樊偉平

(延長(zhǎng)油田股份有限公司吳起采油廠,陜西 延安 717600)

1 采油技術(shù)分類(lèi)

我國(guó)從20世紀(jì)50年代引進(jìn)石油開(kāi)發(fā)的采油工程技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年研究和發(fā)展，采油工藝技術(shù)已經(jīng)逐漸完善。采油工作主要分為三種類(lèi)型，分別是一次采油、二次采油、三次采油[1]。其中，一次采油依賴(lài)地層天然壓力；隨著地層壓力的逐漸下降，利用注水補(bǔ)充地層壓力的方式，采取一系列物理和化學(xué)方法，提高趨油效率；最后在三次采油過(guò)程中，可以利用微生物法、混相法、化學(xué)法、熱力法等提高原油采收率。在油氣田開(kāi)發(fā)后期，可以根據(jù)生產(chǎn)區(qū)域的實(shí)際情況，針對(duì)當(dāng)前潛油電泵受高溫限制、泵提液難度系數(shù)較高等問(wèn)題，利用振動(dòng)波、水力脈沖振動(dòng)、細(xì)分油層采油等工藝技術(shù)，提高采油效果，以此實(shí)現(xiàn)石油開(kāi)采的可持續(xù)發(fā)展。本文以分層采油技術(shù)為例，梳理我國(guó)分層采油技術(shù)的發(fā)展歷程，對(duì)分層采油流量調(diào)節(jié)與控制，模型建立調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行論述。

2 我國(guó)分層采油工藝技術(shù)的發(fā)展歷程

我國(guó)分層采油工藝技術(shù)發(fā)展歷程主要分為以下4個(gè)階段[2]。

1)自噴分層配產(chǎn)階段

在20世紀(jì)60年代，大慶油田在開(kāi)發(fā)初期研發(fā)分層采油工藝，該項(xiàng)工藝主要以625型同心分層配產(chǎn)器為主。當(dāng)時(shí)地層能量相對(duì)充足，管柱結(jié)構(gòu)為整體式、活動(dòng)式堵塞器安裝在配產(chǎn)器工作筒中。由于配產(chǎn)器為同心結(jié)構(gòu)，堵塞器外徑必須自下而上由小變大，打撈時(shí)只能自上而下逐級(jí)撈出。但后續(xù)因?yàn)橥稉普{(diào)整不便，在施工現(xiàn)場(chǎng)工藝使用較為復(fù)雜，配產(chǎn)級(jí)數(shù)低等問(wèn)題，應(yīng)用頻次逐漸降低。

2)偏心分層配產(chǎn)技術(shù)

經(jīng)過(guò)自噴分層配產(chǎn)階段后，在20世紀(jì)70年代分層采油逐漸由配產(chǎn)工藝向堵水工藝轉(zhuǎn)變。在油藏注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油井多層見(jiàn)水，利用該項(xiàng)技術(shù)可以解決多層任意封堵難題。該種堵水系統(tǒng)主要由工作筒和堵塞器組成，而投撈器可實(shí)現(xiàn)任意層堵塞器投撈，可以實(shí)現(xiàn)不壓井起下管柱操作，配產(chǎn)堵水級(jí)數(shù)不受限制，但施工后在井下無(wú)法調(diào)整。

3)機(jī)采井找堵水階段

隨著石油開(kāi)采難度的不斷增大，井下調(diào)配工藝更加復(fù)雜，因此多利用機(jī)械堵水技術(shù)。其抽油生產(chǎn)管柱與丟手堵水管柱不相連，因此管柱壽命相對(duì)整體式管柱較長(zhǎng)，有效期更久，封隔器逐級(jí)下至預(yù)定位置。該管柱可在高溫高壓環(huán)境下長(zhǎng)期工作，適用于正常套管井或套變井。

4)可調(diào)層配產(chǎn)階段

根據(jù)井下堵水器類(lèi)型的差異，該項(xiàng)技術(shù)可以通過(guò)壓力變化來(lái)調(diào)整指令下傳到井下配產(chǎn)器[3]。當(dāng)油田進(jìn)入特高含水階段時(shí)，剩余油高度分散，各層段產(chǎn)液量變化呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)化特征，層系間含水差異進(jìn)一步縮小，可以利用液壓可調(diào)層找堵水技術(shù)、過(guò)環(huán)空纜控分層采油技術(shù)、壓力波控制分層配產(chǎn)技術(shù)，對(duì)井下可調(diào)配產(chǎn)器的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，分層采油正式邁人“智能化”發(fā)展階段，可以利用遠(yuǎn)程控制中心，對(duì)分層配產(chǎn)和井下?tīng)顟B(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，拓展了纜控分層采油技術(shù)適用范圍。

3 分層采油流量測(cè)量與控制技術(shù)

在使用常規(guī)石油開(kāi)采技術(shù)時(shí)，開(kāi)采的效率差，速度慢，無(wú)法采集井下的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，因此常規(guī)采收率只有35%。如果利用分層采油流量調(diào)節(jié)與控制創(chuàng)新性技術(shù)，可以根據(jù)油層的分布情況合理采油。通過(guò)系統(tǒng)中傳感器中監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)控制井下控制閥開(kāi)度，為流量調(diào)節(jié)與控制提供調(diào)控參數(shù)，有效解決油層間油水不平衡、籠統(tǒng)注水導(dǎo)致的采油率低等問(wèn)題，提高單口井開(kāi)采效率，實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)在采油工作中的高效應(yīng)用。

3.1 測(cè)量原理

采用分層采油流量調(diào)節(jié)就是將流量控制閥用于注水井中，對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制[4]。國(guó)外主要通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)滑套，液壓活塞帶動(dòng)滑套這兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而國(guó)內(nèi)多是由滑套開(kāi)關(guān)和水嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)的(利用水嘴的開(kāi)度調(diào)節(jié)和控制流量)。在分層采油系統(tǒng)中，主要采用的流量計(jì)類(lèi)型有超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)、孔板式流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、渦輪流量計(jì)。本文主要研究超聲波流量計(jì)，將其作為智能井實(shí)現(xiàn)流量控制實(shí)施的組件。其控制系統(tǒng)主要由全電驅(qū)動(dòng)式控制系統(tǒng)、純液壓驅(qū)動(dòng)式控制系和電液相結(jié)合的控制系組成。應(yīng)用原理和方法為：當(dāng)管道中沒(méi)有油水混合介質(zhì)時(shí)，超聲探頭1和超聲探頭2之間的聲波傳輸時(shí)間是相同的；或者油水混合介質(zhì)流速為零時(shí)，超聲探頭1和超聲探頭2的聲波傳輸時(shí)間不變。如果用v表示管道中油水混合介質(zhì)流體的流速，由于聲波在油水混合介質(zhì)中疊加了流體流速進(jìn)行傳播，所以在測(cè)量工作中，聲波逆流時(shí)間(超聲探頭2到超聲探頭1)應(yīng)該大于順流時(shí)間(超聲探頭1到超聲探頭2)，該時(shí)間差就是時(shí)差法中的時(shí)差。其中，待測(cè)的管道兩側(cè)分別放置超聲探頭1和超聲探頭2，其傳播時(shí)間的表達(dá)式為：

①超聲探頭1到超聲探頭2的時(shí)間=(待測(cè)管道直徑/管道內(nèi)介質(zhì)與波束的橫向夾角)/(超聲波在靜止油水混合介質(zhì)中的傳播速度+超聲波傳播方向上混合流體介質(zhì)的速度分量)；

②超聲探頭2到超聲探頭1的時(shí)間=(待測(cè)管道直徑/管道內(nèi)介質(zhì)與波束的橫向夾角)/(超聲波在靜止油水混合介質(zhì)中的傳播速度-超聲波傳播方向上混合流體介質(zhì)的速度分量)。

3.2 模型建立

分層采油流量測(cè)量與控制系統(tǒng)主要采集和處理井下數(shù)據(jù)(流量、溫度、壓力、含水率等)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)各油層流量進(jìn)行測(cè)量和控制。當(dāng)需要對(duì)某一油層進(jìn)行注采時(shí)，采油系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)通過(guò)電纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)；將需采油層與其它油層分開(kāi)，在注水的過(guò)程中流量測(cè)量系統(tǒng)始終對(duì)注水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)調(diào)節(jié)保證注水量的精確；同時(shí)，對(duì)井下油水混合介質(zhì)流量進(jìn)行測(cè)量。由于流量控制閥可以關(guān)閉和打開(kāi)不同油層，因此可以通過(guò)調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制進(jìn)水量，提高生產(chǎn)過(guò)程中的安全性。在模型建立過(guò)程中，對(duì)超聲波流量計(jì)有著極高的要求。最核心的芯片是時(shí)差測(cè)量模塊和單片機(jī)，分別用來(lái)采集流量計(jì)測(cè)量時(shí)間和控制芯片開(kāi)關(guān)。超聲波經(jīng)過(guò)油水介質(zhì)后會(huì)大大衰減，通過(guò)該種系統(tǒng)建立，可以將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)調(diào)理電路處理以后傳輸?shù)骄系目刂浦小?/p>

要想滿(mǎn)足井下流量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電流的要求，應(yīng)該做好電源模塊設(shè)計(jì)，必須將時(shí)差測(cè)量電路和信號(hào)放大電路直流電壓設(shè)置為 3.3 V(保護(hù)電路需要 5 V 的直流電壓)。但是井下供電系統(tǒng)直流電壓多為 12 V 和 45 V，最高溫度可達(dá) 120 ℃，因此應(yīng)盡可能地減少電源對(duì)流量測(cè)量系統(tǒng)的干擾。將 12 V 的直流電，經(jīng)過(guò)電源模塊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為 5 V 和 3.3 V 直流電，選取7805 三端式穩(wěn)壓電源，穩(wěn)定輸出 5 V 電壓，通過(guò)降壓模塊得到 3.3 V 的電壓。該模塊的輸出電流大，設(shè)置過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，因此輸出電壓的穩(wěn)定性高。在時(shí)差測(cè)量電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮待測(cè)液體屬性，保證時(shí)差測(cè)量模塊精度。時(shí)差測(cè)量模塊可以選擇TDC-GP22，盡可能地減少了系統(tǒng)功耗，以此達(dá)到 90 ps 的典型精度。之后根據(jù)待測(cè)管道的直徑設(shè)置時(shí)間窗口。

3.3 流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要想提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，分層采油流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥應(yīng)該根據(jù)需要調(diào)節(jié)流量值[5]。通過(guò)電控方式調(diào)節(jié)任意開(kāi)度，當(dāng)系統(tǒng)接收到地面控制中樞指令后，電機(jī)扭矩將降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。之后調(diào)節(jié)通道的開(kāi)度，利用絲桿的前后移動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目，在井下復(fù)雜環(huán)境中，降低故障發(fā)生幾率。在選擇流量調(diào)節(jié)閥水嘴時(shí)，水嘴的性能直接決定了流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性，因此應(yīng)該根據(jù)井下的產(chǎn)量值，找到最適合本設(shè)計(jì)的水嘴形狀和過(guò)水范圍。一般來(lái)講，當(dāng)水嘴開(kāi)度大于40%時(shí)，壓差與流量基本呈線性關(guān)系，壓差最大可以達(dá)到 1.5 MPa，此時(shí)可以選取長(zhǎng)方形水嘴。在20%開(kāi)度 300 m3/d 時(shí)，壓差差距(低開(kāi)度流量和高開(kāi)度流量之間)可達(dá) 9 MPa 左右，但是菱形水嘴過(guò)流面比較小，因此不適合分層采油流量測(cè)量系統(tǒng)；當(dāng)開(kāi)度大于40%時(shí)，且小開(kāi)度大流量下，圓形水嘴分度比較小，因此也不適合分層采油流量測(cè)量系統(tǒng)；當(dāng)開(kāi)度大于40%時(shí)，橢圓形水嘴大流量時(shí)壓差(當(dāng)開(kāi)度20%時(shí))約為 3 MPa，并且開(kāi)度和流量之間可以呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此適合分層采油流量測(cè)量系統(tǒng)。

3.4 系統(tǒng)調(diào)試

利用超聲波時(shí)差法測(cè)量石油流量參數(shù)，結(jié)合井下油水混合流體特點(diǎn)，可以利用油水兩相流實(shí)驗(yàn)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，按照不同的比例將油與水注入到儲(chǔ)液罐中(放置攪拌電機(jī)，防治油水分層現(xiàn)象發(fā)生)，提前標(biāo)定不同頻率對(duì)應(yīng)的不同流速值；之后調(diào)節(jié)螺桿泵的頻率，采集流量數(shù)據(jù)，在不同頻率下進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值，得出流量計(jì)的測(cè)量誤差。向儲(chǔ)液罐里加入柴油，在原始油水基礎(chǔ)上配置出不同油水比的混合液，將螺桿泵的頻率調(diào)制成 10～50 Hz(每次調(diào)節(jié)的上升節(jié)點(diǎn)為 5 Hz)，之后統(tǒng)計(jì)流量測(cè)量的數(shù)據(jù)(將油水比設(shè)置為2∶8、5∶5和 8∶2)。觀察指標(biāo)分別為頻率(Hz)、實(shí)際流速(m/s)、標(biāo)定流量(m3/d)、標(biāo)定流速(m/s)、相對(duì)誤差(%)。最后統(tǒng)計(jì)超聲波測(cè)量系統(tǒng)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)。其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)分別為測(cè)量電路(m3/d)、整體測(cè)量系統(tǒng)(m3/d)、電機(jī)控制電路(m3/d)、發(fā)射電路(m3/d)、傳感器(m3/d)。

采用分層采油流量調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)，可以根據(jù)不同儲(chǔ)層的厚度進(jìn)行合理采油。通過(guò)對(duì)不同儲(chǔ)層壓力、溫度等參數(shù)測(cè)量，解決分層采油過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜問(wèn)題，有效解決由于陸相沉積油藏的非均質(zhì)性特征而導(dǎo)致的開(kāi)采難題；建立合適的流動(dòng)壓強(qiáng)，調(diào)節(jié)各級(jí)配產(chǎn)閥實(shí)現(xiàn)分層生產(chǎn)，減小層間差異；調(diào)整油嘴對(duì)油藏進(jìn)行分層測(cè)試，提高層內(nèi)流體流動(dòng)速度，控制高滲透層；使用科學(xué)的方法進(jìn)行分層開(kāi)采，以此準(zhǔn)確找出潛力層。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，分層采油工藝技術(shù)可以精準(zhǔn)控制井下控制閥開(kāi)度，為流量調(diào)節(jié)與控制提供調(diào)控參數(shù)，有效解決油層間油水不平衡、籠統(tǒng)注水導(dǎo)致的采油率低等問(wèn)題。因此要想確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，應(yīng)該做好流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，解決分層采油過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜問(wèn)題，以此提高開(kāi)采效率。