小排量防反吐同心配水器的試制與應(yīng)用

陳朋剛，趙亞杰，史鵬濤，董 濤，王亞雄.

(延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安 716000)

隨著國內(nèi)油田分層注水采油技術(shù)的不斷發(fā)展完善，形成了以橋式偏心分層配注工藝為代表的分層配注工藝，并在國內(nèi)各大油田得到大范圍應(yīng)用，滿足了不同油藏類型不同開發(fā)階段的注水采油開發(fā)的需要，為油田精細(xì)化分層作業(yè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[1-3]。偏心注水工藝系統(tǒng)中偏心水嘴安裝在偏心配水器的偏心槽內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)形式在進(jìn)行偏心分層流量配注測試調(diào)配時(shí)，無論采用鋼絲繩作業(yè)還是電纜投撈作業(yè)[4-6]，都需要精確的機(jī)械導(dǎo)向、定位對(duì)接結(jié)構(gòu)，對(duì)接使側(cè)向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)效率低。正是由于這種偏心對(duì)接、調(diào)試方式，在大斜度井、深井、多層分注井以及采出水回注井中作業(yè)時(shí)存在水嘴打撈困難、投不進(jìn)、反復(fù)作業(yè)、易堵塞等問題，以及測調(diào)儀遇阻、遇卡率高，測調(diào)成功率和工藝整體效率低等問題。同心注水工藝技術(shù)是為解決偏心注水工藝所存在的問題發(fā)展起來的。由同心配水器、同心測調(diào)儀組成的同心分層精細(xì)化注水技術(shù)工藝系統(tǒng)[7-9]，大大提高了大斜度井、深井、多層分注井及采出水回注井中水嘴對(duì)接的成功率，提高了作業(yè)效率。小排量防反吐同心配水器針對(duì)延長油田小注水量需求，在常規(guī)同心配水器的基礎(chǔ)上對(duì)水嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)配水器還增加了防反吐功能，以改善油管內(nèi)的注水環(huán)境。

1 技術(shù)分析

小排量防反吐同心配水器是新一代注水工藝系統(tǒng)中井下配水工具的重要組成部分之一，采用同心遇阻式對(duì)接方式、水嘴配水器一體化設(shè)計(jì)方案，提高了測調(diào)儀井下對(duì)接效率，簡化了井下操作工藝，提高了作業(yè)效率。特殊三角形水嘴開口滿足小排量注水要求，防反吐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效改善管柱環(huán)境。

1.1 結(jié)構(gòu)

小排量防反吐同心配水器主要由上接頭、本體、外護(hù)筒、調(diào)節(jié)套、活動(dòng)水嘴、防反吐組件、固定水嘴、固定水嘴座、螺環(huán)、下接頭組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小排量防反吐同心配水器Fig.1 Small displacement anti-backflow concentric water distributor 1-上接頭；2-本體；3-外護(hù)筒；4-調(diào)節(jié)套；5-活動(dòng)水嘴；6-防反吐組件； 7-固定水嘴；8-固定水嘴座；9-螺環(huán)；10-下接頭

1.2 工作原理

該小排量防反吐同心配水器與常規(guī)配水器的使用方法一樣。下井將之與分層注水管柱連接之前，需將配水器水嘴關(guān)死。在管柱與配水器下放到井下預(yù)定位置后，向油管注水加壓，使封隔器坐封。在同心注水測調(diào)時(shí)，使用電纜攜帶同心測調(diào)儀下放進(jìn)油管內(nèi)，在到達(dá)預(yù)定測調(diào)層同心配水器上方3～5 m處對(duì)同心測調(diào)儀進(jìn)行開臂操作，測調(diào)儀定位爪打開，然后再繼續(xù)下放儀器，儀器定位爪與配水器本體定位臺(tái)對(duì)接。測調(diào)儀調(diào)節(jié)頭伸縮塊與配水器調(diào)節(jié)套調(diào)節(jié)槽對(duì)接，調(diào)節(jié)頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)測調(diào)儀防轉(zhuǎn)塊進(jìn)入本體防轉(zhuǎn)槽內(nèi)，測調(diào)儀繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活動(dòng)水嘴組件(包括調(diào)節(jié)套和活動(dòng)水嘴)做螺旋運(yùn)動(dòng)，改變活動(dòng)水嘴與固定水嘴上出水口的相對(duì)位置，進(jìn)而改變出水口節(jié)流面積的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)注水量的調(diào)節(jié)。由于橋式過流通道的存在，當(dāng)前層注水不會(huì)影響下層注水，從而實(shí)現(xiàn)其他層段分層配注的需要。該小排量配水器對(duì)固定水嘴出水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)為三角形結(jié)構(gòu)，便于小排量注水的需求。同時(shí)增加了防反吐功能設(shè)計(jì)，滿足當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥谧⑺凸軆?nèi)水壓時(shí)，防反吐組件結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，防反吐組件金屬球復(fù)位，阻止地層水或油進(jìn)入油管內(nèi)。同時(shí)停注或壓力波動(dòng)時(shí)，可有效防止污垢、沙礫等堵塞配水器。

1.3 主要技術(shù)要求

該同心配水器的總長度為640 mm，最大外徑為114 mm，最小內(nèi)通徑為46 mm，水嘴調(diào)節(jié)行程為40 mm，額定工作壓差為40 MPa，連接口型為2-7/8 in TBG。

2 關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

2.1 定位對(duì)接防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

該同心配水器的定位方式采用遇阻式定位對(duì)接，該定位結(jié)構(gòu)主要包括定位平臺(tái)、防轉(zhuǎn)槽，結(jié)構(gòu)如圖2所示。測調(diào)儀定位爪開臂下放與定位臺(tái)接觸，實(shí)現(xiàn)測調(diào)儀與配水器的同心對(duì)接。同時(shí)，井下儀器的防轉(zhuǎn)塊限于防轉(zhuǎn)槽內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)，防止儀器工作時(shí)儀器自身轉(zhuǎn)動(dòng)，保證測調(diào)儀與配水器調(diào)節(jié)套之間的相互運(yùn)動(dòng)。此外，與對(duì)接臺(tái)一體的支座上有過流通道設(shè)計(jì)，足夠大的過流面積可以保證當(dāng)本層注水時(shí)，水還可以沿過流通道流向下層，以致不影響其他層對(duì)下層注水層段的注水作業(yè)。

圖2 定位機(jī)構(gòu)示意Fig.2 Positioning mechanism schematic 1-外護(hù)筒；2-定位臺(tái)；3-防轉(zhuǎn)槽；4-過流通道；5-過流切口

2.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由活動(dòng)水嘴組件和本體上的梯形螺紋連接的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3所示。測調(diào)儀與配水器定位臺(tái)對(duì)接后，測調(diào)儀調(diào)節(jié)頭伸縮塊卡進(jìn)調(diào)節(jié)槽1中，通過調(diào)節(jié)套與本體上的梯形螺紋做螺旋運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)活動(dòng)水嘴4與固定水嘴發(fā)生相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)水嘴相對(duì)固定水嘴的節(jié)流面積的變化，完成調(diào)配任務(wù)。

圖3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意Fig.3 Adjust mechanism schematic 1-調(diào)節(jié)槽；2-調(diào)節(jié)套；3-梯形螺紋結(jié)構(gòu)；4-活動(dòng)水嘴

2.3 固定水嘴組件結(jié)構(gòu)

固定水嘴組件結(jié)構(gòu)主要有固定水嘴座和固定水嘴及固定環(huán)3部分組成，如圖4所示。固定水嘴座是安裝固定水嘴的基座，固定水嘴上出水口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定配水器注水排量的主要因素之一。根據(jù)延長油田小排量注水的要求，設(shè)計(jì)適當(dāng)有效的出水口節(jié)流面積，同時(shí)滿足精細(xì)化注水的要求，以適用于小排量注水的要求。小排量固定水嘴結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖4 固定水嘴結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic of fixed nozzle component structure 1-固定環(huán)；2-出水口；3-固定水嘴；4-固定水嘴座

圖5 固定水嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic of fixed nozzle structure

根據(jù)固定水嘴出水口形狀以及流體力學(xué)的關(guān)系，得出不同壓差及不同出水口開度大小下配水器的配注量大小，見表1。

不同壓差及不同出水口開度大小下配水器的配注量曲線如圖6所示。

2.4 防反吐結(jié)構(gòu)

防反吐結(jié)構(gòu)是在地層壓力大于管柱壓力時(shí)防止地層液體回流而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，其固定本體1的出水口位置。正常注水作業(yè)時(shí)，管柱壓力大于地層壓力，管柱內(nèi)的水推動(dòng)金屬球4向外擠壓彈簧3，水從金屬球4周圍的縫隙穿過從防反吐殼體2的孔中流進(jìn)地層。當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥诠苤鶋毫r(shí)，彈簧3恢復(fù)變形，金屬球4堵住孔板5上的出水孔阻止地層液回流。具體結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

表1 不同壓差及不同出水口開度大小下配水器的配注量大小Table 1 The volume distribution of the water distributor with different pressure differences and different outlet opening sizes

圖6 不同壓差及不同出水口開度大小下配水器的配注量曲線Fig.6 The distribution curves of the water distribution device under different pressure differences and different outlet opening sizes

3 現(xiàn)場驗(yàn)證情況

小排量防反吐配水器在江蘇油田、長慶油田、青海油田、克拉瑪依油田、華北油田、大港油田等進(jìn)行了推廣使用，目前使用狀況良好。該類型配水器目前在不同井深、井斜中得到使用和驗(yàn)證，其中江蘇油田井深1800～2000 m，長慶油田井深2000～2800 m，青海油田井深3000～4000 m，克拉瑪依油田井深3000～4000 m，華北油田井深1500～2000 m，大港油田井深1500～2000 m，井斜從20°到55°不等。注水量從10 m3到30 m3不等的注水要求進(jìn)行注水作業(yè)，經(jīng)試驗(yàn)其注水合格率達(dá)到了96%，一次對(duì)接成功率達(dá)到95%以上，測調(diào)調(diào)試時(shí)間為3～8 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，橋式同心配水器在小排量、深井、大斜度井、多層分注及采出水回注井中施工作業(yè)方便，成功率高，水嘴調(diào)節(jié)靈活，測調(diào)精度高。其在長慶油田實(shí)施作業(yè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

圖7 防反吐結(jié)構(gòu)Fig.7 Anti-backflow structure schematic 1-本體；2-防反吐殼體；3-彈簧；4-金屬球；5-孔板

通過表2可以看出，該型號(hào)配水器滿足不同井斜的注水要求，且滿足小注水量注水井的注水要求，井下測調(diào)注水合格率基本達(dá)到100%。

4 結(jié)論

(1)配水器和可調(diào)水嘴一體化設(shè)計(jì)，無須鋼絲投撈作業(yè)，配水器與測調(diào)儀為同心對(duì)接，對(duì)接成功率高，適用于大斜度井作業(yè)使用。

(2)活動(dòng)水嘴與配水器一體化設(shè)計(jì)，水嘴采用無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)精度高。

(3)配水器固定水嘴出水口為窄長三角形結(jié)構(gòu)，該形狀的出水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適合更小注水量要求的注水井使用，同時(shí)可保證流量調(diào)節(jié)的高分辨率和精細(xì)化注水要求。

表2 長慶油田小排量同心配水器現(xiàn)場試驗(yàn)注水?dāng)?shù)據(jù)Table 2 The water-injection data of small displacement concentric water distributor field test in Changqing oilfield

(4)水嘴調(diào)節(jié)套具有自動(dòng)脫扣功能，可以有效防止水嘴調(diào)節(jié)套在關(guān)死和完全打開時(shí)出現(xiàn)卡死情況。

(5)配水器具有較大的過流通道，本層作業(yè)不影響其他層段的注水作業(yè)，層間抗干擾能力強(qiáng)。

(6)配水器長度短(640 mm)，可適用于小卡距分層注水工藝。

(7)防反吐功能有效地阻止了地層壓力大于管柱壓力時(shí)液體逆流的問題，減少了后期因井況臟堵塞而進(jìn)行的洗井作業(yè)次數(shù)，提高了作業(yè)效率，節(jié)約了作業(yè)成本。

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