小通徑注水井測(cè)調(diào)一體化分注技術(shù)研究及應(yīng)用

孟祥海， 劉義剛， 陳 征， 張 樂， 藍(lán) 飛， 張志熊， 陳華興

中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司

0 引言

渤海油田絕大部分油藏具有儲(chǔ)層跨距大、小層多、非均質(zhì)性突出等特點(diǎn)[1- 7]，分層注水開發(fā)是確保渤海油田長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要開發(fā)方式[8]，目前有分層注水井750余口，這些分注井的內(nèi)通徑有120.65 mm、101.6 mm、98.55 mm、82.55 mm四種尺寸[9- 10]，其中82.55 mm為最小內(nèi)通徑尺寸。內(nèi)通徑為82.55 mm的小通徑分注井目前有108口，隨著海上油田側(cè)鉆井、套管補(bǔ)貼井以及油井轉(zhuǎn)注需求的增加，小通徑注水井勢(shì)必逐漸增多，未來將成為海上油田很重要的一類分層注水井。

目前小通徑分注井只能采用同心集成分層注水和一投三分注水工藝，通過鋼絲多趟投撈作業(yè)實(shí)現(xiàn)多層段分層測(cè)調(diào)，調(diào)配耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，占用海上平臺(tái)正常生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，且注水分層段數(shù)受限在三層以內(nèi)，無法滿足渤海油田精細(xì)化注水要求[11- 15]。邊測(cè)邊調(diào)分注工藝、電纜永置智能測(cè)調(diào)分注工藝和無纜智能測(cè)調(diào)分注工藝等高效測(cè)調(diào)分注工藝目前只適用于101.6 mm以上內(nèi)通徑尺寸的注水井，缺乏適用于82.55 mm小通徑分注井的高效測(cè)調(diào)分層注水工藝[16- 18]，亟待研究。鑒于電纜永置等智能測(cè)調(diào)分注工藝目前仍處于解決其高故障率的攻堅(jiān)階段，因此，本文對(duì)小通徑分注井邊測(cè)邊調(diào)工藝技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，形成了適用的驗(yàn)封測(cè)調(diào)注水工作筒及配套工具，滿足了渤海油田小通徑分注井由傳統(tǒng)分注工藝向智能分注工藝過渡階段的高效測(cè)調(diào)需求。

1 小通徑驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注工藝系統(tǒng)

小通徑注水井驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注工藝系統(tǒng)包括井下供電及信號(hào)傳輸系統(tǒng)與測(cè)調(diào)系統(tǒng)。井下電纜供電通過單片機(jī)和D觸發(fā)器控制繼電器的通斷來為地面控制器供電；信號(hào)傳輸采用單電纜多頻段載波的方式，通過二進(jìn)制編碼方式進(jìn)行傳輸；信號(hào)通訊分為信號(hào)發(fā)送、信號(hào)接收和上位機(jī)通訊三個(gè)部分。

主要工作原理為:通過插入密封與封隔器的配合完成層間密封，利用注水測(cè)調(diào)儀器檢測(cè)井底溫度、壓力、流量參數(shù)，地面控制設(shè)備對(duì)井底參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，通過地面控制器控制注水測(cè)調(diào)儀器，調(diào)節(jié)注水工作筒工作水嘴的大小，改變各地層注入量大小，提高分注效率?；跍y(cè)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化以及關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)，最小通徑驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注工藝系統(tǒng)突破了注水層數(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)一趟電纜完成所有驗(yàn)封與調(diào)配作業(yè)，且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各注水層位的溫度、流量以及壓力等數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水嘴大小。

2 關(guān)鍵工具及工藝設(shè)計(jì)

2.1 驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注管柱設(shè)計(jì)

?82.55 mm小通徑驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注管柱采用一個(gè)工作筒對(duì)應(yīng)一個(gè)油層的方案，如圖1所示。整個(gè)管柱主要由以下部分組成：①油管。滿足井筒尺寸條件下，盡量選擇大的注水通道，減小摩阻；②安全閥。井控工具，防止井噴、井涌，可迅速關(guān)閉注水管柱；③滑套。提供洗井通道以及修井作業(yè)中循環(huán)壓井；④頂封和定位密封(或頂部封隔器)。分隔注水段和上部套管環(huán)空，使整個(gè)管柱在此定位。完井后下壓一定噸位，防止管柱的蠕動(dòng)給注水管柱帶來不利影響，延長(zhǎng)管柱壽命；⑤測(cè)調(diào)一體化工作筒。控制當(dāng)前層的注水量。設(shè)有定位對(duì)接機(jī)構(gòu)和可調(diào)水嘴，起到與測(cè)調(diào)儀器的對(duì)接定位并控制注水層水量的作用；⑥隔離封隔器和插入密封。層與層之間的隔離密封；⑦單流閥(或絲堵)。不考慮反洗井則可將單流閥換成絲堵。

圖1 ?82.55 mm小通徑驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注工藝及管柱系統(tǒng)

圖1所示小通徑驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注管柱采用電動(dòng)驗(yàn)封儀器，電動(dòng)驗(yàn)封儀器可地面直讀驗(yàn)封數(shù)據(jù)，管柱驗(yàn)封后，將驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化儀器下入井下至最下一級(jí)注水工作筒，通過地面控制器控制測(cè)調(diào)儀與注水工作筒對(duì)接，測(cè)試測(cè)量工作筒內(nèi)流量參數(shù)；上提注水測(cè)調(diào)儀至上一級(jí)注水工作筒上部，下放測(cè)調(diào)儀與上一級(jí)注水工作筒對(duì)接，檢測(cè)通過上一級(jí)注水工作筒的流量，利用遞減法計(jì)算，可得出當(dāng)前兩層的注入量。以此類推，注水測(cè)調(diào)儀器逐級(jí)上提測(cè)量各層段流量參數(shù)，減少重復(fù)作業(yè)。

2.2 測(cè)調(diào)工作筒設(shè)計(jì)

?82.55 mm小通徑注水井驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注工作筒(圖2)設(shè)計(jì)采用固定于工作筒內(nèi)部的可調(diào)水嘴實(shí)現(xiàn)地層的分層調(diào)配。為解決小通徑密封筒注水井預(yù)留尺寸較小的問題，對(duì)測(cè)調(diào)工作筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用同心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上部設(shè)置連接油管扣，型號(hào)為?73.02 mm NUB×NUP；為實(shí)現(xiàn)多層測(cè)調(diào)分注功能，密封筒中部開設(shè)橋式通道雙流道和中心通道，在裝置下部安裝固定水嘴和活動(dòng)水嘴，通過組件軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)水嘴軸向移動(dòng)的靈活控制。

1.上接頭;2.“O”型密封圈;3.外筒;4.擋砂圈;5.調(diào)節(jié)軸套組件;6.“O”型密封圈;7.固定水嘴轉(zhuǎn)件;8.“O”型密封圈;9.下接頭。

主要技術(shù)參數(shù)：長(zhǎng)度756 mm，最大外徑80 mm，最小內(nèi)徑46 mm，最大單層排量1 000 m3/d，耐溫-40～150 ℃，耐壓等級(jí)50 MPa。

工作筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，內(nèi)部注入水流道主要為中心通道和橋式通道，二者均可實(shí)現(xiàn)地層多層注水，橋式通道還兼具平衡水嘴前后兩側(cè)壓力的作用。工作筒在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，分別對(duì)內(nèi)部?jī)商幬恢眠M(jìn)行中心通道與橋式通道優(yōu)化，首先是上接頭與外筒連接處，上接頭內(nèi)部中心管作為整個(gè)工作筒的中心通道，外筒與上接頭連接后形成的環(huán)空作為該處的橋式通道，橋式通道與中心通道由上接頭旋轉(zhuǎn)槽聯(lián)通；其次是在固定水嘴處設(shè)置一體式橋式通道。中心通道與橋式通道的設(shè)計(jì)采用軸套式結(jié)構(gòu)，具有設(shè)計(jì)尺寸小、橋式通道空間大的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化工具設(shè)計(jì)

驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化儀器是小通徑注水井驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注工藝的關(guān)鍵井下工具，其主要作用是監(jiān)測(cè)井下各地層溫度、流量、壓力等參數(shù)，同時(shí)調(diào)配各地層分層注水量，針對(duì)小通徑注水井井下空間的限制，研制了一種新型同心驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀，如圖3所示。

圖3 驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化工具示意圖

該同心驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀整體采用短節(jié)式分體設(shè)計(jì)，上部為流量短節(jié)，中部為測(cè)調(diào)控制短節(jié)，下部為驗(yàn)封短節(jié)，各部分均可獨(dú)立工作，測(cè)調(diào)控制短節(jié)可以通過串口與上下短節(jié)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，然后通過單芯電纜將信號(hào)傳輸至地面控制器，兼具驗(yàn)封與測(cè)調(diào)功能。

該驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀最大外徑42 mm，工作溫度范圍為-40～50 ℃，最高耐壓60 MPa，流量測(cè)量范圍10～1 000 m3/d，流量測(cè)量誤差控制在5%以內(nèi)，單層配水調(diào)整時(shí)間不超過8 min。

3 室內(nèi)及試驗(yàn)井性能實(shí)驗(yàn)

3.1 耐壓及密封性測(cè)試

為測(cè)試最小內(nèi)通井測(cè)調(diào)一體化配水器的整體密封性能，開展了耐壓及密封性測(cè)試試驗(yàn)。首先將測(cè)調(diào)一體化配水器固定在打壓架上，連接打壓泵和液壓管線，打壓泵通過階梯式打壓將壓力升至50 MPa，停止打壓，保壓50 MPa，30 min后觀察壓力表中顯示的壓力值，若壓力波動(dòng)不超過0.5 MPa，即為耐壓50 MPa合格，高壓密封效果良好，反之若出現(xiàn)壓力減小及配水器表面有明顯漏液。說明配水器耐壓及密封性存在問題，需要拆裝檢查，對(duì)于有問題部件重新加工。

試驗(yàn)過程中，對(duì)工作筒采用階梯式加壓，依次加壓至3 MPa、15 MPa、30 MPa、42 MPa，各階段均保壓10 min，然后升壓至50 MPa，保壓30 min。

總共選取12根工作筒進(jìn)行密封性能測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)量工作筒在各穩(wěn)壓階段的筒內(nèi)壓力，與目標(biāo)打壓壓力對(duì)比，判斷工作筒密封性能。計(jì)算所有工作筒在加壓、穩(wěn)壓過程中目標(biāo)壓力與筒內(nèi)壓力的壓力差，如圖4所示。

由圖4可知，12根工作筒在不同壓力穩(wěn)壓時(shí)，保壓后壓力波動(dòng)均不超過0.5 MPa，無明顯滲漏，測(cè)試合格。其中，隨保壓壓力升高，壓力波動(dòng)也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，工作筒在3 MPa保壓后壓力波動(dòng)均為0，15 MPa保壓后壓力波動(dòng)不超過0.2 MPa，30 MPa和42 MPa保壓后壓力波動(dòng)均不超過0.3 MPa，50 MPa保壓后壓力波動(dòng)最大達(dá)到0.4 MPa。

圖4 工作筒耐壓測(cè)試壓差分布

為測(cè)試工作筒耐壓等級(jí)，對(duì)工作筒持續(xù)打壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的最小內(nèi)通徑分注井測(cè)調(diào)工作筒在工作壓力60 MPa、工作溫度150 ℃時(shí)，保持30 min，壓力不降無滲漏，水嘴可正常開關(guān)，完全關(guān)閉狀態(tài)下無泄漏，測(cè)試合格。

3.2 靜壓下調(diào)節(jié)扭矩測(cè)試

在常溫常壓下，將配水器一端固定在臺(tái)鉗上，另一端利用支撐桿支撐，保證測(cè)調(diào)一體化配水器水平放置，利用手動(dòng)調(diào)節(jié)工具及扭矩扳手插入測(cè)調(diào)一體化配水器內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)扭矩扳手，檢測(cè)測(cè)調(diào)過程中調(diào)節(jié)扭矩的大小。測(cè)試結(jié)果表明，12根工作筒在靜壓條件下調(diào)節(jié)扭矩均在4～5 N·m，均小于6 N·m，測(cè)試合格。

3.3 驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀測(cè)試

利用試驗(yàn)井，分別進(jìn)行驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀外殼耐壓測(cè)試、常溫條件下通信功能等基本功能測(cè)試以及儀器耐高溫測(cè)試。

(1)進(jìn)行儀器外殼耐壓測(cè)試，將儀器除去電機(jī)、電容、電路板、壓力傳感器(2個(gè))、電感線圈、磁定位線圈、電源模塊、行程開關(guān)、位置板、霍爾元件等電子元件，并用帶密封圈的壓力堵頭替代壓力傳感器，再將儀器整體進(jìn)行裝配，將裝配完成的儀器吊掛在試驗(yàn)井內(nèi)，打壓至80 MPa，保壓30 min后泄壓取出儀器。檢查儀器外殼是否完好，將儀器外護(hù)管擰開，觀察儀器電路骨架是否有水珠。通過讀取高壓下儀器數(shù)據(jù)，判斷儀器外殼是否完好，以及儀器密封性是否符合要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，儀器外殼耐壓性良好，密封性完好，測(cè)試合格。

(2)進(jìn)行驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)調(diào)儀在常溫試驗(yàn)井內(nèi)可正確繪制流量、壓力、溫度曲線，軟件界面可顯示儀器開收臂狀態(tài)、水嘴調(diào)節(jié)狀態(tài)、命令狀態(tài)等信息，顯示流量、溫度、壓力、纜頭電壓等參數(shù)以及儀器的位置信息等數(shù)據(jù)；測(cè)調(diào)儀在高溫環(huán)境(150 ℃)下帶不同長(zhǎng)度電纜條件下通信、命令控制均正常，儀器在不帶負(fù)載情況下，開收臂、正負(fù)調(diào)電流均在35～100 mA的范圍內(nèi)，坐封、解封電流在35～140 mA范圍內(nèi)，符合技術(shù)要求。

(3)為驗(yàn)證測(cè)調(diào)儀的壓力測(cè)試精度，分別在15 ℃、50 ℃、85 ℃、100 ℃、125 ℃、150 ℃等6個(gè)溫度下測(cè)量0、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa 8個(gè)壓力臺(tái)階，對(duì)比正程和返程兩次測(cè)試的誤差，如圖5所示。由圖5可知，在溫度15～150 ℃以及壓力10～70 MPa條件范圍內(nèi)，測(cè)調(diào)儀壓力測(cè)試誤差最大不超過0.8%，符合要求，測(cè)試合格。

圖5 壓力測(cè)試誤差分布

最后，為進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)調(diào)儀流量測(cè)試精度，分別在0、10 m3/d、30 m3/d、50 m3/d、80 m3/d、120 m3/d、260 m3/d、300 m3/d、540 m3/d、680 m3/d、800 m3/d等八個(gè)標(biāo)定流量下進(jìn)行流量檢定精度測(cè)試，對(duì)比測(cè)調(diào)儀流量測(cè)試結(jié)果與標(biāo)定流量，計(jì)算誤差，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6中可看出，除標(biāo)定流量10 m3/d以及30 m3/d對(duì)應(yīng)的流量測(cè)試誤差超過15%，其他流量下，測(cè)調(diào)儀流量測(cè)試誤差均小于15%，且流量測(cè)試誤差隨流量增大呈降低趨勢(shì)，即流量越大，流量測(cè)試誤差越小。海上油田小通徑注水井單層注水量一般在300 m3/d左右，該測(cè)調(diào)儀流量精度測(cè)試基本符合測(cè)試要求，測(cè)試合格。

圖6 流量測(cè)試誤差分布

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研發(fā)的小通徑注水井注水驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化工藝技術(shù)已在海上油田11口小通徑注水井試驗(yàn)應(yīng)用，最大分層數(shù)6層，最大下入深度2 700 m，最大應(yīng)用井斜65°。從應(yīng)用井情況看，共計(jì)驗(yàn)封調(diào)配144層次，一次驗(yàn)封測(cè)調(diào)成功率可達(dá)97.3%以上，平均單井測(cè)調(diào)時(shí)間在6 h以內(nèi)，分層驗(yàn)封效果可達(dá)90%以上，分層流量測(cè)調(diào)誤差在10%以內(nèi)，測(cè)調(diào)精度在2%以內(nèi)，分層配水合格率在95%以上，達(dá)到了海上油田小通徑分注井高效測(cè)調(diào)的時(shí)效和技術(shù)要求。相比傳統(tǒng)鋼絲投撈測(cè)調(diào)工藝測(cè)調(diào)時(shí)效單井節(jié)約90 h/次以上，節(jié)省測(cè)調(diào)費(fèi)用120余萬元。分層配水合格率提高了近42%，一定程度上提高了注水開發(fā)效率，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

(1)本文針對(duì)小通徑注水井開展驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了注水工作筒、驗(yàn)封測(cè)調(diào)儀等關(guān)鍵工具，基于一個(gè)工作筒對(duì)應(yīng)一個(gè)注水層得到一體化分注管柱，結(jié)合測(cè)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化開發(fā)了適應(yīng)于?82.55 mm小通徑注水井的驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注技術(shù)。

(2)開發(fā)的小通徑驗(yàn)封測(cè)調(diào)一體化分注技術(shù)，突破注水層數(shù)限制，可實(shí)現(xiàn)一趟電纜下入，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下不同注水層位的溫度、流量與壓力監(jiān)控，并進(jìn)行水嘴實(shí)時(shí)調(diào)控，且流量監(jiān)測(cè)精度更高。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明該工藝一次驗(yàn)封測(cè)調(diào)成功率高、測(cè)調(diào)效率高、分層調(diào)配合格率高、測(cè)調(diào)精度高等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)鋼絲投撈測(cè)調(diào)工藝，可大幅節(jié)約單井測(cè)調(diào)時(shí)間，從而大幅縮短占井周期，節(jié)省測(cè)調(diào)費(fèi)用，可在其余小通徑注水井推廣應(yīng)用。