渤海油田液壓控制智能分注優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

趙廣淵， 王天慧， 楊樹坤， 李 翔， 呂國勝， 杜曉霞

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

渤海油田已進(jìn)入全面注水開發(fā)階段，注水效果在一定程度上關(guān)系到渤海油田的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。由于常規(guī)投撈式分層注水工藝存在測(cè)調(diào)效率低、占用平臺(tái)作業(yè)井口、不滿足大斜度井應(yīng)用等問題[1–4]，近年來，渤海油田開始了智能分層注水技術(shù)的礦場(chǎng)試驗(yàn)[5–7]。

WellDynamics公司最早研究應(yīng)用液壓控制智能分注技術(shù)，該公司的液壓直驅(qū)控制系統(tǒng)只有開、關(guān)2種狀態(tài)[8]。斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓等知名油服公司采用電液配合或全電控方式實(shí)現(xiàn)了多層控制閥的開關(guān)或調(diào)節(jié)[8–9]。國內(nèi)多位學(xué)者也開展了相關(guān)研究，王海皎[10]研究了一種全電動(dòng)流量控制裝置；楊繼峰[11]設(shè)計(jì)了一種通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器精細(xì)控制流量調(diào)節(jié)的流量控制閥；何東升和王威[12–13]等人利用液壓信號(hào)控制流量，并優(yōu)化了液壓流量控制閥的密封結(jié)構(gòu)；黎偉等人[14]設(shè)計(jì)了一種用于水平井分段壓裂的智能開關(guān)滑套。上述研究多采用電動(dòng)方式控制流量閥，或只對(duì)其控制方式和密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分優(yōu)化，對(duì)液壓控制智能分注技術(shù)的研究較少。

渤海油田于2016年開始應(yīng)用液壓控制智能分層注水技術(shù)，其采用機(jī)械液壓控制方式，井下工具無電子元器件，取得了良好應(yīng)用效果[15–19]。但隨著油藏精細(xì)注水要求不斷提高，逐漸顯現(xiàn)以下問題：1）多層注水井液控管線數(shù)量較多，現(xiàn)場(chǎng)施工難度大；2）液壓控制智能滑套調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)少，只有開、關(guān)和半開3級(jí)開度，不但分層調(diào)配精度低，而且調(diào)配合格率低；3）海上油田小井眼注水井逐年增多，現(xiàn)有注水工具尺寸不滿足要求，技術(shù)推廣受限；4）地面無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下注水情況，無法直觀判斷各層注水情況。

針對(duì)上述問題，在常規(guī)液壓控制智能分注技術(shù)基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化控制方式、井下流量控制閥和流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、分層測(cè)調(diào)方案等，提高了液壓控制智能分注技術(shù)在渤海油田的適用性。

1 液壓控制智能分注技術(shù)

1.1 液壓控制智能分注系統(tǒng)

液壓控制智能分注系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)、可穿越線纜封隔系統(tǒng)、流量控制裝置組成（見圖1）。地面控制系統(tǒng)通過液控管線與井下流量控制裝置連接，可實(shí)現(xiàn)液壓導(dǎo)通與傳遞；可穿越線纜封隔系統(tǒng)既可以穿越液控管線，也可以實(shí)現(xiàn)層間封隔；在液壓作用下，通過地面控制系統(tǒng)控制流量控制裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)水嘴開度，實(shí)現(xiàn)地面或遠(yuǎn)程對(duì)井下各層注水量的調(diào)控，從而完成分層配注。

圖1 液壓控制智能分注系統(tǒng)Fig.1 Intelligent water injection system with hydraulic control

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

液壓控制智能分注技術(shù)可實(shí)現(xiàn)流量控制閥在線控制，可適應(yīng)井下復(fù)雜工況，通過定位換向機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)井下注水流量。渤海油田液壓控制智能分注技術(shù)具有以下主要技術(shù)特點(diǎn)：

1）不占用海上平臺(tái)作業(yè)井口。渤海油田已進(jìn)入高采出程度、高含水階段，為了穩(wěn)定產(chǎn)量，油水井作業(yè)量較大，而海上平臺(tái)空間有限，作業(yè)窗口緊張。液壓控制智能分注技術(shù)可通過地面控制系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)各層的配注量，節(jié)省作業(yè)井口空間。

2）滿足大斜度井和水平井應(yīng)用要求。渤海油田大斜度井和水平井占比較高，鋼絲投撈或電纜測(cè)調(diào)技術(shù)適應(yīng)性較差。液壓控制智能分注技術(shù)通過液控管線連通地面控制系統(tǒng)與井下流量控制閥，實(shí)現(xiàn)了在線控制，不受井斜限制。

3）測(cè)調(diào)效率高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過地面控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)一體控制，操作便捷，調(diào)節(jié)控制效率高。地面控制系統(tǒng)可通過無線通信設(shè)備，與海上平臺(tái)中央控制室的計(jì)算機(jī)相連，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)井下流量控制閥的開度。

2 液壓控制工藝優(yōu)化

2.1 控制方式

常規(guī)液壓控制智能分注工藝采用“N+1”控制模式，通過N+1條液控管線控制井下N層分層注水。該模式操作簡(jiǎn)單，一般適用于分層數(shù)較少（≤4層）的注水井。對(duì)于分層數(shù)較多（≥4層）的注水井，采用此控制方式所需液控管線數(shù)量較多，施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)高，適用性低。為此，研制出“3-2”控制方式的數(shù)字解碼器，提高了分層注水層數(shù)。

2.1.1 控制原理

“3-2”控制方式將每個(gè)流量控制閥與數(shù)字解碼器串聯(lián)，通過液控管線增壓、穩(wěn)壓、泄壓順序的變化識(shí)別并選擇不同層位，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)流量控制閥水嘴的開度，實(shí)現(xiàn)3條液控管線控制井下6層的配注量。

控制流程通過液控管線編號(hào)與壓力控制順序排列組合實(shí)現(xiàn)（見圖2），1#液控管線與數(shù)字解碼器關(guān)閉口連接；2#液控管線與數(shù)字解碼器增壓口和數(shù)字解碼器流量控制閥關(guān)閉口連接；3#液控管線與數(shù)字解碼器穩(wěn)壓口和數(shù)字解碼器流量控制閥開啟口連接。通過地面控制柜給出開啟數(shù)字解碼器指令時(shí)，經(jīng)3#液控管線穩(wěn)壓、2#液控管線增壓，數(shù)字解碼器開啟，壓力傳導(dǎo)通道開啟；此時(shí)，通過2#、3#液控管線增壓，可實(shí)現(xiàn)流量控制閥的開啟與關(guān)閉，達(dá)到換向調(diào)節(jié)目的；最后，1#液控管線增壓，數(shù)字解碼器關(guān)閉，壓力傳導(dǎo)通道關(guān)閉。

圖2 “3-2”控制方式原理示意Fig.2 “3-2” control principle

2.1.2 數(shù)字解碼器

數(shù)字解碼器是實(shí)現(xiàn)井下層位智能選擇與液壓傳導(dǎo)的裝置（見圖3），其本體材質(zhì)為42CrMo，工作壓力為35 MPa，由1個(gè)常開二位二通閥和1個(gè)常閉二位二通閥組成，利用“3-2”控制方式與井下流量控制閥配合，以3條液控管線分層控制調(diào)節(jié)6層的注水量。渤海油田注水井多采用篩管防砂完井，常用防砂管柱的內(nèi)徑為 120.7，101.6，98.6 和 82.6 mm。為滿足上述內(nèi)徑防砂管要求，分別配套了?117.0和?80.0 mm 的數(shù)字解碼器。

圖3 數(shù)字解碼器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of digital decoder

2.2 流量控制閥

渤海油田注水井分注層數(shù)多，多采用?177.8 mm套管完井，下入內(nèi)徑82.6 mm防砂管柱。針對(duì)流量控制閥水嘴調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)少、不適用于小井眼等問題，研制了適用于不同內(nèi)徑防砂管柱的流量控制閥。

流量控制閥通過開啟和關(guān)閉總成間的壓差，推動(dòng)密封軸套上下滑動(dòng)，改變其與可調(diào)水嘴的重疊面積，實(shí)現(xiàn)水嘴開度調(diào)節(jié)（見圖4）。密封軸套的滑動(dòng)由導(dǎo)向銷釘在定位換向機(jī)構(gòu)中限定，實(shí)現(xiàn)多級(jí)控制的關(guān)鍵在于定位換向機(jī)構(gòu)。

圖4 井下多級(jí)流量控制閥Fig.4 Downhole multistage flow control valve

流量控制閥本體材質(zhì)為42CrMo，導(dǎo)向銷釘和定位換向槽采用硬質(zhì)合金，提高其抗研磨性能。優(yōu)化定位換向槽尺寸，將?118.0 mm流量控制閥調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)增大至 11 級(jí)，?95.0、?80.0 mm 流量控制閥調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)增大至7級(jí)（見圖5）。其中，水嘴開啟定位槽長(zhǎng)度不同，而水嘴關(guān)閉定位槽長(zhǎng)度一致，導(dǎo)向銷釘在水嘴開啟定位換向槽中移動(dòng)時(shí)，水嘴開啟定位槽越長(zhǎng)，水嘴開度越大；當(dāng)導(dǎo)向銷釘位于水嘴關(guān)閉定位槽時(shí)，水嘴處于關(guān)閉狀態(tài)；每切換一級(jí)水嘴開度，均要經(jīng)過水嘴關(guān)閉狀態(tài)。采用金屬對(duì)金屬的密封方式，保證流量控制閥水嘴在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的密封效果。優(yōu)化后井下多級(jí)流量控制閥工作壓力為35 MPa，密封件可耐溫200 ℃，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 井下多級(jí)流量控制閥技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of a downhole multistage flow control valve

圖5 7級(jí)調(diào)節(jié)定位換向槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Designed structure of the location reversing slot of 7-stage adjustment

2.3 大排量渦街流量計(jì)

考慮井下高溫、高壓、出砂、油污和空間狹小等惡劣工況，研制了測(cè)試結(jié)果不受介質(zhì)影響、穩(wěn)定性高的大排量渦街流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各層注水量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)。被測(cè)介質(zhì)經(jīng)過漩渦發(fā)生體后，分離產(chǎn)生兩排穩(wěn)定漩渦，漩渦分離頻率與當(dāng)前流速成比例關(guān)系，通過置于漩渦場(chǎng)中的感應(yīng)探頭進(jìn)行檢測(cè)，將振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出當(dāng)前流量。

為適應(yīng)渤海油田注水排量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)渦街流量計(jì)時(shí)，將?15.0 mm旁通測(cè)試通道用于流量測(cè)試，既保證了主流道尺寸，又充分考慮了測(cè)試通道的過流性能，防止注入水中的雜質(zhì)影響測(cè)試精度（見圖6）。該測(cè)試方式量程比大，可滿足不同排量測(cè)試精度；測(cè)試電路程序采用多段標(biāo)定模型，根據(jù)測(cè)試流量范圍校正旁通測(cè)試通道流量，測(cè)試精度可達(dá)95%。多層注水井需每層安裝1套大排量渦街流量計(jì)，采用遞減法計(jì)算各層注水量。大排量渦街流量計(jì)本體材質(zhì)采用42CrMo，工作壓力為35 MPa，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖6 大排量渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of a vortex-shedding flowmeter for high flow rate

表2 大排量渦街流量計(jì)技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of a vortex-shedding flowmeter for high flow rate

2.4 測(cè)調(diào)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)井下有無配套流量計(jì)，設(shè)計(jì)了模糊測(cè)調(diào)和精確測(cè)調(diào)2種測(cè)調(diào)方案。

2.4.1 模糊測(cè)調(diào)

模糊測(cè)調(diào)的原理同嘴損曲線法[20]，以2層分注為例，具體測(cè)調(diào)流程如下：

1）各層選定水嘴級(jí)位，測(cè)試分層注水指示曲線；

2）根據(jù)分層注水指示曲線計(jì)算各層配注量對(duì)應(yīng)的井口注入壓力ph；

3）查閱各層水嘴嘴損圖版，計(jì)算各層配注量下的地層注入壓力pwf：

式中：pwf為地層注入壓力，MPa；ph為井口注入壓力，MPa；pw為靜液柱壓力，MPa；pp為管柱壓力損失，MPa；pb為嘴損，MPa。

4）根據(jù)式（1），查閱嘴損曲線圖版，選擇配注量對(duì)應(yīng)控制閥水嘴級(jí)位，進(jìn)行配注。

多層分注可參照此測(cè)調(diào)流程進(jìn)行。

2.4.2 精確測(cè)調(diào)

地面控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示井下各層注水量、管內(nèi)壓力、地層注入壓力和溫度等參數(shù)，根據(jù)各層地層注入壓力和水嘴級(jí)位，結(jié)合式（2）查閱嘴損圖版，即可得到滿足配注量對(duì)應(yīng)的水嘴級(jí)位，直接調(diào)節(jié)各層流量控制閥，調(diào)配效率高。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2016～2018 年，渤海油田實(shí)施液壓控制智能分注的注水井，分注層數(shù)均為2層，防砂管柱最小內(nèi)徑為120.7和100.6 mm。自2019年起，液壓控制智能分注優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)已在渤海油田累計(jì)應(yīng)用20井次，其中在防砂管柱內(nèi)徑為82.6 mm的小井眼應(yīng)用3井次，最大分注層數(shù)4層，最大井斜角75.26°，目前注水管柱工作正常，液壓控制智能分注系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，井下流量控制閥開關(guān)靈活，分注工具性能可靠，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了井下各層注水流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了層間封隔器在線驗(yàn)封及各層配注量的測(cè)調(diào)，驗(yàn)證了其在小井眼和大斜度井中的適用性。下面以A井為例，具體介紹應(yīng)用情況。

A井2002年8月11日投產(chǎn)，射開明化鎮(zhèn)組Ⅱ（NmⅡ）油組和Ⅳ（NmⅣ）油組，2個(gè)油組單獨(dú)防砂。2015年8月，為完善注采井網(wǎng)，實(shí)施轉(zhuǎn)注作業(yè)，將NmⅡ油組細(xì)分為2段注水，全井共3段注水，鋼絲投撈分注測(cè)調(diào)需用時(shí)2.5 d。2016—2018年，因平臺(tái)作業(yè)量大，A井每年測(cè)調(diào)2次，測(cè)試數(shù)據(jù)獲取頻次低，對(duì)各層位注水情況認(rèn)識(shí)不清。

為了提高測(cè)調(diào)效率，實(shí)現(xiàn)井下注水情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，2019年10月，下入液壓控制智能分層注水管柱，管柱結(jié)構(gòu)為頂部封隔器+ 1#渦街流量計(jì)+ 1#多級(jí)流量控制閥+ 2#隔離封隔器+ 2#渦街流量計(jì)+ 2#多級(jí)流量控制閥+ 3#隔離封隔器+ 3#渦街流量計(jì)+3#多級(jí)流量控制閥。分3層注水，每層多級(jí)流量控制閥控制級(jí)數(shù)為11級(jí)，采用大排量渦街流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下流量、壓力等數(shù)據(jù)。

注水管柱下入初期，P1層防砂段單獨(dú)注水，配注量300 m3/d。分層注水管柱下到位后，封隔器坐封，開啟P2層多級(jí)流量控制閥，關(guān)閉P1、P3層多級(jí)流量控制閥，從油管階梯試壓，僅管內(nèi)壓力有階梯變化，地層注入壓力無明顯變化，說明2#、3#隔離封隔器層間封隔情況良好，流量計(jì)壓力測(cè)試正常。A井恢復(fù)注水后，對(duì)比P1層流量計(jì)測(cè)試流量與該井地面流量計(jì)測(cè)試流量，流量測(cè)試誤差小于2%，且管內(nèi)壓力和地層注入壓力顯示正常（見表3），驗(yàn)證了大排量渦街流量計(jì)的可靠性。

表3 A井流量計(jì)測(cè)試結(jié)果Table 3 Test data of flowmeters in Well A

2020年2 月，A井P1層、P2層和P3層的配注量分別為300，150和500 m3/d，讀取大排量渦街流量計(jì)測(cè)試的地層注入壓力，通過計(jì)算P1、P2和P3層流量控制閥水嘴級(jí)位選擇3，6和10，再通過大排量渦街流量計(jì)測(cè)試井下各層注水流量，以保證滿足配注量要求，整個(gè)作業(yè)過程歷時(shí)1 d。

截至2021年3月，A井液壓控制智能分層注水管柱工作正常，流量控制閥累計(jì)調(diào)節(jié)185次，平均測(cè)調(diào)用時(shí)0.8 d，流量控制閥可靠性得到驗(yàn)證，大排量渦街流量計(jì)測(cè)試精度和測(cè)調(diào)效率等均有所提升。

4 結(jié)論與建議

1）針對(duì)渤海油田常規(guī)液壓控制智能分層注水工藝分注層數(shù)少、不滿足小井眼應(yīng)用需求等問題，研制了數(shù)字解碼器、適用于小井眼的多級(jí)流量控制閥，實(shí)現(xiàn)最大注水分層數(shù)6層，最大調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)11級(jí)，提高了注水調(diào)節(jié)精度；配套研制了大排量渦街流量計(jì)，測(cè)試精度可達(dá)95%，實(shí)現(xiàn)了地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各層注水?dāng)?shù)據(jù)、配注量的精確測(cè)調(diào)，提高了調(diào)配效率。

2）液壓控制智能分層注水優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)已在渤海油田累計(jì)應(yīng)用20井次，累計(jì)完成測(cè)調(diào)作業(yè)40余井次，平均單井測(cè)調(diào)周期縮短至1 d，測(cè)調(diào)效率比鋼絲投撈分注提高60%，工具的可靠性、測(cè)調(diào)效率、測(cè)試精度均得到了驗(yàn)證。

3）基于渤海油田智能分層注水技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，建議加強(qiáng)井下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化測(cè)調(diào)方面的研究，同時(shí)進(jìn)一步研究采用壓力波、聲波、單芯電纜等控制方式的智能分注技術(shù)，并著重提高智能分注井下工具的可靠性。