張激揚，劉仁勇，郭 威，徐曉宇，朱佳慧，王瑞華，王 芳

(1.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453;2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室，黑龍江 大慶 163453)

近年來，長垣油田油井的含水率上升速度加快，開采程度降低。為了更好地滿足油田精準開發(fā)需求，提高油井分層配產(chǎn)及油水井對應(yīng)控制工藝適應(yīng)性，需開展特高含水后期油井智能分層控制開采工藝技術(shù)研究。國外普遍從完井階段即開始應(yīng)用控水采油工具，即，智能完井技術(shù)，利用井筒傳感器實時監(jiān)測動態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)油井開采過程的精細化管理。但是，智能完井系統(tǒng)復(fù)雜、施工難度大、投資成本高，僅適合高產(chǎn)井。國外在生產(chǎn)階段的智能分層采油技術(shù)發(fā)展較少。目前，國內(nèi)各油田都有油井智能技術(shù)的研究和應(yīng)用，前期發(fā)展的壓電開關(guān)分層配產(chǎn)工藝技術(shù)，其井下電控閥的工作壽命受電池續(xù)航能力限制，無法實現(xiàn)長期有效調(diào)控，而挖掘接替層的潛力需要動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。另外，該技術(shù)不能實時計量每層的產(chǎn)液量和含水率，無法及時為精細地質(zhì)分析與挖潛提供依據(jù)[1-4]。本文研究了纜控智能分層采油工藝技術(shù)，同時探索了油水井無線聯(lián)調(diào)技術(shù)，為油藏分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 纜控智能分層采油管柱組成

根據(jù)抽油機井生產(chǎn)實際需求，在原有機械式分層采油管柱基礎(chǔ)上，采用“雙向卡瓦錨定懸掛式管柱+過電纜裝置”，解決了井下機電一體化技術(shù)難題，研制了智能配產(chǎn)工藝管柱[5-6]。該管柱主要包括纜控配產(chǎn)器、液壓油管錨、過電纜逐級解封封隔器、二次對接裝置、過電纜接頭、電纜連接器等，如圖1所示。

圖1 智能配產(chǎn)工藝管柱組成

工藝特點：

1) 地面控制箱供電，地面控制系統(tǒng)直接讀取井下各層段的壓力、流量和含水率等參數(shù)，并可根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)各層段閥的開度。

2) 下入油管錨進行管柱的錨定，克服管柱蠕動的影響。

3) 具備無線遠程控制功能。

1.1 纜控配產(chǎn)器結(jié)構(gòu)研究

纜控配產(chǎn)器的核心為電路控制、機械組成和參數(shù)測量3個部分，需要在窄小內(nèi)部空間里實現(xiàn)多類功能模塊合理布局，通過單芯電力電纜載波方式實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸。

1.1.1 纜控配產(chǎn)器總體結(jié)構(gòu)

纜控配產(chǎn)器主要由流量控制閥、壓力和流量含水率采集模塊、核心電路、電機等組成(如圖2)。具有連接、過電纜和導(dǎo)流等結(jié)構(gòu)，將鋼體中各模塊連接到一起。合理安排傳感器、電機和核心電路板的位置和線路走向，實現(xiàn)鋼體內(nèi)部空間充分利用；過電纜結(jié)構(gòu)用于電纜在剛體內(nèi)的穿接和導(dǎo)向，同時實現(xiàn)電纜接頭的密封；導(dǎo)流結(jié)構(gòu)用于連通進液口和流量含水監(jiān)測儀的過液通道。

圖2 纜控配產(chǎn)器結(jié)構(gòu)示意

流量控制閥結(jié)構(gòu)如圖3所示，可實現(xiàn)纜控配產(chǎn)器進液孔開度的任意調(diào)整，在承受井下壓力狀態(tài)下具備良好的動密封性能[7]。電機帶動傳動機構(gòu)實現(xiàn)活塞桿的軸向伸縮運動；閥頭選用耐腐蝕性的黃銅材質(zhì)，提高閥的使用壽命，且保證密封性。該閥從全開到全關(guān)的時間為5 min。其中，傳動機構(gòu)由主軸、角接觸球軸承、傳動桿、活塞、第一連接件組成，活塞上還設(shè)計有壓力平衡孔；密封機構(gòu)由密封體、擠壓式組合密封圈、軸用格萊圈、軸用斯特封、活塞筒、O型密封圈組成；反饋機構(gòu)由干簧管、磁塊組成，干簧管放裝于電機套上，磁塊安裝在主軸上；連接機構(gòu)由電機套、軸承套、護套、連接體、外筒組成。

圖3 流量控制閥結(jié)構(gòu)示意

直流減速電機為整套閥門系統(tǒng)提供動力。角接觸球軸承用于承載軸向載荷，以及保證主軸位置居中。傳動桿將直流減速電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為軸向力，并將該力傳遞給活塞，使活塞做往復(fù)運動?；钊糜诟淖冞B接體上的進液孔的通道截面積，活塞的移動可以起到閥門大小的調(diào)節(jié)作用?；钊线€設(shè)計有壓力平衡孔，可將井內(nèi)流體從活塞端面外導(dǎo)入活塞與活塞筒的運動間隙之中，避免活塞與活塞筒之間產(chǎn)生負壓，起到平衡活塞前后壓力的作用。

1.1.2 控制電路模塊結(jié)構(gòu)

電路模塊主要分為核心電控模塊、電力線載波電路、電壓轉(zhuǎn)換電路3部分。為滿足纜控配產(chǎn)器所處工況下的耐溫、耐壓、尺寸等性能指標，完成單片機外圍電路元器件的選型及布局，設(shè)計形成核心電控模塊。與其他電路對接，保證各類數(shù)/模信號的穩(wěn)定傳輸(如圖4)，構(gòu)成了纜控配產(chǎn)器精準、實時測控的軟、硬件基礎(chǔ)。電力線載波電路實現(xiàn)了智能配產(chǎn)器系統(tǒng)從地面到井下的遠距離單芯電纜通信[8]；設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換電路，研發(fā)形成一套3級降壓、6路輸出供電方案，實現(xiàn)了220 V交流電轉(zhuǎn)為3.3 V直流電的大跨度供電，能夠為纜控配產(chǎn)器內(nèi)直流電機、流量含水率儀、單片機等10個用電設(shè)備穩(wěn)定供電[9]。

圖4 電力載波、電壓轉(zhuǎn)換電路實物

1.1.3 流量和含水率測量模塊結(jié)構(gòu)原理

創(chuàng)新地將流量和含水率測量電路集成在同一流量通道內(nèi)。研發(fā)過程包括理論研究、試驗樣機研制。

1) 基于“電導(dǎo)法”的含水率傳感器測量原理。

傳感器由安裝在絕緣管壁上按一定距離排列的4個圓環(huán)形不銹鋼電極組成，外側(cè)1對電極是供電電極，中間1對電極是測量電極(如圖5)。給供電電極供一定頻率的交變恒定電流，當流體從傳感器內(nèi)流過時，由于測量電極間阻抗的存在，根據(jù)電學(xué)原理可知，測量電極間產(chǎn)生電壓，電壓幅值與流過傳感器的流體的電導(dǎo)率成反比[10-12]。設(shè)流過傳感器的流體混相電導(dǎo)率為σm，水相電導(dǎo)率為σw，混相時測量電極間電壓為Vm，全水(水浸沒所有電極)時測量電極間電壓為Vw，則有：

Vw/Vm=σm/σw

(1)

測量電極間電壓經(jīng)差動放大、AC/DC轉(zhuǎn)換、V/F轉(zhuǎn)換等線性電路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成頻率輸出，于是有式(2)成立。

Vw/Vm=fw/fm

(2)

式中：fw分別為全水時的輸出頻率，即全水值；fm為混相時的輸出頻率，即混相值。

由式(1)和式(2)得：

σm/σw=fw/fm

(3)

根據(jù)電導(dǎo)理論及式(3)，就可通過fw/fm大小，求出持水率YW。

圖5 含水率測量傳感器結(jié)構(gòu)

2) 基于“相關(guān)法”的流量計測量原理。

流量測量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，采用經(jīng)典阻抗傳感器即可實現(xiàn)2路測量信號的獲取。測量時，在上方激勵電極上加載15 kHz頻率的正弦波激勵，下方3組測量電極兩兩組合，得到的噪聲信號在放大、全波整流及濾波后，將信號傳至井下相關(guān)信號處理電路。

圖6 流量測量傳感器結(jié)構(gòu)

3) 傳感器結(jié)構(gòu)。

傳感器采用阻抗式四電極方式設(shè)計，采用一體式過線方案，減少了流經(jīng)傳感器的流體對導(dǎo)線的沖擊，有效延長其使用壽命。傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖7所示，傳感器下段增加了導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，通過這樣的結(jié)構(gòu)，能夠使流體從儀器底部38 mm內(nèi)徑過渡到傳感器內(nèi)徑18 mm更加平穩(wěn)。設(shè)計有激勵電路和全波整流電路，激勵電路既可以防止流體的電解，又可以避免由激勵信號頻譜復(fù)雜而帶來的誤差。為了方便后續(xù)處理，將交流變?yōu)橹绷?，采用雙運算放大電路的全波整流方案，輸出信號小于5 V，滿足相關(guān)運算電路的設(shè)計要求。該傳感器在125 ℃，40 MPa的條件下放置40 min，取出并供電，其輸出信號的波形穩(wěn)定，無雜波干擾，工作正常[13]。

圖7 流量和含水率測量傳感器外形

1.2 濕對接裝置和配套工具研究

分層采油管柱與泵抽管柱間通過濕對接裝置連接，并傳遞電力和信號。同時研制過電纜逐級解封封隔器等配套工具，實現(xiàn)多級低力解封和電纜穿層。

1.2.1 濕對接裝置結(jié)構(gòu)

濕對接裝置主要由上、下接頭組成，如圖8所示。

圖8 濕對接裝置管柱示意

上接頭置于泵抽管柱最下端，與抽油泵、篩管相連，下接頭置于智能采油管柱最上端，與油管錨、封隔器等工具相連[14]。下接頭隨管柱下入后丟手，將對接母頭置于井下，隨后上接頭隨管柱下入，與母頭密封插接，實現(xiàn)地面到井下的電力和信號傳輸。

下接頭主要由丟手和鎖止機構(gòu)組成，丟手機構(gòu)采用彈簧爪設(shè)計；插接母頭設(shè)計導(dǎo)向斜面，實現(xiàn)上接頭順利導(dǎo)向，且不損壞密封接觸面；電纜頭通過點焊連接，采用世韋洛克+銅球密封方式，具有良好的導(dǎo)電性和機械強度，電纜芯線不易脫出；鎖止結(jié)構(gòu)主體為鎖止彈簧球，設(shè)計合適的彈性力使得對接頭不易因管柱蠕動而誤脫出，又保證多次對接、拔出時工具不損壞。

1.2.2 液壓油管錨結(jié)構(gòu)

油管錨由上接頭、密封原件、鎖緊機構(gòu)、坐封機構(gòu)、錨定機構(gòu)、解封機構(gòu)和下接頭等組成，用于錨定、懸掛分采管柱，與過電纜接頭配合實現(xiàn)電纜穿越(如圖9)。油管錨采用液壓式坐卡、上提管柱解卡。將油管錨下至預(yù)定深度后，井口通過油管加壓，坐封銷釘剪斷后活塞繼續(xù)向前動作，鎖緊機構(gòu)工作，直至卡瓦完全坐卡。該工具適用于直井纜控智能分層采油工藝，設(shè)計有雙錐體雙向錨定及壓力平衡機構(gòu)，坐封穩(wěn)定，不受分層壓力影響[15-16]。

1.2.3 過電纜逐級解封封隔器結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場存在分采層段數(shù)達到5層以上的采出井，平均單層封隔器解封力為40～60 kN，5級封隔器總解封力可達到300 kN，達到常規(guī)作業(yè)井架所允許的最大承載力，存在多級解封困難、安全風險較高等問題。因此,設(shè)計了過電纜逐級解封封隔器,結(jié)構(gòu)如圖10所示。設(shè)計有平衡腔機構(gòu)，生產(chǎn)過程中解封機構(gòu)不受層間壓差影響，提高了封隔器工作的穩(wěn)定性。封隔器的上端設(shè)計逐級解封機構(gòu)，封隔層段不受限制，管柱最大解封力80 kN，保證管柱解封可靠。設(shè)計有電纜通道，分采段電纜穿層簡單、密封可靠，同時解決了管柱分層、電纜穿層和多級解封力大的問題。

圖9 液壓油管錨結(jié)構(gòu)

圖10 過電纜逐級解封封隔器結(jié)構(gòu)

1.3 地面控制和無線遠程控制系統(tǒng)研究

控制系統(tǒng)主要分為地面控制系統(tǒng)和無線遠程控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過電纜與井下纜控配產(chǎn)器相連，控制各層段纜控配產(chǎn)器工作，實時化采集、圖表化展示分層參數(shù)[17]。地面控制箱供電，地面控制系統(tǒng)直接讀取井下各層段的壓力、流量和含水率等參數(shù)，并可根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)各層段閥門開度大小，實現(xiàn)對各層段產(chǎn)量的精準調(diào)節(jié)；無線遠程聯(lián)控系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程實時測調(diào)、配注數(shù)據(jù)同步獲取、在線報警、多層級權(quán)限管理等功能。如圖11所示。

圖11 無線遠程控制系統(tǒng)原理

2 室內(nèi)試驗與現(xiàn)場應(yīng)用情況

在室內(nèi)模擬工藝管柱，下入配產(chǎn)器，使用過電纜接頭實現(xiàn)封隔器穿層，濕對接裝置配合扶正器緩慢下入并完成對接。油管加壓至19 MPa，完成封隔器坐封、濕對接裝置丟手，試驗壓力曲線界面如圖12。電纜使用保護器縛于油管外壁，電纜接頭采用插接密封方式。根據(jù)模擬井管柱圖計算工具串所處深度，并進行配管。電纜通過定滑輪隨管柱下入。工具下入完成后，采集配產(chǎn)器的流量和壓力數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果符合預(yù)期，具備現(xiàn)場應(yīng)用條件。

圖12 室內(nèi)模擬試驗丟手壓力曲線界面

現(xiàn)場試驗共計13口井，無線遠程調(diào)控4口井，平均層段數(shù)3.5層，最長使用壽命達16個月，施工成功率84.6%。測調(diào)26井次，6層段井單井測調(diào)時間≤0.5 h，平均單井日降水10.5 m3，累計降水2.34×104m3。

3 結(jié)論

1) 油井智能分層采油工藝技術(shù)的研發(fā)，實現(xiàn)了采出端由“滯后調(diào)整”向“實時控制”的轉(zhuǎn)變，為特高含水老區(qū)油田剩余油挖潛提供了新的數(shù)字化技術(shù)手段，為油水井聯(lián)調(diào)聯(lián)控奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2) 研制的智能分層采油技術(shù)首次實現(xiàn)了井下分層壓力、溫度、產(chǎn)液量、含水率等4個參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測及遠程實時調(diào)控。

3) 智能分層采油工藝可大幅降低人工現(xiàn)場測調(diào)成本，提高調(diào)控和分層找堵水效率。

4) 智能分層采油技術(shù)與智能分層注水技術(shù)相結(jié)合，為注采方案實時動態(tài)調(diào)整提供了技術(shù)支持。