金振東

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163453)

國內(nèi)部分油田進(jìn)入特高含水開發(fā)階段，隨著分注層段的增多，層間干擾嚴(yán)重、地層參數(shù)波動頻繁、測試工作量日益增加[1-5]，為此，大慶油田、華北油田、大港油田等開展了非接觸式和纜控式等一系列智能分注工藝技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了注水井井下參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測及自動測調(diào)[6-17]。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)流量調(diào)節(jié)閥發(fā)生卡阻等故障無法正常工作時，井下分層注入量無法調(diào)節(jié)，影響注水合格率和開發(fā)效果。為解決這一問題，傳統(tǒng)做法是起出井下管柱重新作業(yè)施工，這直接導(dǎo)致纜控智能分層注水井運(yùn)行維護(hù)成本的大幅增加。為此需要研發(fā)一種新的工藝，實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)連續(xù)監(jiān)測和自動測調(diào)的同時，解決流量調(diào)節(jié)閥卡阻帶來的問題。

1 整體工藝

可投撈式纜控智能分注工藝的裝置主要由地面控制器、無線通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)、電纜、可投撈式纜控智能配水器和過電纜封隔器等組成，如圖1所示?？赏稉剖嚼|控智能配水器機(jī)械結(jié)構(gòu)部分通過油管、過纜封隔器等井下分層注水管柱配件串接構(gòu)成井下分層注水管柱。該工藝以計(jì)算機(jī)為測控中心和人/機(jī)交互媒介，計(jì)算機(jī)USB3.0轉(zhuǎn)RS485通信接口與地面控制器RS485通信接口進(jìn)行各種不同測控操作指令傳輸，再由地面控制器的井下供電/載波接口通過單芯電纜傳送至井下目標(biāo)測控層位的可投撈式纜控智能配水器。井下可投撈式纜控智能配水器接收到井口地面控制器測控指令后，根據(jù)測控指令進(jìn)行測量和控制，實(shí)現(xiàn)井下分層流量、壓力、溫度、流量調(diào)節(jié)閥狀態(tài)等參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測和自動測調(diào)，并可通過無線通訊設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測和控制。纜控智能配水器中的流量調(diào)節(jié)閥為可投撈式布局結(jié)構(gòu)，當(dāng)流量調(diào)節(jié)閥發(fā)生卡阻等故障無法正常工作時，可投撈調(diào)節(jié)閥可通過下入投撈儀器將流量調(diào)節(jié)閥整體撈出，修理或更換后重新投入智能配水器內(nèi)。

1- 地面控制器；2-無線通訊設(shè)備；3-計(jì)算機(jī)；4-過電纜封隔器；5-可投撈調(diào)節(jié)閥；6-可投撈式纜控智能配水器；7-電纜。圖1 可投撈式纜控智能分注工藝裝置

2 核心工具

2.1 可投撈式纜控智能配水器

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成

可投撈式纜控智能配水器是可投撈式纜控智能分注工藝的關(guān)鍵組成部分,主要由上接頭、導(dǎo)向體、可投撈調(diào)節(jié)閥、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、下接頭、電磁流量計(jì)、嘴前壓力傳感器、嘴后壓力傳感器、測控線路板、導(dǎo)向筆尖等組成。其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

1-上接頭；2-導(dǎo)向體；3-可投撈調(diào)節(jié)閥；4-控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；5-下接頭；6-導(dǎo)向筆尖；7-測控線路板；8-嘴后壓力傳感器；9-電磁流量計(jì)；10-嘴前壓力傳感器。圖2 可投撈式纜控智能配水器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 工藝原理

可投撈式纜控智能配水器可以接收由地面控制器發(fā)出的操作指令，根據(jù)測控指令進(jìn)行測量和控制，實(shí)現(xiàn)注水井分層流量調(diào)配。一方面，測量釆集井下當(dāng)前層位相關(guān)的流量、地層壓力、管柱壓力、閥開度、調(diào)節(jié)電機(jī)工作電流、纜頭工作電壓等測控信息；另一方面，調(diào)節(jié)控制可投撈式纜控智能配水器中的可投撈調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對井下分層注水流量的手動或自動調(diào)配；同時，將相關(guān)的流量、地層壓力、管柱壓力、閥開度、調(diào)節(jié)電機(jī)工作電流、纜頭工作電壓等測控信息通過單芯鋼管電纜變頻載波發(fā)送至井口地面控制箱。其中，導(dǎo)向筆尖與下接頭內(nèi)部同心配合，導(dǎo)向筆尖導(dǎo)向開口與導(dǎo)向開槽同向安裝，配合使用投撈儀可以實(shí)現(xiàn)投送或撈出可投撈調(diào)節(jié)閥。

2.1.3 測控線路

可投撈式纜控智能配水器測控線路如圖3所示。

圖3 可投撈式纜控智能配水器測控線路組成

2.1.4 技術(shù)參數(shù)

外形尺寸 ?114 mm×1 980 mm

中心通徑 ?46 mm

偏孔內(nèi)徑 ?20 mm

調(diào)節(jié)電機(jī) 1.5 r/min，8 N·m

調(diào)節(jié)行程 0～40 mm(對應(yīng)0～100%開度，分辨率≤0.5%)

工作溫度 -35～105 ℃

溫度測量范圍 -40～115 ℃

溫度測量誤差 ±1 ℃

壓力測量范圍 0～60 MPa，嘴前、嘴后各1組

壓力測量誤差 ±0.2%

流量測量范圍 0～160 m3/d

流量測量誤差 ≤±2%

流量控制方式 手動模式可正調(diào)、反調(diào)、停止

自動模式流量自動控制。

2.2 可投撈調(diào)節(jié)閥

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

可投撈調(diào)節(jié)閥是可投撈式纜控智能分注工藝實(shí)現(xiàn)井下分層流量控制的關(guān)鍵組成部分，它與可投撈式纜控智能配水器配套使用?？赏稉普{(diào)節(jié)閥主要有打撈桿、投送鎖定套、凸輪鎖片、閥安裝殼體、全關(guān)密封圈、閥套、安裝殼體、復(fù)位彈簧、閥芯過渡桿、螺套、鎖定彈簧、扭簧、固定鎖釘、隔斷密封圈、閥套前密封圈、后端密封圈和閥芯組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1-打撈桿；2-投送鎖定套；3-凸輪鎖片；4-閥安裝殼體，5-全關(guān)密封圈；6-閥套；7-安裝殼體；8-復(fù)位彈簧；9-閥芯過渡桿；10-螺套；11-閥芯；12-后端密封圈；13-閥套前密封圈；14-隔斷密封圈；15-固定鎖釘；16-扭簧；17-鎖定彈簧。圖4 可投撈調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

2.2.2 投撈原理

可投撈調(diào)節(jié)閥與可投撈式纜控智能配水器均為偏心配合結(jié)構(gòu)，容納可投撈調(diào)節(jié)閥的偏心孔徑為?20 mm，導(dǎo)向筆尖為下置式模式，與油田目前普遍使用的橋式偏心配水器的可調(diào)堵塞器偏心容納孔的孔徑、孔位、鎖定形式、進(jìn)出水孔位置匹配，投撈導(dǎo)向布局模式、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)/導(dǎo)向筆尖規(guī)格相同。

打撈時，打撈桿與鎖定彈簧凸輪鎖片等配合實(shí)現(xiàn)可投撈調(diào)節(jié)閥的鎖定和解鎖。當(dāng)投撈儀撈出頭的單向環(huán)形鎖定凸口與打撈桿單向環(huán)鎖定心槽對接鎖定配合后，上提投撈儀，打撈桿也隨之運(yùn)動，凸輪鎖片旋轉(zhuǎn)解鎖，投撈儀上提攜帶可投撈調(diào)節(jié)閥整體離開可投撈式纜控智能配水器的偏心容納孔。

投送時，投撈儀的投送頭與投送鎖定套環(huán)抱配合或細(xì)綱針固定后，投撈儀攜帶可投撈調(diào)節(jié)閥整體下入井下，投送于可投撈式纜控智能配水器偏心容納孔；用適當(dāng)拉力上提投撈儀，投撈儀投送頭又可以與投送鎖定套脫開，可投撈調(diào)節(jié)閥整體鎖定并保留在可投撈式纜控智能配水器偏心容納孔內(nèi)。

2.3 地面控制器

2.3.1 結(jié)構(gòu)組成

地面控制器主要由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)測控糸統(tǒng)、指令信號功放線路單元、數(shù)據(jù)信號拾波/濾波/放大/整形單元、供電/信號/載波調(diào)制單元、井下供電電流取樣線路單元、井下供電電壓取樣線路單元、井下供電模塊、井下供電輸出控制線路單元、地面控制用電管理(電源濾波器、電源模塊等)單元、報警單元、數(shù)據(jù)存儲單元、復(fù)位線路單元、通信接口單元等組成，如圖5所示。

圖5 地面控制器測控線路組成

2.3.2 測控原理

可投撈式纜控智能配水器測控線路以單片機(jī)測控系統(tǒng)為測量和控制中心。通過單芯電纜將地面供電和載波操作指令信號輸送給井下可投撈式纜控智能配水器線路。來自地面的供電電源一部分分配給井下電源模塊，經(jīng)井下穩(wěn)壓電源模塊降壓穩(wěn)壓輸出+12 V DC、-12 V DC、+3.3 V DC、+48 V DC，其中+12 V DC、-12 V DC電源供給電動投撈儀的各用電線路單元，+3.3 V DC電源供給單片機(jī)，+48 V DC分配給功率驅(qū)動控制單元作為變速電機(jī)電源。

操作指令信號經(jīng)指令信號前置處理單元(濾波/放大/整形)處理后，傳送給單片機(jī)測控系統(tǒng)，經(jīng)單片機(jī)測控系統(tǒng)的程序分析解碼做出測量和控制；單片機(jī)測量的井況工程數(shù)據(jù)信號，經(jīng)單片機(jī)測控系統(tǒng)的程序編碼，發(fā)送給數(shù)據(jù)信號功率放大/載波調(diào)制單元處理后由單芯電纜傳輸至地面控制箱。

單片機(jī)測控系統(tǒng)按照解碼操作指令的目標(biāo)配注量與流量計(jì)流量值比較，通過功率驅(qū)動控制單元，控制(正調(diào)、反調(diào)、停轉(zhuǎn))變速電機(jī)，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)可投撈調(diào)節(jié)閥開度，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前層位分層注水流量的調(diào)配。同時，單片機(jī)測控系統(tǒng)還通過電機(jī)電流取樣單元獲得代表電機(jī)工作載荷電流值進(jìn)行采集分析，遇到電機(jī)工作電流超過額定比較值時，單片機(jī)測控系統(tǒng)立即主動斷開電機(jī)供電，避免因過載損壞電機(jī)。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證可投撈式纜控智能分注工藝在投撈成功率、流量測量范圍及精度、調(diào)節(jié)閥自動保護(hù)等功能，將油管、過電纜封隔器、可投撈纜控智能配水器等組成注水管柱，使用投撈儀通過鋼絲絞車反復(fù)投、撈進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

1) 通過使用投撈儀，可以將可投撈調(diào)節(jié)閥投送或撈出可投撈式纜控智能配水器，投、撈各50次，成功率100%?？赏稉普{(diào)節(jié)閥閥芯過渡調(diào)節(jié)桿下頂端面與可投撈式纜控智能配水器調(diào)節(jié)輸出軸頂端面相對，由于復(fù)位彈簧配合作用其端面背向，相對接觸是一種非硬性配合，在可投撈調(diào)節(jié)閥投撈對接時起到彈性緩沖作用，防止可投撈調(diào)節(jié)閥投撈對接過程中可投撈調(diào)節(jié)閥和可投撈式纜控智能配水器調(diào)節(jié)輸出軸硬性碰撞而造成損壞。

2) 可投撈式纜控智能配水器流量計(jì)分層流量測量范圍0～192 m3/d，測量誤差≤±2%FS；嘴前、嘴后雙路壓力計(jì)測量范圍0～60 MPa，壓力測量誤差±0.15%；可手動、自動調(diào)節(jié)流量；滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

3) 可投撈式纜控智能配水電機(jī)過載時，自動斷開對電機(jī)的供電。單片機(jī)測控系統(tǒng)通過電機(jī)電流取樣單元獲得代表電機(jī)工作載荷電流值進(jìn)行采集分析，遇到電機(jī)工作電流超過額定比較值時，單片機(jī)測控系統(tǒng)立即主動斷開電機(jī)供電，避免因過載損壞電機(jī)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

在大慶油田開展了可投撈纜控智能分注工藝現(xiàn)場試驗(yàn)5口井。以A井為例，該井共3個分注層段，下入3支可投撈纜控智能配水器，目前運(yùn)行36個月，井下設(shè)備運(yùn)行正常，配注合格率100%。該井在運(yùn)行過程中，第2層流量調(diào)節(jié)閥發(fā)生卡阻現(xiàn)象，導(dǎo)致該層流量無法調(diào)節(jié)。在此工況下，將該層可投撈調(diào)節(jié)閥撈出，更換后重新投入，一次撈、投成功，撈、投后井下設(shè)備運(yùn)行正常?，F(xiàn)場測調(diào)軟件界面如圖6所示?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，可投撈纜控智能分注工藝在注水工況下，可實(shí)現(xiàn)對可投撈調(diào)節(jié)閥的投、撈操作，投、撈后井下設(shè)備的性能正常，工藝適應(yīng)性滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

圖6 A井現(xiàn)場測調(diào)軟件界面

5 結(jié)論

1) 可投撈纜控智能分注工藝能夠釆集井下各分注層的流量、管柱壓力、地層壓力、溫度、調(diào)節(jié)閥開度、電機(jī)工作狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)對井下各分注層流量的手動或自動控制。

2) 可投撈式纜控智能分注工藝是纜控智能分注工藝的新發(fā)展。通過改進(jìn)纜控智能配水器主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可投撈式流量調(diào)節(jié)閥，解決了流量調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障導(dǎo)致工藝失敗的問題。通過下入投撈儀器將可投撈調(diào)節(jié)閥整體撈出，修理或更換后重新下入，無需重新作業(yè)井下分層注水管柱，為解決類似問題提供了解決方案。

3) 為進(jìn)一步提高纜控智能分注工藝的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，減小流量控制閥故障率，建議下一步開展提升流量調(diào)節(jié)閥性能的研究。