預(yù)置電纜智能分注技術(shù)研究與應(yīng)用

周宇鵬

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

大慶油田屬于非均質(zhì)多油層砂巖油田，分層注水技術(shù)是非均質(zhì)多油層砂巖油田控制含水上升速度，提高采收率的有效技術(shù)手段[1-3]。針對高含水后期油田開發(fā)日益突出的注采矛盾，儲量挖潛難度大，層間干擾嚴(yán)重，測試難度大等問題，大慶油田2006年首次提出注水井智能分注技術(shù)思路，在此基礎(chǔ)上，開展預(yù)置電纜智能分注技術(shù)研究，通過將監(jiān)測、通信及自動(dòng)控制等系統(tǒng)置于井下配水器內(nèi)，地面實(shí)時(shí)控制分層注水量，大幅減少了人工測試工作量，解決了高效測調(diào)測試數(shù)據(jù)呈點(diǎn)狀分布，無法連續(xù)反應(yīng)油藏動(dòng)態(tài)變化情況，無法為精準(zhǔn)開發(fā)提供連續(xù)的問題。通過優(yōu)化連接裝置，提高工藝成功率，降低生產(chǎn)成本。預(yù)置電纜井油管內(nèi)置技術(shù)可以避免施工過程中磕碰電纜，造成電纜損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高井下工具使用壽命。

1 預(yù)置電纜智能分注技術(shù)及配套工具

預(yù)置電纜智能分注技術(shù)包括預(yù)置電纜智能注水工藝管柱及地面無線控制系統(tǒng)。預(yù)置電纜智能分注工藝管柱由預(yù)置電纜智能配水器、過電纜封隔器、對接裝置母體、對接公頭、電纜、電纜保護(hù)器、井下自發(fā)電裝置、電源管理裝置等組成，如圖1。地面無線控制系統(tǒng)由服務(wù)器、Mcwill網(wǎng)絡(luò)、地面控制箱等組成。

1—過電纜封隔器；2—預(yù)置電纜井智能配注器；3—對接裝置母體；4—對接公頭；5—電源管理裝置；6—電纜；7—井下自發(fā)電裝置。圖1 油管內(nèi)置智能分注管柱結(jié)構(gòu)示意

預(yù)置電纜智能分注技術(shù)利用直徑為3.5 mm的鋼管電纜作為數(shù)據(jù)傳輸、供電的媒介，現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)用電纜連接器實(shí)現(xiàn)與預(yù)置電纜智能配水器的對接，采用電纜保護(hù)器將電纜固定在接箍位置，下入過程中電纜隨油管一同下入直至井口，在井口使用井口固定密封裝置進(jìn)行密封。

技術(shù)原理：油管內(nèi)置電纜分注管柱工具段內(nèi)各配水器采用電纜連接，管柱串外置電纜，最上一級封隔器上連接電纜對接器，井口安裝完成后由電纜攜帶對接裝置公頭插入部分下入指定深度，與電纜對接裝置母體對接成功后，電纜連通即可對預(yù)置電纜井進(jìn)行分層注水，注入水推動(dòng)井下自發(fā)電裝置中的渦輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能；利用連通的電纜將井下自發(fā)電裝置發(fā)出的電能傳輸?shù)街糜诰码娫垂芾硌b置的流量計(jì)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測各注入層壓力水量反饋至地面控制系統(tǒng)[4-6]。

1.1 濕對接裝置

與常規(guī)預(yù)置電纜井油管外置連接工具串的方式不同，本技術(shù)采用預(yù)置電纜井油管內(nèi)連接工具串。電纜對接裝置是電纜油管內(nèi)置技術(shù)的主要構(gòu)成部分，由濕對接公頭和濕對接母體組成 ，濕對接公頭由鋼絲電纜連接打撈頭、加重桿，依靠自重實(shí)現(xiàn)濕對接接頭與母體對接 ；濕對接母體中的彈簧鎖球及膠圈配合實(shí)現(xiàn)密封，通過導(dǎo)電套進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測及通信。濕接頭結(jié)構(gòu)采用一芯航空密封插頭密封芯線，從而提高對接成功率及電氣連接長期密封的穩(wěn)定性。如圖2。

1—鋼絲電纜；2—加重頭；3—打撈桿；4—導(dǎo)電套；5―鎖球；6—導(dǎo)電套；7—丟手主體。圖2 電纜對接裝置示意

1.2 預(yù)置電纜井智能配注器

預(yù)置電纜智能配水器為智能分層注水技術(shù)中的核心工具，主要由控制系統(tǒng)、功能組件及機(jī)械組件3部分組成，其中控制系統(tǒng)由一系列控制電路構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)與地面控制箱通信并將控制信號傳至各功能組件；功能組件包括流量計(jì)、壓力計(jì)、流量控制閥、通信電路電路等；機(jī)械組件包括主體、連接套、下接頭等[7]。如圖3。

1—上接頭；2—流量計(jì)；3—流量控制閥；4—壓力計(jì)；5—集線器；6—下接頭。圖3 預(yù)置電纜智能配水器結(jié)構(gòu)示意

整體結(jié)構(gòu)采用分體設(shè)計(jì)，流量控制閥、流量計(jì)、壓力計(jì)分別組裝在主體上，各部分可獨(dú)立檢測及安裝，組裝效率高，便于問題查找。各模塊端部采用集線器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少密封環(huán)節(jié)，可有效提升工具穩(wěn)定性[8]。正常工作時(shí)，壓力計(jì)和流量計(jì)將測量的單層注入壓力和注入量等數(shù)據(jù)傳送到控制模塊，由控制模塊直接上傳至地面控制箱，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至辦公室，技術(shù)人員可比照單層配注量對流量控制閥進(jìn)行開關(guān)調(diào)整，在預(yù)置電纜智能配水器內(nèi)部流體從濾網(wǎng)進(jìn)入流量計(jì)，流經(jīng)主體的U型通道，受流量控制閥閥芯的控制進(jìn)入地層，通過閥芯的軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單層流量控制。

1.3 過電纜封隔器

過電纜封隔器用于多級分層注水，解決了現(xiàn)場應(yīng)用的多級分層管柱由于多級封隔器串聯(lián)使用時(shí)管柱解封力過大而導(dǎo)致起管困難的問題[9]。封隔器內(nèi)部創(chuàng)新設(shè)計(jì)電纜穿越通道，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電纜的穿層，減少了全井電纜連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量，提高了工藝可靠性，同時(shí)該封隔器具備可洗井功能,如圖4 。工具參數(shù)：封隔器內(nèi)通徑46 mm，坐封壓力15 MPa，承壓15 MPa。

1.4 地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為預(yù)置電纜井智能分層注水技術(shù)中的管理終端，如圖5。建設(shè)中結(jié)合大慶油田自身?xiàng)l件與信息安全的要求，選取現(xiàn)有的油田生產(chǎn)無線網(wǎng)(Mcwill)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，將WEB服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器放置在生產(chǎn)網(wǎng)DMZ區(qū)?，F(xiàn)場為智能注水井安裝無線通信模塊，地面控制箱通過此設(shè)備連接油田生產(chǎn)無線網(wǎng)(Mcwill)，將井下分層數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，企業(yè)網(wǎng)用戶通過防火墻白名單的方式訪問WEB服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)對智能分注井遠(yuǎn)程測調(diào)及數(shù)據(jù)查詢[10]。

1—電纜密封組件；2—洗井機(jī)構(gòu)；3—過電纜通道；4—坐封機(jī)構(gòu)。圖4 過電纜封隔器結(jié)構(gòu)示意

圖5 地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

1.5 配套工具及施工方式優(yōu)化

1.5.1 電纜改進(jìn)

從表1可以看出，由于冷拔成型電纜比較鋒利，而且沒有屏蔽網(wǎng)，在操作過程中電纜容易被割破，造成全井短路。針對上述問題，優(yōu)選焊接成型電纜，并且在絕緣層與鋼管中間加入屏蔽網(wǎng)，能夠有效保護(hù)絕緣層不被割破，提升供電穩(wěn)定性，電纜成本進(jìn)一步降低。

1.5.2 電纜保護(hù)器改進(jìn)

從表2可以看出，鑄造型電纜保護(hù)器雖然操作簡便，但成本較高，因此，優(yōu)選沖壓型電纜保護(hù)器，工藝簡便，成本較低。

表1 工藝電纜升級換代

表2 電纜保護(hù)器升級換代

2 施工工藝

1) 下入工具串。將智能配水器、過電纜封隔器、 井下電源管理裝置、濕對接裝置母體通過油管進(jìn)行連接，油管外壁的電纜也將井下電纜對接裝置母體、井下電源管理裝置和智能配水器連接好，下入到預(yù)定深度。

2) 完成坐封。從油管加壓，釋放過電纜封隔器，再檢測過電纜封隔器釋放位置正確后，過電纜封隔器坐封完成。

3) 完成濕對接。油管內(nèi)電纜依次連接井下自發(fā)電裝置和井下電纜對接裝置公頭，下入油管中，到達(dá)設(shè)計(jì)深度后井下電纜對接裝置公頭與井下電纜對接裝置母體完成對接[11]。

4) 井下自發(fā)電裝置工作。注水工作開始，注入水推動(dòng)井下自發(fā)電裝置中的渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子切割磁力線發(fā)電；井下電纜對接裝置公頭與濕對接裝置母體對接后電纜連通，利用連通的電纜將井下自發(fā)電裝置發(fā)出的電能傳輸?shù)骄码娫垂芾硌b置的電池組中儲存。

5) 井下電源管理裝置工作。井下電源管理裝置穩(wěn)定地為各層段智能配水器提供電力，各層段智能配水器就可以進(jìn)行單層的注水壓力監(jiān)測、流量監(jiān)測，并將采集結(jié)果傳輸給地面。

6) 地面遠(yuǎn)程控制。在辦公室端由技術(shù)人員在服務(wù)器軟件上發(fā)出控制指令，通過油田生產(chǎn)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至地面控制箱，應(yīng)用電纜載波技術(shù)由電纜傳輸指令至預(yù)置電纜智能配水器，與其實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，以獲取井下分層參數(shù)信息，并控制井下分層注入量。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 遠(yuǎn)程流量監(jiān)測試驗(yàn)

對預(yù)置電纜智能分注技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，以G井偏I(xiàn)II層為例，通過連續(xù)監(jiān)測流量、壓力及快速調(diào)整功能，并將采集結(jié)果傳輸給地面，可直觀顯示相關(guān)注水參數(shù)、深入了解分層注水狀況，可得到任意時(shí)間段單層段累計(jì)注入量，為優(yōu)化注水方案提供指導(dǎo)。如圖6。

圖6 G井偏I(xiàn)II層流量監(jiān)測曲線

3.2 注水指示曲線和吸水能力測試

以G井為例，通過控制井口閥門，監(jiān)測流量和嘴前、嘴后壓力變化，可同時(shí)得到常規(guī)注水指示曲線(嘴前壓力)和實(shí)際注水指示曲線(嘴后實(shí)際注水壓力)，能夠更準(zhǔn)確判斷地層吸水能力，確定合理注入方案。如圖7。

圖7 G井壓力流量監(jiān)測和注水指示曲線

3.3 總體試驗(yàn)

目前，大慶油田智能分注在運(yùn)行111口井，為了驗(yàn)證智能分注工藝區(qū)塊整體實(shí)施效果，開辟了3個(gè)試驗(yàn)區(qū)塊，其中采油一廠試驗(yàn)區(qū)共現(xiàn)場試驗(yàn)54口井，全部實(shí)現(xiàn)地面無線遠(yuǎn)程控制，檢配合格率提高13.8%，測試合格率提高3.4%，±20%以內(nèi)精準(zhǔn)配注層占比提高17.0%，如表3。最長運(yùn)行時(shí)間已達(dá)到4 a，最高層段數(shù)7層，實(shí)現(xiàn)了井下分層流量、壓力遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測及連續(xù)調(diào)節(jié)，具備靜壓測試、分層指示曲線測試等功能；7層段井平均單井測調(diào)時(shí)間1 h以內(nèi)，工藝基本定型。

表3 采油一廠試驗(yàn)區(qū)54口井智能測調(diào)完成情況

4 結(jié)論

1) 預(yù)置電纜智能分注技術(shù)可應(yīng)用于需連續(xù)分層監(jiān)測資料的重點(diǎn)監(jiān)測井，實(shí)時(shí)獲取地層壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)，為精細(xì)地質(zhì)分析提供數(shù)據(jù)支持，指導(dǎo)區(qū)塊開發(fā)，有效提高開發(fā)效果。

2) 油管內(nèi)置電纜智能分注技術(shù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)置電纜從井口到工具段電纜油管內(nèi)置，通過井下電纜對接裝置公頭與井下電纜對接裝置母體插入對接方式進(jìn)行供電及通信，工藝穩(wěn)定性好、成功率高。

3) 預(yù)置電纜智能分注技術(shù)改變了傳統(tǒng)的高效測調(diào)方式，測試無需人工參與，能夠有效降低測試工作量，提高注水合格率，為分層注水技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展提供技術(shù)支撐。