yù)留一段電纜，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，用電纜連接器將預(yù)留的電纜與管柱上的電纜連接起來。在配水器外預(yù)留的電纜在存放、運(yùn)輸過程中有被損壞的風(fēng)險(xiǎn)；在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，需要使用電纜連接器對(duì)2段電纜進(jìn)行密封，以5層段井為例，需要9個(gè)電纜連接器做電纜密封接頭，增加工藝成本的同時(shí)存在密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。任何一處密封失效都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工藝失敗。為此，對(duì)智能配水器與電纜的連接方式進(jìn)行了優(yōu)化：(1)取消了在配水器外預(yù)留電纜的設(shè)計(jì)，在配水器外設(shè)計(jì)接線母座，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，將電纜直接鎖定到接線母座上，規(guī)避了配水器外電纜損壞的風(fēng)險(xiǎn)；(2)設(shè)計(jì)了電纜接頭及其配套膠帽，同時(shí)密封了電纜外鎧與絕緣層，實(shí)現(xiàn)了雙重保護(hù)。優(yōu)化后電纜連接工藝如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后電纜連接工藝Fig.2 Optimized cable connection process

1.3 過電纜封隔器的優(yōu)化

纜控智能分注工藝在施工時(shí)，在過電纜封隔器內(nèi)襯管留出電纜通道，電纜穿越多級(jí)封隔器時(shí)不占用主通道，以避免影響注水井吸水剖面等其他測(cè)試工藝［9-10］。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過電纜封隔器存在的問題有：(1)當(dāng)洗井壓力高或停注狀態(tài)時(shí)洗井閥自動(dòng)打開，當(dāng)恢復(fù)注水工況時(shí)洗井閥不自動(dòng)關(guān)閉，造成上下層連通，封隔器密封失效；(2)針對(duì)復(fù)雜工藝管柱，比如兩封隔器間是光管的管柱，為減少使用電纜連接器，將電纜從封隔器穿過是最佳選擇，這就要求過電纜封隔器可以從上接頭和下接頭都可以穿過電纜。為此對(duì)過電纜封隔器進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)洗井閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化。洗井閥是用于控制洗井通道開啟或關(guān)閉的裝置，原洗井閥為整體式結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的洗井閥為分體式結(jié)構(gòu)，只有2部分結(jié)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作才能打開洗井通道。當(dāng)上層套壓高于下層套壓時(shí)2部分閥體一起動(dòng)作打開洗井通道；當(dāng)下層套壓高于上層套壓時(shí)，只有分體式結(jié)構(gòu)中的上半段動(dòng)作，下半段保持在關(guān)閉位置，洗井通道保持關(guān)閉狀態(tài)，從而避免了停注時(shí)地層壓力高引起的第1級(jí)封隔器失效的問題。

(2)電纜穿越方式優(yōu)化。為使電纜從封隔器內(nèi)部通過，需要在封隔器上設(shè)計(jì)電纜通道，由封隔器上、下接頭上的引導(dǎo)通道、內(nèi)襯管上的通道主體組成。在原有的設(shè)計(jì)中，電纜只能從封隔器的上端向下端方向穿越封隔器。當(dāng)施工設(shè)計(jì)中出現(xiàn)封堵層時(shí)則會(huì)出現(xiàn)2級(jí)封隔器中沒有配水器，僅有普通油管的情況，要求封隔器的上端和下端都能穿過電纜。為此，通過降低引導(dǎo)通道角度、在引導(dǎo)通道末端增加15°倒角、擴(kuò)大電纜通道主體直徑的設(shè)計(jì)，并優(yōu)化各零部件的尺寸結(jié)構(gòu)(圖3)，實(shí)現(xiàn)了電纜既能從封隔器的上端向下端穿越封隔器，也能從封隔器的下端向上端穿越封隔器，提高了封隔器對(duì)智能配水器及管柱的適應(yīng)性。

圖3 優(yōu)化后過電纜封隔器Fig.3 Optimized cable-through packer

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2018年12 月-2022年4月，優(yōu)化后的纜控智能分注工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)223口井，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)施工及測(cè)調(diào)實(shí)驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行2年以上井?dāng)?shù)占比由原來的56.1%提高到91.9%。其中先期投產(chǎn)的59口井，平均運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)1 150 d；后期投產(chǎn)的164口井，平均運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)749 d。與優(yōu)化前相比，工藝可靠性和工具使用壽命大幅度提升。

2.1 優(yōu)化后性能分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的223口井，共900余層段，在測(cè)調(diào)過程中，纜控智能配水器流量控制閥未出現(xiàn)斷軸的現(xiàn)象。優(yōu)化后流量控制閥連接軸強(qiáng)度和電機(jī)扭矩能夠適應(yīng)井下工況的要求。截至2021年12月，900余層段的纜控智能配水器平均運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)已達(dá)到855 d，根據(jù)分析故障井?dāng)?shù)與運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系可知，這個(gè)數(shù)據(jù)還會(huì)進(jìn)一步增加，與優(yōu)化前的600 d相比，提高了42.5%。

在施工過程中，電纜穿越封隔器時(shí)，可從上接頭向下接頭穿出，也可從下接頭向上接頭穿出。優(yōu)化后的過電纜封隔器，適應(yīng)復(fù)雜工藝管柱施工的要求；同時(shí)在停注狀態(tài)或者下層套壓高時(shí)洗井閥不打開，坐封后井口沒有溢流，洗井閥分體式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)解決了洗井閥不自動(dòng)歸位的問題。

2.2 應(yīng)用效果分析

優(yōu)化后纜控智能分注工藝穩(wěn)定，井下設(shè)備運(yùn)行正常，注水合格率長(zhǎng)期保持在90%以上，通過高滲層注水精準(zhǔn)控制，連通油井產(chǎn)油量基本保持不變，有效控制了含水上升率和自然遞減率，改善了薄差層動(dòng)用程度低的狀況，砂巖吸水厚度提高4.3個(gè)百分點(diǎn)，其中表外儲(chǔ)層吸水厚度提高5.8個(gè)百分點(diǎn)，累計(jì)增油4.03萬(wàn)t?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)塊油層吸水狀況變化數(shù)據(jù)見表2。

表2 油層吸水狀況變化Table 2 Changes of reservoir water absorption

3 結(jié)論

(1)通過優(yōu)化纜控智能配水器、過電纜封隔器等配套工具，優(yōu)化電纜與纜控智能配水器的連接工藝，工具使用壽命由優(yōu)化前的600 d提高到855 d，提高了纜控智能分注工藝可靠性，為解決此類問題提供了技術(shù)方案。(2)纜控智能分注技術(shù)可靠性的提升，為下一步2 000口井規(guī)模的試驗(yàn)區(qū)建設(shè)奠定基礎(chǔ)，有助于特高含水后期剩余油的挖潛，指導(dǎo)區(qū)塊開發(fā)，提高開發(fā)效果和效益。(3)為了進(jìn)一步提高工藝可靠性，下步建議開展纜控智能配水器鋼體及內(nèi)部密封組件耐酸、耐堿性能分析，研制在pH值為6～8內(nèi)可應(yīng)用的纜控配水器，提高工藝適應(yīng)性。