油井自動分層測試開關(guān)工具設(shè)計及應(yīng)用

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(1.德州學(xué)院，山東 德州 253000；2.德州華海石油機(jī)械股份有限公司，山東 德州 253000)

籠統(tǒng)注采模式已不適應(yīng)高含水油井的采油，宜采取分層卡堵水作業(yè)，堵住出水層，提高采收率[1]。特別是近幾年水平井出現(xiàn)出水嚴(yán)重的情況，在卡堵水作業(yè)之前，需要找到各層的含水情況，因此利用分層測試開關(guān)工具，配合封隔器、丟手、絲堵等完成高含水井的分層找水作業(yè)[2-3]。自動分層測試工具可實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)狀態(tài)下自動找水，反復(fù)調(diào)層的功能，克服傳統(tǒng)機(jī)械找堵水管柱無法反復(fù)調(diào)層、調(diào)層不準(zhǔn)確、操作工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)[4-5]。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，除用于找堵水外，自動分層測試工具還可用于分層注采和試油測試。文獻(xiàn)[6]論述了自動分層工藝用于河南油田分層注采施工中，不僅能分層采油，還能夠分層注水；文獻(xiàn)[7]論述了自動分層測試技術(shù)用于冀東油田的試油測試中。自動分層測試技術(shù)在油田的應(yīng)用越來越廣泛。本文設(shè)計的自動分層測試開關(guān)工具由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，通過分析其工作過程和工作環(huán)境，確定采用地面油套環(huán)空加壓脈沖模式進(jìn)行控制，一定時間內(nèi)，不同壓力脈沖個數(shù)分別對應(yīng)各層開關(guān)的打開或關(guān)閉動作。

1 自動分層測試開關(guān)工具機(jī)械結(jié)構(gòu)

自動分層測試開關(guān)工具采用壓力平衡式活塞結(jié)構(gòu)，在打開和關(guān)閉狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)軸向壓力平衡，克服地層和井筒壓力對找堵水開關(guān)動作的影響。分層測試開關(guān)工具主要由上接頭、傳感器、控制電路、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動螺桿、外套筒、活塞、活塞套、下接頭等組成，如圖1所示。電機(jī)安裝在活塞套上端部，驅(qū)動螺桿一端與電機(jī)軸配合，另一端通過螺紋與活塞連接。傳感器接收井口環(huán)空壓力脈沖信號，控制電路通過信號控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電機(jī)通過驅(qū)動螺桿將轉(zhuǎn)動變?yōu)榛钊纳舷乱苿印ｋ姍C(jī)正轉(zhuǎn)推動活塞下行，至下限位置打開該地層；電機(jī)反轉(zhuǎn)推動活塞上行，至活塞上限位置關(guān)閉該地層。推進(jìn)式堵水開關(guān)采用側(cè)進(jìn)液模式，活塞裝有密封圈，阻止液體流入活塞底部或頂部空間，使液體僅在活塞環(huán)形空間內(nèi)流動。圖1為開關(guān)處于打開狀態(tài)，進(jìn)液口與出液口連通。

下接頭連接裝有Spartek壓力計[3](耐溫150 ℃，耐壓70 MPa)的標(biāo)準(zhǔn)偏心短接，壓力計可采集分層時各層的壓力和溫度信息，判斷測試開關(guān)工具是否正常工作，為后續(xù)的注水作業(yè)提供支持。

1—電池；2—控制電路；3—傳感器；4—驅(qū)動電機(jī)；5—活塞套；6—螺桿；

2 自動分層測試開關(guān)控制系統(tǒng)

2.1 控制模式

測試開關(guān)與丟手、封隔器、絲堵等組成分層測試一體化管柱，封隔器隔開各個油層，每個測試開關(guān)位置對應(yīng)一個油層，開關(guān)打開則該油層生產(chǎn)，開關(guān)關(guān)閉則該油層不生產(chǎn)。找堵水一體化管柱下入指定位置后，封隔器坐封、打掉丟手，起出施工管柱后，下入生產(chǎn)管柱，即可進(jìn)行找堵水工作。借鑒封隔器、橋塞等井下工具的施工方法，通過液壓將地面信號傳至井底，測試開關(guān)上的壓力傳感器接收壓力信號。為確保信號的準(zhǔn)確性，采用壓力脈沖次數(shù)控制模式，如圖2所示。

圖2 壓力脈沖次數(shù)控制模式

自動分層測試開關(guān)的打開和關(guān)閉分別對應(yīng)一定時間內(nèi)壓力脈沖次數(shù)，如測試開關(guān)從接收到第1個壓力值開始(壓力值根據(jù)不同井深設(shè)定)，統(tǒng)計30 min內(nèi)的壓力脈沖上升沿個數(shù)，如果為4個脈沖則測試開關(guān)打開，若為5個脈沖則測試開關(guān)關(guān)閉。為真實(shí)地采集到脈沖上升沿，要求加壓時間大于60 s，脈沖間隔時間大于60 s，但沒有具體時間限制?？刂葡到y(tǒng)硬件采用比較器和單片機(jī)的脈沖計數(shù)器，軟件采取去抖動程序，確保采集到每個脈沖。

2.2 控制系統(tǒng)

分層測試開關(guān)與封隔器、丟手、絲堵共同組成分層測試一體化管柱，采用丟手模式，控制系統(tǒng)采取獨(dú)立電源供電模式?？刂葡到y(tǒng)由單片機(jī)(PIC16F876A)[8]、電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路、電機(jī)過流保護(hù)電路、壓力監(jiān)測電路等組成，如圖3所示。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制中心，除了控制電機(jī)的運(yùn)行外還需采集地面壓力信號。

圖3 控制系統(tǒng)組成

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)井為中原油田某油井，鉆完井深為1 975 m。目前采用封上采下，含水100 %。重新設(shè)計分層管柱，分為三級三段，由上至下依次為：KSD丟手+Y241型封隔器+自動分層測試開關(guān)3(對應(yīng)油層3)+PHY341型封隔器+自動分層測試開關(guān)2(對應(yīng)油層2)+PHY341型封隔器+自動分層測試開關(guān)1(對應(yīng)油層1)+絲堵，如圖4所示。

各測試開關(guān)動作控制脈沖設(shè)定：下井前，每個測試開關(guān)的打開和關(guān)閉對應(yīng)不同的脈沖個數(shù)。在30 min內(nèi)，測試開關(guān)1打開需采集脈沖個數(shù)為4個，關(guān)閉需采集脈沖個數(shù)為5個；測試開關(guān)2打開和關(guān)閉動作分別對應(yīng)30 min內(nèi)脈沖個數(shù)為6和7個；測試開關(guān)3打開和關(guān)閉動作分別對應(yīng)30 min內(nèi)脈沖個數(shù)為8和9個。脈沖壓力為井口環(huán)空壓力，7～8 MPa為高壓，0～2 MPa為低壓，且高壓和低壓持續(xù)時間大于60 s。

3.1 試驗(yàn)過程

2017-06-15—2017-06-27，測試開關(guān)1開啟，測試開關(guān)2、3關(guān)閉，單獨(dú)開采油層1；2017-06-27，通過井口環(huán)空壓力脈沖控制，將測試開關(guān)1處于關(guān)閉狀態(tài)，同時開啟測試開關(guān)2，單獨(dú)開采油層2，開采至2017-07-13，地面控制將測試開關(guān)2關(guān)閉；2017-07-15，再次將測試開關(guān)2開啟，采至2017-07-17，產(chǎn)層不出液停抽，2017-07-22復(fù)抽，仍未見產(chǎn)出液，分析可能因地層壓力低，地層供液不足造成出砂，阻塞測試開關(guān)2產(chǎn)液通道，砂堵嚴(yán)重。因擔(dān)心砂堵后會損壞壓力計，未再進(jìn)行井口加壓作業(yè)，故測試開關(guān)3未工作。

圖4 完井管柱

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 產(chǎn)液分析。初始狀態(tài)：關(guān)閉油層3(1 477.5～1 672.1 m)、油層2(1 685.5～1 690.0 m)，打開油層1(1 735.1～1 924.7 m )，產(chǎn)液量30 m3，含水100%。2017-06-27，井口環(huán)空加壓脈沖，關(guān)閉測試開關(guān)1，打開測試開關(guān)2，油層2開始生產(chǎn)，液量19 m3，含水100%，9 d后液量4 m3，含油2.4 m3，2 d后液量2 m3，含油1.2 m3。2017-07-13，井口環(huán)空加壓脈沖關(guān)閉油層2，2 h后液量為0 m3，說明開關(guān)2關(guān)閉。為進(jìn)一步測試油層2的產(chǎn)能，2017-07-15，井口環(huán)空加壓脈沖，打開測試開關(guān)2，產(chǎn)液1.6 m3，含油1.0 m3。2017-07-17產(chǎn)出液為0 m3。

2) 溫度壓力分析。管柱取出后對3個分層測試開關(guān)的壓力計進(jìn)行溫度和壓力曲線提取，3個分層測試工具工作性能良好。測得了3個測試層各自獨(dú)立完整的壓力、溫度曲線，3個測試層的壓力、溫度曲線互不干擾，表明各封隔器密封效果良好，在井筒中層間未發(fā)生滲漏、竄漏等情況。各測試層溫度壓力曲線如圖5所示。

a 溫度

b 壓力

油層1壓力曲線分為2個階段。第1階段(2017-06-27前)井筒內(nèi)液體抽取完畢后，壓力逐漸降低，說明該層位處于生產(chǎn)狀態(tài)，測試開關(guān)為打開狀態(tài)；第2階段(2017-06-27后)該層位壓力逐漸積聚增大至穩(wěn)定狀態(tài)，說明該層位處于非生產(chǎn)狀態(tài)，測試開關(guān)為關(guān)閉狀態(tài)。

油層2壓力曲線分為4個階段。第1階段(2017-06-12—2017-06-27)：因作業(yè)過程中靜液柱壓力高于該層地層壓力，測試開關(guān)2處于關(guān)閉狀態(tài)，井筒環(huán)空壓力逐漸向地層中進(jìn)行擴(kuò)散，由于儲層物性差，壓力擴(kuò)散時間較長；第2階段(2017-06-27—2017-07-13)：測試開關(guān)2打開后井底壓力下降，前期主要產(chǎn)液為井筒內(nèi)液體，環(huán)空壓力下降緩慢；中期該層開始供液，壓力下降速度較快；后期因?yàn)槭艿阶⑺畨毫Φ难a(bǔ)充，壓力先急劇上升，后緩慢下降；第3階段(2017-07-13—2017-07-15)：測試開關(guān)關(guān)閉后壓力逐漸恢復(fù)；第4階段(2017-07-15后)：井筒內(nèi)部砂堵，地層壓力逐漸恢復(fù)，期間受到注水井的影響有所波動。

油層3壓力曲線與臨近的明148注水井泵壓變化趨勢一致，油層3與該注水井之間存在大通道，表明測試開關(guān)3處于關(guān)閉狀態(tài)。

4 結(jié)論

1) 分層測試開關(guān)活塞采用壓力平衡機(jī)械結(jié)構(gòu)，克服了機(jī)械式找堵水開關(guān)受地層壓力影響的缺點(diǎn)，開關(guān)動作根據(jù)固定時間內(nèi)壓力脈沖個數(shù)進(jìn)行，避免了因脈沖高低電平轉(zhuǎn)換時間誤差帶來的誤動作。

2) 現(xiàn)場試驗(yàn)表明，分層測試開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)工作可靠，可對各油層溫度、壓力分別測試，結(jié)合產(chǎn)出液情況找出出水層，滿足油井開發(fā)后期找堵水作業(yè)的要求。