陳 征，劉長龍，張 樂，徐元德，王 威，蔣少玖，張志熊

（中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459）

0 引言

分層注水是保證油田長期穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的主要手段[1-3]。常規(guī)的分層注水技術(shù)有空心集成分層注水技術(shù)、同心分層注水技術(shù)、邊測邊調(diào)分層注水技術(shù)等，這些工藝在測調(diào)、驗(yàn)封時(shí)均需要鋼絲或電纜作業(yè)配合，單井測調(diào)占用平臺(tái)時(shí)間長。由于海上平臺(tái)作業(yè)任務(wù)重，無法為鋼絲、電纜調(diào)配作業(yè)提供足夠的作業(yè)時(shí)間以及作業(yè)空間，同時(shí)大斜度井、水平注水井的井斜角超過60°，鋼絲、電纜作業(yè)測調(diào)實(shí)施難度較大[4-9]。小尺寸高溫電纜測調(diào)系統(tǒng)針對以上問題，在井下集成配水器，采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，集分層驗(yàn)封、分層吸水量測試、分層水嘴無極調(diào)控功能于一體，在地面測調(diào)控制器的控制下，可實(shí)時(shí)監(jiān)測分層注水狀態(tài)，快速調(diào)整分層水嘴開度，達(dá)到分層驗(yàn)封與分層吸水指數(shù)測試的目的[10,11]，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有無需鋼絲電纜與井口作業(yè)，操作方便，測試效率高等特點(diǎn)[12]。同時(shí)，針對目前井下高溫環(huán)境工作需求，選用耐溫≥150℃的高溫關(guān)鍵部件、高溫密封工藝、耐高溫電子元器件，全面提升電纜測調(diào)工作筒的高溫工作性能和可靠性，使整套工藝可應(yīng)用于深井、高溫高壓井分層注水，有效解決長期高溫高壓工作問題。

圖1 小尺寸高溫電纜測調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Small size high temperature cable measurement and adjustment system

1 小尺寸高溫電纜測調(diào)系統(tǒng)

小尺寸高溫電纜測調(diào)系統(tǒng)包含：小尺寸高溫電纜測調(diào)工作筒、地面控制器、上位機(jī)軟件（遠(yuǎn)程終端）、鋼管電纜、過電纜插入密封、過電纜定位密封[13]，系統(tǒng)如圖1。

每層安裝高溫電纜測調(diào)工作筒，層間用封隔器隔開，地面與井下高溫電纜測調(diào)工作筒之間，各層工作桶之間通過一根鋼管電纜連接，進(jìn)行供電與數(shù)據(jù)通信。

地面控制器連接PC 監(jiān)控軟件或遠(yuǎn)程控制終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測高溫電纜測調(diào)工作筒采集的分層注入流量、壓力、溫度、水嘴開度等數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)流量控制各層高溫電纜測調(diào)工作筒的水嘴開度，即可實(shí)現(xiàn)不進(jìn)行鋼絲電纜作業(yè)，不動(dòng)井口采油樹的井下分層驗(yàn)封、分層吸水測試與分注量的調(diào)配。

高溫電纜測調(diào)工作筒采用小尺寸設(shè)計(jì)，適用于防砂段最小內(nèi)通徑大于3.25 in 的直井、定向井和水平井。為配合測調(diào)工作筒在海上長期高溫高壓工作需要，對電纜測調(diào)工作筒進(jìn)行了高溫化設(shè)計(jì)，選用耐溫≥150 ℃的高溫關(guān)鍵部件、高溫密封工藝、耐高溫電子元器件，全面提升電纜智能測調(diào)工作筒的高溫工作性能和可靠性，使升級后的整套工藝可應(yīng)用于深井、高溫高壓井分層注水，有效解決長期高溫高壓工作問題。

圖2 地面控制器電氣框圖Fig.2 Electrical block diagram of ground controller

2 地面控制系統(tǒng)

地面控制器通過電纜連接井下高溫電纜測調(diào)工作筒，為高溫電纜測調(diào)工作筒提供可靠電源，可對井下單層注水量、注水壓力、溫度、工作電壓、電機(jī)工作電流、閥開度等生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直讀、實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測及存儲(chǔ)等功能。

地面控制器通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)，將井口數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對井下儀的水嘴進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)打開、關(guān)閉、精細(xì)配注等功能。

地面控制器由以下部件組成：控制主機(jī)外殼、主測控電路板、電力載波數(shù)據(jù)通信組件、數(shù)據(jù)顯示組件等。

地面控制器電路模塊電氣框圖如圖2，包含外部電源、電源模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電源開關(guān)控制模塊、過壓過流保護(hù)電路、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、電力載波通信、通用接口等。

其中電源開關(guān)控制模塊，通過控制繼電器實(shí)現(xiàn)井下儀的供電與斷電，同時(shí)具備過流、過壓、短路等保護(hù)電路。電力載波通信組件包含發(fā)碼電路、解碼電路，實(shí)現(xiàn)與井下儀器的雙向通信。存儲(chǔ)模塊可以對連續(xù)采樣數(shù)據(jù)及地面發(fā)送的指令進(jìn)行存儲(chǔ)。通用接口包含RS485、RJ45 等接口，實(shí)現(xiàn)地面控制器與其他設(shè)備連接與通信，或通過網(wǎng)線、無線方式與計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與命令控制。

3 高溫電纜測調(diào)工作筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 儀器結(jié)構(gòu)和工作原理

高溫電纜測調(diào)工作筒整個(gè)儀器采用機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成數(shù)據(jù)測試與流量調(diào)節(jié)于一體。儀器包含上下接頭、過流通道、一體化可調(diào)水嘴組件（包括水嘴、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)等）、主控電路短節(jié)、信息采集短節(jié)（管內(nèi)壓力、管外壓力、溫度、流量）和流量計(jì)短節(jié)等幾個(gè)部分組成，流量計(jì)集成于下接頭體內(nèi)[14]。

儀器注入液體路徑如下：注入液體從上接頭流入，經(jīng)過偏心過流通道進(jìn)入下接頭。液體在下接頭中分為兩部分，其中一部分液體從下接頭流出儀器，進(jìn)入下一注水層；另一部分液體經(jīng)過流量計(jì)后，從水嘴流出儀器，進(jìn)入地層。

儀器上下接頭實(shí)現(xiàn)注水工藝管柱的連接，同時(shí)集成了過線和安裝其他組件的功能；水嘴組件中集成了電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和無極可調(diào)水嘴；驗(yàn)封組件集成了控制電路板、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器。

儀器采用孔板式流量計(jì)進(jìn)行流量測量，無運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，抗污能力強(qiáng)；水嘴組件采用平衡壓結(jié)構(gòu)，避免井下高壓對水嘴調(diào)節(jié)的影響；水嘴結(jié)構(gòu)采用直通式設(shè)計(jì)，降低壓損的同時(shí)，能有效防止流道堵塞的情況發(fā)生。各部分相對獨(dú)立，由信號(hào)和控制線連接進(jìn)行供電和通信。

3.2 儀器特點(diǎn)

1）適用3.25 in 小直徑井

本儀器采用小尺寸設(shè)計(jì)，最大外徑80 mm，適用于防砂段最小內(nèi)通徑大于3.25 in 的直井、定向井和水平井，采用快速插入式電纜連接。

2）作業(yè)方式簡單高效

高溫電纜測調(diào)工作筒電纜連接采用快速插入式連接方式，現(xiàn)場施工簡單高效。

3）具備內(nèi)部所有部件的二次密封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電路、電機(jī)等所有部件的密封性能達(dá)到耐壓≥50 MPa，且在此滲漏壓力下內(nèi)部各部件均可實(shí)現(xiàn)正常工作。

4）高溫電纜測調(diào)工作筒可以實(shí)時(shí)測量注入流量、油管內(nèi)壓力、配注層段壓力（嘴后壓力）、地層溫度、水嘴閥開度，把測試的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)孛婵刂乒?，并能夠識(shí)別地面控制柜發(fā)送的命令，以及按配注要求進(jìn)行水嘴開度調(diào)節(jié)，完成配注流量調(diào)整。

5）高溫電纜測調(diào)工作筒通過環(huán)空外壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了封隔器的在線驗(yàn)封。

6）高溫電纜測調(diào)工作筒的可調(diào)水嘴，采用平衡壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工作力矩更小。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)水嘴（注水閥）采用陶瓷材料，能有效應(yīng)對沖蝕和結(jié)垢影響，實(shí)現(xiàn)0%～100%的線性調(diào)節(jié)，并能實(shí)現(xiàn)水嘴完全關(guān)死（零漏失量）。

7）電路設(shè)計(jì)中，具有電壓過壓、電流過流保護(hù)功能，防止誤操作、電壓沖擊導(dǎo)致井下儀電路、電機(jī)損壞，所有芯片溫度等級均≥150℃，滿足井下長期高溫工作需求。

8）高溫電纜測調(diào)工作筒單井支持最大7 層數(shù)據(jù)連接，采用總線尋找方式，并確保無相互信號(hào)干擾問題。

4 流量計(jì)選型

4.1 流量測量方式的選擇

常規(guī)井下流量計(jì)多采用電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)、渦街流量計(jì)、浮子流量計(jì)、差壓流量計(jì)等主流的流量測量方式。

電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)的量程比大，壓力損失小，測量精度高，但具有探頭易結(jié)垢、沾污、電路復(fù)雜，高溫高壓下長期可靠性差等缺點(diǎn)。

渦街流量計(jì)安裝簡單，量程比大，但對管道機(jī)械振動(dòng)較敏感，且不適用于小口徑，低流速情況。

浮子流量計(jì)的量程比高，但具有運(yùn)動(dòng)部件，電路較復(fù)雜，長期工作不穩(wěn)定，容易卡死。

差壓流量計(jì)具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)部件，耐腐蝕銹蝕，電路簡單等特點(diǎn)，可以在注水應(yīng)用中滿足進(jìn)行長期使用的要求，所以本儀器的流量測量方式選擇差壓式流量計(jì)。

差壓式流量計(jì)由流體管道、節(jié)流孔板、孔前壓和孔后壓取壓孔、孔前壓和孔后壓傳感器組成[15]。

4.2 差壓流量計(jì)工作原理

儀器的注入液體經(jīng)過流體管道進(jìn)入儀器下接頭，其中一部分經(jīng)過孔板和孔板后面的穩(wěn)流通道后，流出水嘴注入目標(biāo)地層。在流體管道和節(jié)流孔板的后面，分別設(shè)計(jì)有孔前壓和孔后壓傳感器組件，電路通過兩個(gè)壓力傳感器采集到孔前壓力和孔后壓力，經(jīng)過流量算法即可計(jì)算出當(dāng)前注入目標(biāo)地層的實(shí)時(shí)流量。

更換不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板，可實(shí)現(xiàn)不同流量的測量。

孔板式流量計(jì)的工作原理屬于差壓流量計(jì)的一種方式，在流體管道上兩段具有等直徑的圓形橫截面的直管段之間裝有一個(gè)節(jié)流裝置，其內(nèi)部裝有一個(gè)孔板，流體流過孔板時(shí)由于孔徑變小，截面積收縮，速度加快，在孔板前后產(chǎn)生壓力降落即差壓。通過測量孔板前后的壓差，而計(jì)算取得流量數(shù)據(jù)的方法。差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3，其流量計(jì)算公式為

其中， ΔP：孔口前后差壓（Pa）；A：孔口面積（m2）；ρ：流體的密度（kg/m3）；Cd：流量系數(shù)；qv：流量（m3/s）。

5 自動(dòng)在線驗(yàn)封

該小尺寸高溫電纜測調(diào)系統(tǒng)具有自動(dòng)在線驗(yàn)封的功能，能夠根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行驗(yàn)封，無需增加任何生產(chǎn)成本。

使用上位機(jī)軟件通過地面控制器分別向高溫電纜測調(diào)工作筒發(fā)送測調(diào)指令，控制水嘴開關(guān)，保持井口注水壓力不變，在上位機(jī)軟件上監(jiān)測儀器采集的油套環(huán)空外壓力。水嘴全關(guān)時(shí)，當(dāng)前注水層環(huán)空外壓力保持不變；水嘴全開時(shí)，當(dāng)前注水層環(huán)空外壓力會(huì)隨井口注水壓力的不同而變化。在井口注水壓力保持不變時(shí)，相鄰兩層環(huán)空外壓力不同，差值保持不變。以此來判斷層間密封合格，否則密封不合格[12]。

圖3 流量計(jì)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the flowmeter

6 流量自動(dòng)測調(diào)

自動(dòng)測調(diào)功能是由地面控制系統(tǒng)自動(dòng)控制高溫電纜測調(diào)工作筒進(jìn)行水嘴開度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

地面控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的自動(dòng)測調(diào)時(shí)間，逐層監(jiān)測流量數(shù)據(jù)，與各層目標(biāo)流量調(diào)節(jié)值進(jìn)行比對，配注精度在10%以內(nèi)，認(rèn)為流量數(shù)據(jù)正常。否則進(jìn)行當(dāng)前層流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，單層調(diào)節(jié)時(shí)間不超過5 min。逐層進(jìn)行調(diào)節(jié)，每次系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能最多進(jìn)行3 次循環(huán)。如存在個(gè)別層流量不滿足要求，發(fā)出報(bào)警提示，需人工干預(yù)或采取其他措施。

自動(dòng)測調(diào)流程圖如圖4。

7 結(jié)論

1）高溫電纜測調(diào)工作筒采用小尺寸設(shè)計(jì)，適用于防砂段最小內(nèi)通徑大于3.25 in 的直井、定向井和水平井。

2）為配合測調(diào)工作筒在海上長期高溫高壓工作需要，對電纜測調(diào)工作筒進(jìn)行了高溫化設(shè)計(jì)，滿足井下長期高溫工作需求。

3）高溫電纜測調(diào)工作筒通過環(huán)空外壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了封隔器的在線驗(yàn)封。

圖4 自動(dòng)測調(diào)Fig.4 Automatic test and adjustment

4）高溫電纜測調(diào)工作筒可以實(shí)時(shí)測量注入流量、油管內(nèi)壓力、配注層段壓力（嘴后壓力）、地層溫度、水嘴閥開度，把測試的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)孛婵刂乒?，并能夠識(shí)別地面控制柜發(fā)送的命令，以及按配注要求進(jìn)行水嘴開度調(diào)節(jié)，完成配注流量調(diào)整。