小直徑直讀電動驗封儀的研制及應(yīng)用

王玉玲

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

大慶油田進入特高含水開發(fā)階段，層間、平面矛盾加劇，生產(chǎn)井含水動態(tài)變化較頻繁，控水及挖潛難度加大。2010年大慶采油工程研究院開展了油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)研究，通過分層產(chǎn)液量、分層含水以及分層壓力等多參數(shù)監(jiān)測，為各生產(chǎn)層段合理控制及均衡動用提供了技術(shù)手段。

測控配產(chǎn)技術(shù)是指人為將所選生產(chǎn)井內(nèi)原有的30～50個小層封隔成3～7個配產(chǎn)層，每個配產(chǎn)層都是由上封隔器、配產(chǎn)器、下封隔器組成，其中配產(chǎn)器測試通道最小直徑為27.5 mm，每個配產(chǎn)器都與相對應(yīng)的配注井的層位連通[1，2]。根據(jù)測量結(jié)果，對相應(yīng)層進行從全開到全關(guān)配產(chǎn)，實現(xiàn)油井分層控制與動態(tài)調(diào)整，緩解層間和平面矛盾，實現(xiàn)各類油層均衡動用、提高油層動用程度，以達到穩(wěn)油控水的目的[3-7]。

在對配產(chǎn)井流量含水的實際動態(tài)監(jiān)測中，通過對合層流量與分層流量的測量資料對比，發(fā)現(xiàn)部分配產(chǎn)井流量含水的分層解釋相互矛盾，初步判斷是由于封隔器與配產(chǎn)器或封隔器與油管之間存在漏失，配產(chǎn)井井下管柱長期置于井下，易產(chǎn)生管柱變形，影響措施效果，因此需要驗封儀對配產(chǎn)器分層配產(chǎn)密封效果進行驗證[8,9]。以往配產(chǎn)井應(yīng)用的井下驗封工具是井下存儲式壓力計[10]，需采用作業(yè)方式將工具一次下井，連續(xù)監(jiān)測5 d的壓力資料，再通過作業(yè)方式取出。此工藝驗封時間長，投撈工作量大，一次只能驗封一個層位。與此相比，所研制的小直徑直讀電動驗封儀可利用測試班組地面裝備、采用電纜傳輸，實時監(jiān)測封堵效果，保證油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)所獲資料的準確性[11]，為油田的高效、環(huán)保再添新的技術(shù)支撐。

1 儀器方案設(shè)計

所設(shè)計的小直徑直讀電動驗封儀利用可調(diào)配產(chǎn)器測試通道作為密封面，采用雙道形變皮瓦密封，通過形變皮瓦的脹封，實現(xiàn)配產(chǎn)器單層進液流體相對于井內(nèi)流體的分段封閉，記錄封閉后配產(chǎn)器進液口的流體壓力信息，判斷配產(chǎn)井內(nèi)封隔器是否工作良好。配產(chǎn)器測試通道直徑為27.5 mm，儀器外徑設(shè)計為26 mm，工作時，形變皮瓦封閉26～27.5 mm之間的環(huán)形空間，這種密封結(jié)構(gòu)對于小管徑通道，密封效果極好。技術(shù)難點是儀器外徑小，設(shè)計時要考慮到密封、強度、定位。

1.1 儀器機械結(jié)構(gòu)

小直徑直讀電動驗封儀機械結(jié)構(gòu)由上至下依次為電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)、推進結(jié)構(gòu)、支撐臂、上皮瓦、進液口、下皮瓦、壓力探頭及壓力測量電路。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 小直徑直讀電動驗封儀的機械結(jié)構(gòu)示意圖

電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動推桿隨著電機供正電或負電來回滑動，帶動支撐臂撐起或收回，同時帶動形變皮瓦脹封與收縮，完成坐封和解封過程。

為了形變皮瓦密封效果以及避免形變后壓力擠壓而產(chǎn)生泄漏，選材上選取既適合形變密封又耐壓力擠壓的橡膠材質(zhì)，形變皮瓦結(jié)構(gòu)如圖2所示。在固定形變皮瓦的滑道筒上設(shè)計了直徑5 mm的平衡口，在推桿右端設(shè)計了圓弧形泄壓槽。

圖2 形變皮瓦結(jié)構(gòu)圖

1.2 電路設(shè)計

小直徑直讀電動驗封儀脹封完成后，需要完成壓力參數(shù)的測量及傳輸，因此驗封儀電路需要具有如下功能：信號采集與放大、壓頻轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制及功率放大電路。采集的壓力信號通過電纜實時傳輸，經(jīng)由地面控制系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)換，由地面儀表直讀壓力變化數(shù)據(jù)。電路設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 驗封儀電路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

小直徑直讀電動驗封儀電路設(shè)計原理：在壓力傳感器硅片上安裝4個壓敏電阻，組成橋式電路。當受壓時，變形應(yīng)力將引起金屬絲的電阻變化，一對電阻阻值增加，一對電阻阻值減小，從而破壞橋路平衡，達到測壓的目的。電壓經(jīng)過差動放大、AC/DC(模數(shù))轉(zhuǎn)換、V/F(壓頻)轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成頻率信號經(jīng)過功率放大電路輸送至地面控制系統(tǒng)。

1.3 工作原理

形變皮瓦與起定位功能的支撐臂共用一個電機，所以將電機的行程分為上行程、中行程和下行程三個部分。

1)上行程是為支撐臂打開提供動力：將驗封儀通過測試電纜下到配產(chǎn)器本層測試口進口固定，在地面控制系統(tǒng)給電機驅(qū)動電路供50 V正電,支撐臂隨著行程推桿慢慢撐起，當與驗封儀形成40 ℃角時，支撐臂旋進配產(chǎn)器內(nèi)部的螺旋定位槽，驗封儀被固定。

2)中行程是繼續(xù)給電機驅(qū)動電路供電，使推桿繼續(xù)行進，推桿空行程3 mm，形變皮瓦等待6 s開始形變，以保證儀器的形變皮瓦準確到達配產(chǎn)器相對應(yīng)的密封面，避免形變皮瓦過早脹封。

3)下行程為形變皮瓦漲封提供動力：電機通過推桿帶動固定形變皮瓦的滑動筒滑動，使上、下形變皮瓦脹起，封住驗封儀與配產(chǎn)器的環(huán)形空間，正好將配產(chǎn)器進液口封在中間。本層段的流體經(jīng)配產(chǎn)器進液口進入到驗封儀的進液口中，流體進入驗封儀后，首先經(jīng)由平衡口進入上、下皮瓦脹起的中間弧形空間，以平衡地層流體壓力，然后流體下行到壓力探頭的測試通道，壓力探頭感應(yīng)流體的壓力參數(shù)變化，然后通過電路傳輸信號和傳輸電纜上傳到地面控制系統(tǒng)進行處理，實時顯示壓力變化數(shù)據(jù)。

待本層段驗封結(jié)束后，在地面控制系統(tǒng)給電機驅(qū)動電路供50 V負電，電機反轉(zhuǎn)。下行程為形變皮瓦泄封提供動力：電機通過推桿帶動固定形變皮瓦的滑道筒回收，因為在推桿上設(shè)有泄壓槽，所以在回收過程中封閉空間的壓力逐漸釋放，當驗封儀內(nèi)外壓力接近平衡時，脹封的上下形變皮瓦恢復(fù)初始狀態(tài)，上提電纜10 m后，繼續(xù)供電使推桿繼續(xù)回收，回收到電機反轉(zhuǎn)時的上行程位置，電機反轉(zhuǎn)時的上行程為收回支撐臂提供動力，使支撐臂內(nèi)的卡簧壓縮，支撐臂收回，臥在驗封儀的支撐臂槽內(nèi)，這個解封過程與驗封儀脹封過程正好相反。此時完成一個單層段的驗封監(jiān)測，儀器下行，進行下一個層段的驗封過程，可以對同一口井多個層段進行驗封、實時監(jiān)測。

驗封儀驗封原理：儀器在配產(chǎn)器測試通道中，將進液口上下進行封閉，那么被封住層段的地層壓力就隨密封時間增加而呈線性增加，如圖4所示。起點壓力為井內(nèi)流體壓力，地層壓力的上升速度與關(guān)聯(lián)的注水井的供液能力、地層滲透率、關(guān)聯(lián)井注水壓力與該井流體壓力的差有關(guān)。圖4顯示：壓力隨密封時間增加而線性增加，說明本層封堵效果良好。

圖4 驗封過程中壓力與時間關(guān)系圖

2 試驗及分析

在高溫高壓實驗室的高精度壓力標定裝置上，完成了小直徑直讀電動驗封儀的模擬試驗，試驗裝置示意圖如圖5所示。圖中的配產(chǎn)器測試通道設(shè)備用于模擬配產(chǎn)器內(nèi)部的測試通道，在測試通道中注滿液壓油，通過注入壓力來檢測驗封儀上、下形變皮瓦的坐封情況。配產(chǎn)器測試通道設(shè)備的一端注壓口與自動控制的高精度壓力標定裝置相連接，另一端的溢氣口用于上、下形變皮瓦脹封后，釋放封閉段內(nèi)部存在的部分空氣，使注壓口進入的液壓油能很好地填充整個空間，更好地模擬驗封儀在井下配產(chǎn)器測試通道中的工作狀態(tài)。

圖5 配產(chǎn)器測試通道實驗裝置示意圖

試驗時，將儀器的支撐臂先打開，整支儀器插入到測試裝置內(nèi)，支撐臂卡在測試裝置一側(cè)，儀器的上下形變皮瓦剛好位于測試裝置注壓口的兩側(cè)。對儀器供電，使上下皮瓦脹封良好。繼續(xù)對儀器供電，讀取此時測試儀表的計數(shù)，儀表顯示無壓力狀態(tài)時為2.276 kHz。

通過壓力泵對儀器進行加壓測試，記錄不同壓力時的儀器響應(yīng)頻率，在加壓過程中，測量的儀器響應(yīng)頻率與壓力變化呈線性對應(yīng)關(guān)系。壓力測試曲線如圖6所示：實驗結(jié)果表明：壓力測試曲線與壓力變化呈較好的線性關(guān)系，表明該驗封儀形變皮瓦的密封效果可靠，多次反復(fù)驗證，密封效果穩(wěn)定。

圖6 壓力測試曲線圖版

經(jīng)實驗檢測，該驗封儀驗封壓差范圍為0～8 MPa， 精度1‰。

3 現(xiàn)場試驗及應(yīng)用

用于油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)的小直徑直讀電動驗封儀于2017年4月在大慶油田XX配產(chǎn)井進行了首次驗封試驗。圖7和圖8是該配產(chǎn)井中兩個層段的測試壓力曲線。

圖7的壓力曲線表明，偏Ⅲ層段壓力上升平穩(wěn)，沒有抽油機沖次引起的壓力干擾，判斷為此層段封堵合格。在驗封偏Ⅲ層段時，儀表上的壓力曲線快速上升，極容易判斷封堵情況，單個層段錄取20～30 min即可完成。

圖7 XX井偏Ⅲ層壓力曲線

圖8表明該實例在儀器形變皮瓦撐開后，壓力隨抽油機沖次進行變化，出現(xiàn)了壓力干擾，判斷為偏II層段封隔器有部分漏失情況。

圖8 XX井偏II層壓力曲線

現(xiàn)場應(yīng)用表明,應(yīng)用小直徑直讀電動驗封儀對配產(chǎn)井進行驗封時，操作簡單，在壓差8 MPa(地層壓力-流體壓力)以內(nèi)，驗封功能正常，資料錄取實時、高效、驗封結(jié)果可靠。壓差大于8 MPa之后，泄壓功能受到影響，形變皮瓦無法回收到初始狀態(tài)，只能強行上提驗封儀，皮瓦被拉爆，但該層段已錄取的壓力變化數(shù)據(jù)是可靠的。因此壓差大于8 MPa，只能驗封一個層段，壓差在0～8 MPa之間可單井多層段驗封，因此在驗封時，要求根據(jù)壓差值控制好驗封時間，實時監(jiān)測。

4 結(jié) 論

1)小直徑直讀電動驗封儀結(jié)構(gòu)簡便，資料錄取實時、一次下井可以完成單井多層段驗封，壓差(地層壓力-流動壓力)在8 MPa以內(nèi)驗封成功率100%。

2)現(xiàn)場應(yīng)用表明小直徑直讀電動驗封儀能夠滿足油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用要求。

3)小直徑直讀電動驗封儀為油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)的完善配套提供了技術(shù)支撐，為油田動態(tài)監(jiān)測提供有價值的動態(tài)資料。