橋式同心分注井驗封測調(diào)一體化工具研制及應用

李鵬偉，王建寧，姜 燕，蘇 毅，張 旭，趙 非，陳軍政

(1.中國石油華北油田分公司 工程技術研究院,河北 任丘062552；2.中國石油集團測井有限公司 華北分公司,河北 任丘062552)

華北油田的儲層屬于砂巖油藏，以復雜斷塊油藏和低滲透油藏為主，含油井段長，砂體復雜，層間、平面非均質(zhì)性嚴重，水驅(qū)儲量動用程度低，分層注水成了油田長期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要技術手段。按照注水生產(chǎn)管理規(guī)定，分注井每季度需驗封測調(diào)1次。在進行驗封測調(diào)作業(yè)過程中，需依次下入測調(diào)儀、驗封儀，進行流量檢配、封隔器驗封和注水量調(diào)配等，工序復雜，占井周期長。隨著分注井逐年增多，驗封、測調(diào)工作量和費用逐年增加[1-2]。在油田提質(zhì)增效大環(huán)境下，迫切需要研究更先進的分注井驗封測調(diào)工藝，簡化測調(diào)工序，降低生產(chǎn)成本，提高工作效率和開發(fā)效益[3-4]。

常規(guī)的測調(diào)工藝采油鋼絲投勞水嘴的方式進行，存在投撈成功率較低、測調(diào)效率低、層段合格率低、分注管柱有效期較短等問題[5-6]。國外主要采用多管進行分層注水，并在井口進行調(diào)配，因此沒有配套的注水井井下流量調(diào)配技術[7-9]。國內(nèi)相對成熟的測調(diào)一體化分層注水技術主要有橋式偏心測調(diào)注水技術和同心測調(diào)一體化注水技術[10-12]。

1) 驗封測調(diào)一體化測試儀。設計了定位器、調(diào)節(jié)器和驗封短節(jié)，采用雙電機和雙齒輪反向傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了單支儀器具有檢配、驗封、測調(diào)的功能，并獨立控制。

2) 驗封測調(diào)一體配水器。設計了定位機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、驗封機構(gòu)，實現(xiàn)與測試儀結(jié)構(gòu)和功能的配伍。

3) 驗封測調(diào)一體化控制軟件。可通過按鈕和數(shù)值輸入等方式實現(xiàn)驗封測調(diào)控制功能，并可顯示相應的曲線和圖表。

1 橋式同心分注井驗封測調(diào)一體化測試儀

1.1 總體結(jié)構(gòu)

隨著油田開發(fā)進入中后期，儲層層間矛盾日益加劇，精細注水作為油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要措施，在油田開發(fā)中的地位越來越重要。目前，華北油田以第三代精細分注工藝為主，在改善注水井吸水剖面，減緩油藏自然遞減率，提高水驅(qū)動用程度等方面效果顯著。但從分注工藝角度分析，華北油田應用橋式同心分注工藝較多，占總分注井數(shù)的1/3，日常測試工作量較大，為了減小施工工作量和費用，需開展驗封測調(diào)一體化技術研究。主要思路是不起原井管柱，保留井下工具，重點針對測試儀開展研究。為進一步說明驗封測調(diào)一體化測試儀的功能及結(jié)構(gòu)，首先分析常規(guī)同心配水器結(jié)構(gòu)特點和測試需求，如圖1所示。

圖1 橋式同心配水器結(jié)構(gòu)和功能示意

根據(jù)配水器結(jié)構(gòu)及尺寸需求，設計驗封測調(diào)一體化測試儀的外徑42 mm，總長185 cm，集數(shù)據(jù)和機械控制于一體。根據(jù)測試需求，將測試儀上部設計為電信控制區(qū)，下部為機械控制區(qū)。電信控制區(qū)主要完成地面控制命令識別、生產(chǎn)參數(shù)采集以及電力傳輸。如圖2所示。

圖2 同心驗封測調(diào)一體化測試儀結(jié)構(gòu)

機械控制部分主要由定位器、調(diào)節(jié)器和驗封短節(jié)組成，如圖3所示。定位器用于將測試儀錨定在配水器上。調(diào)節(jié)器用于轉(zhuǎn)動配水器水嘴。驗封短節(jié)上有2組膠筒，用于密封配水器水嘴段。為了實現(xiàn)驗封和測調(diào)動作獨立控制，并自由切換，采用雙電機控制結(jié)構(gòu)。將調(diào)節(jié)電機設計于定位器上端，控制調(diào)節(jié)器和定位器動作；驗封電機設計于最下端，控制驗封短節(jié)動作。該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)驗封和測調(diào)功能集成于一體。

以護理前后ADL評分、FMA評分為評比項進行對比。日常生活活動能力（ADL）評分，總分100分，＞61分表示日常生活活動能力有輕度的功能損害，41～60分表示中度損害，＜40分表示重度損害。簡式Fugl－Meyer評測法（FMA）評分，進行上肢、下肢運動功能的評定，運動功能程度與分數(shù)呈正相關。

圖3 同心驗封測調(diào)一體化測試儀機械控制部分結(jié)構(gòu)示意

1.2 雙齒輪反向傳動結(jié)構(gòu)

由于驗封測調(diào)一體化測試儀外徑只有42 mm，定位器閉合狀態(tài)下內(nèi)徑只有30 mm，內(nèi)部還要通過調(diào)節(jié)器的傳動軸。為了保障調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩，要求傳動軸的直徑≥20 mm。因此，局部空間較小，使驗封電機的電線路穿越受到制約。為了實現(xiàn)機械轉(zhuǎn)動與數(shù)據(jù)傳輸同時進行，設計了雙齒輪反向傳動結(jié)構(gòu)，如圖4所示，調(diào)節(jié)電機通過齒輪組將動力傳至下部傳動軸，進而通過調(diào)節(jié)器完成水嘴的調(diào)節(jié)。同時將驗封短節(jié)動力電線及通訊電線從傳動軸內(nèi)部穿越，實現(xiàn)對驗封電機的控制。最終實現(xiàn)測試儀一體化測調(diào)與驗封控制。

圖4 同心驗封測調(diào)一體化測雙齒輪反向傳動機構(gòu)示意

1.3 功能試驗及結(jié)構(gòu)改進

對驗封測調(diào)一體化測試儀進行了室內(nèi)調(diào)試試驗。在室內(nèi)試驗過程中，由于測試儀的定位器、調(diào)節(jié)器與驗封短節(jié)之間的間距較小，而傳動軸內(nèi)部的電線較多、布局復雜，導致調(diào)節(jié)器在轉(zhuǎn)動過程中傳動軸內(nèi)的電線折損、短路，測試成功率較低。另外，調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩較小。圖5為驗封測調(diào)一體化測試儀與同心配水器對接工況下的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 測試儀與同心配水器對接示意

根據(jù)試驗中出現(xiàn)的問題，有針對性地對測試儀做進一步改進(如圖6所示)。

a 改進前

1) 調(diào)節(jié)器。增加功能部件間隔，減小調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動時對內(nèi)部電線的影響。將調(diào)節(jié)器置于驗封短節(jié)下部，不再受定位器尺寸影響。為調(diào)節(jié)器設計更大直徑的傳動軸。

2) 調(diào)節(jié)器電機。將調(diào)節(jié)器電機置于測調(diào)儀末端。由于傳動軸直徑增加，擴大了內(nèi)部穿越電線的孔徑，并增加了電線保護管，避免了電線損壞和短路。

3) 減速器。在調(diào)節(jié)電機上增加減速器，控制調(diào)節(jié)器輸出不同轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)高壓差環(huán)境下開啟水嘴。

4) 驗封電機。合理分布功能部件結(jié)構(gòu)，將驗封短節(jié)電機置于定位器上端。

2 橋式同心分注井驗封測調(diào)一體化配水器

根據(jù)同心一體化測試儀功能結(jié)構(gòu)布局，設計了新型同心配水器，包括與一體化測試儀配合的定位機構(gòu)、驗封機構(gòu)和傳動機構(gòu)，如圖7所示。將傳動機構(gòu)設計于驗封機構(gòu)下端，反向旋轉(zhuǎn)帶動水嘴向下移動并開啟。

圖7 驗封測條一體化配水器結(jié)構(gòu)示意

1) 解決水嘴套問題。之前的水嘴套固定在傳動軸上，測調(diào)時一起轉(zhuǎn)動，與相應膠圈既有橫向滾動摩擦，又有軸向滑動摩擦，摩擦力較大。設計的水嘴套與傳動軸相互不固定，采用壓環(huán)約束，調(diào)節(jié)時不隨傳動軸轉(zhuǎn)動，與膠圈僅為滑動摩擦，較小了阻力，利于水嘴開啟。

2) 進行材料替換。優(yōu)選硬質(zhì)合金代替陶瓷作為水嘴材料，提高其耐溫、耐酸性能，滿足分酸分注需求。

3) 設計傳動軸防脫扣結(jié)構(gòu)。測調(diào)儀開水嘴時調(diào)節(jié)器先落入正切槽，配水器的傳動軸向下移動。水嘴完成開啟后，調(diào)節(jié)器落入反切槽而無法錨定，打滑空轉(zhuǎn)，防止繼續(xù)開啟水嘴和造成脫扣現(xiàn)象。

3 驗封測調(diào)一體化控制軟件

為了實現(xiàn)測試儀一體化控制，優(yōu)化了地面控制器。在控制面板上增加驗封、測調(diào)控制切換按鈕，功能切換后再通過控制正負調(diào)節(jié)按鈕完成驗封和測調(diào)動作。增加通信接口，分別為程序和數(shù)據(jù)接口，與計算機相連，并傳送控制指令，并讀取井下儀器的測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場測試需求，設計驗封測調(diào)一體化控制軟件，可將多項控制功能集成到1套控制系統(tǒng)。通過按鈕和數(shù)值輸入等方式實現(xiàn)測調(diào)驗封。系統(tǒng)界面包括定位器張收臂控制、測調(diào)控制、驗封控制、水嘴開度控制等，還可以生成相應的測試曲線和圖表。軟件界面如圖8所示。

圖8 驗封測條一體化儀測控軟件界面

4 耐溫耐壓試驗

由于驗封測調(diào)一體化測試儀和配水器要在高溫、高壓環(huán)境中工作，其性能可靠性直接關系到驗封測調(diào)工藝的效果，需要通過室內(nèi)試驗來檢驗其性能指標，即，耐溫、耐壓性能，測試儀與配水器配合及調(diào)節(jié)性能。

1) 耐溫試驗。

在室內(nèi)分別對驗封測調(diào)一體化測試儀和配水器進行高溫油浸試驗。將儀器置于高溫油浸工作筒中，分別在50、80、120、150 ℃溫度下測試其耐溫性能。高溫油浸試驗結(jié)果如表1所示。

表1 高溫油浸試驗數(shù)據(jù)

2) 耐壓試驗。

為了檢驗其耐壓差性能，分別將驗封測調(diào)一體化測試儀和配水器置于高壓工作筒中進行內(nèi)外壓力試驗。耐壓試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 耐壓試驗數(shù)據(jù)

經(jīng)過對驗封測調(diào)一體化測試儀和配水器進行油浸測試、耐壓測試及調(diào)配測試，對接及調(diào)試試驗，各項指標均達到了相關技術要求，能夠滿足現(xiàn)場應用的需求。

5 應用情況及效果評價

在華北油田第一采油廠選取10口井，進行驗封測調(diào)一體化測試儀和配水器的現(xiàn)場應用試驗。

以馬xx井為例，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如圖9～10所示。一體化測試儀與配水器良好對接，并一次下入完成了檢配、驗封和測調(diào)工序。首先完成檢配工序，用時25 min。然后完成驗封工序，用時30 min。最后完成調(diào)配工序，用時15 min。起下工具并完成3項工序僅需要4 h，較常規(guī)方法節(jié)省約3 h，充分驗證了驗封測調(diào)一體化技術的效率。

a 馬xx井檢配實測曲線

圖10 馬xx井驗封曲線

該驗封測調(diào)一體化工藝與常規(guī)測調(diào)工藝進行比較，在測試工序、測試費用、測試時間3個方面都有優(yōu)勢。現(xiàn)場驗封測調(diào)工藝對比如表3所示。分注井驗封測調(diào)一體化工藝技術在10口井應用，施工成功率100%，單井單次作業(yè)時間可節(jié)省4～5 h，提高效率50%左右，節(jié)省費用約￥1.5萬元，每年可節(jié)省費用￥6萬元，使施工工序簡化、作業(yè)成本降低、工作效率提高，有較大的推廣價值。

表3 現(xiàn)場驗封測調(diào)工藝及參數(shù)對比

6 結(jié)論

1) 針對目前分注井驗封測調(diào)方法存在的工序復雜，工作量大，占井周期長，費用高，生產(chǎn)效益低等問題，創(chuàng)新研發(fā)分注井驗封測調(diào)一體化測試儀，實現(xiàn)分注井測調(diào)壓力同步錄取、溫度流量實時監(jiān)測、水嘴連續(xù)可調(diào)及驗封功能；創(chuàng)新研發(fā)分注井驗封測調(diào)一體化配水器，實現(xiàn)與驗封測調(diào)一體化測試儀結(jié)構(gòu)和功能的配伍；創(chuàng)新研發(fā)驗封測調(diào)一體化控制軟件，將多項控制功能集成到一套控制系統(tǒng)。

2) 研發(fā)分注井驗封測調(diào)一體化測試儀、配水器和控制軟件，形成了適合華北油田的分注井驗封測調(diào)一體化技術，實現(xiàn)單支測試儀1次下井便完成檢配、驗封、測調(diào)功能，簡化施工工序、降低成本、提高工作效率，基本能夠?qū)崿F(xiàn)精細高效測調(diào)的目的。為華北油田提質(zhì)增效工作開展提供了技術支撐，有利于驗封測調(diào)一體化分注技術的大面積推廣應用。