可投撈式纜控智能分注工藝及裝置分析

金振東

(1.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室，黑龍江 大慶 163453)

國內部分油田進入特高含水開發(fā)階段，隨著分注層段的增多，層間干擾嚴重、地層參數波動頻繁、測試工作量日益增加[1-5]，為此，大慶油田、華北油田、大港油田等開展了非接觸式和纜控式等一系列智能分注工藝技術的研究，實現了注水井井下參數的連續(xù)監(jiān)測及自動測調[6-17]。在實際應用中，當流量調節(jié)閥發(fā)生卡阻等故障無法正常工作時，井下分層注入量無法調節(jié)，影響注水合格率和開發(fā)效果。為解決這一問題，傳統(tǒng)做法是起出井下管柱重新作業(yè)施工，這直接導致纜控智能分層注水井運行維護成本的大幅增加。為此需要研發(fā)一種新的工藝，實現井下參數連續(xù)監(jiān)測和自動測調的同時，解決流量調節(jié)閥卡阻帶來的問題。

1 整體工藝

可投撈式纜控智能分注工藝的裝置主要由地面控制器、無線通訊設備、計算機、電纜、可投撈式纜控智能配水器和過電纜封隔器等組成，如圖1所示?？赏稉剖嚼|控智能配水器機械結構部分通過油管、過纜封隔器等井下分層注水管柱配件串接構成井下分層注水管柱。該工藝以計算機為測控中心和人/機交互媒介，計算機USB3.0轉RS485通信接口與地面控制器RS485通信接口進行各種不同測控操作指令傳輸，再由地面控制器的井下供電/載波接口通過單芯電纜傳送至井下目標測控層位的可投撈式纜控智能配水器。井下可投撈式纜控智能配水器接收到井口地面控制器測控指令后，根據測控指令進行測量和控制，實現井下分層流量、壓力、溫度、流量調節(jié)閥狀態(tài)等參數的連續(xù)監(jiān)測和自動測調，并可通過無線通訊設備實現遠程無線監(jiān)測和控制。纜控智能配水器中的流量調節(jié)閥為可投撈式布局結構，當流量調節(jié)閥發(fā)生卡阻等故障無法正常工作時，可投撈調節(jié)閥可通過下入投撈儀器將流量調節(jié)閥整體撈出，修理或更換后重新投入智能配水器內。

1- 地面控制器；2-無線通訊設備；3-計算機；4-過電纜封隔器；5-可投撈調節(jié)閥；6-可投撈式纜控智能配水器；7-電纜。圖1 可投撈式纜控智能分注工藝裝置

2 核心工具

2.1 可投撈式纜控智能配水器

2.1.1 結構組成

可投撈式纜控智能配水器是可投撈式纜控智能分注工藝的關鍵組成部分,主要由上接頭、導向體、可投撈調節(jié)閥、控制執(zhí)行機構、下接頭、電磁流量計、嘴前壓力傳感器、嘴后壓力傳感器、測控線路板、導向筆尖等組成。其結構示意如圖2所示。

1-上接頭；2-導向體；3-可投撈調節(jié)閥；4-控制執(zhí)行機構；5-下接頭；6-導向筆尖；7-測控線路板；8-嘴后壓力傳感器；9-電磁流量計；10-嘴前壓力傳感器。圖2 可投撈式纜控智能配水器結構示意圖

2.1.2 工藝原理

可投撈式纜控智能配水器可以接收由地面控制器發(fā)出的操作指令，根據測控指令進行測量和控制，實現注水井分層流量調配。一方面，測量釆集井下當前層位相關的流量、地層壓力、管柱壓力、閥開度、調節(jié)電機工作電流、纜頭工作電壓等測控信息；另一方面，調節(jié)控制可投撈式纜控智能配水器中的可投撈調節(jié)閥，實現對井下分層注水流量的手動或自動調配；同時，將相關的流量、地層壓力、管柱壓力、閥開度、調節(jié)電機工作電流、纜頭工作電壓等測控信息通過單芯鋼管電纜變頻載波發(fā)送至井口地面控制箱。其中，導向筆尖與下接頭內部同心配合，導向筆尖導向開口與導向開槽同向安裝，配合使用投撈儀可以實現投送或撈出可投撈調節(jié)閥。

2.1.3 測控線路

可投撈式纜控智能配水器測控線路如圖3所示。

圖3 可投撈式纜控智能配水器測控線路組成

2.1.4 技術參數

外形尺寸 ?114 mm×1 980 mm

中心通徑 ?46 mm

偏孔內徑 ?20 mm

調節(jié)電機 1.5 r/min，8 N·m

調節(jié)行程 0～40 mm(對應0～100%開度，分辨率≤0.5%)

工作溫度 -35～105 ℃

溫度測量范圍 -40～115 ℃

溫度測量誤差 ±1 ℃

壓力測量范圍 0～60 MPa，嘴前、嘴后各1組

壓力測量誤差 ±0.2%

流量測量范圍 0～160 m3/d

流量測量誤差 ≤±2%

流量控制方式 手動模式可正調、反調、停止

自動模式流量自動控制。

2.2 可投撈調節(jié)閥

2.2.1 結構組成

可投撈調節(jié)閥是可投撈式纜控智能分注工藝實現井下分層流量控制的關鍵組成部分，它與可投撈式纜控智能配水器配套使用。可投撈調節(jié)閥主要有打撈桿、投送鎖定套、凸輪鎖片、閥安裝殼體、全關密封圈、閥套、安裝殼體、復位彈簧、閥芯過渡桿、螺套、鎖定彈簧、扭簧、固定鎖釘、隔斷密封圈、閥套前密封圈、后端密封圈和閥芯組成，其整體結構如圖4所示。

1-打撈桿；2-投送鎖定套；3-凸輪鎖片；4-閥安裝殼體，5-全關密封圈；6-閥套；7-安裝殼體；8-復位彈簧；9-閥芯過渡桿；10-螺套；11-閥芯；12-后端密封圈；13-閥套前密封圈；14-隔斷密封圈；15-固定鎖釘；16-扭簧；17-鎖定彈簧。圖4 可投撈調節(jié)閥結構

2.2.2 投撈原理

可投撈調節(jié)閥與可投撈式纜控智能配水器均為偏心配合結構，容納可投撈調節(jié)閥的偏心孔徑為?20 mm，導向筆尖為下置式模式，與油田目前普遍使用的橋式偏心配水器的可調堵塞器偏心容納孔的孔徑、孔位、鎖定形式、進出水孔位置匹配，投撈導向布局模式、導向機構/導向筆尖規(guī)格相同。

打撈時，打撈桿與鎖定彈簧凸輪鎖片等配合實現可投撈調節(jié)閥的鎖定和解鎖。當投撈儀撈出頭的單向環(huán)形鎖定凸口與打撈桿單向環(huán)鎖定心槽對接鎖定配合后，上提投撈儀，打撈桿也隨之運動，凸輪鎖片旋轉解鎖，投撈儀上提攜帶可投撈調節(jié)閥整體離開可投撈式纜控智能配水器的偏心容納孔。

投送時，投撈儀的投送頭與投送鎖定套環(huán)抱配合或細綱針固定后，投撈儀攜帶可投撈調節(jié)閥整體下入井下，投送于可投撈式纜控智能配水器偏心容納孔；用適當拉力上提投撈儀，投撈儀投送頭又可以與投送鎖定套脫開，可投撈調節(jié)閥整體鎖定并保留在可投撈式纜控智能配水器偏心容納孔內。

2.3 地面控制器

2.3.1 結構組成

地面控制器主要由計算機、單片機測控糸統(tǒng)、指令信號功放線路單元、數據信號拾波/濾波/放大/整形單元、供電/信號/載波調制單元、井下供電電流取樣線路單元、井下供電電壓取樣線路單元、井下供電模塊、井下供電輸出控制線路單元、地面控制用電管理(電源濾波器、電源模塊等)單元、報警單元、數據存儲單元、復位線路單元、通信接口單元等組成，如圖5所示。

圖5 地面控制器測控線路組成

2.3.2 測控原理

可投撈式纜控智能配水器測控線路以單片機測控系統(tǒng)為測量和控制中心。通過單芯電纜將地面供電和載波操作指令信號輸送給井下可投撈式纜控智能配水器線路。來自地面的供電電源一部分分配給井下電源模塊，經井下穩(wěn)壓電源模塊降壓穩(wěn)壓輸出+12 V DC、-12 V DC、+3.3 V DC、+48 V DC，其中+12 V DC、-12 V DC電源供給電動投撈儀的各用電線路單元，+3.3 V DC電源供給單片機，+48 V DC分配給功率驅動控制單元作為變速電機電源。

操作指令信號經指令信號前置處理單元(濾波/放大/整形)處理后，傳送給單片機測控系統(tǒng)，經單片機測控系統(tǒng)的程序分析解碼做出測量和控制；單片機測量的井況工程數據信號，經單片機測控系統(tǒng)的程序編碼，發(fā)送給數據信號功率放大/載波調制單元處理后由單芯電纜傳輸至地面控制箱。

單片機測控系統(tǒng)按照解碼操作指令的目標配注量與流量計流量值比較，通過功率驅動控制單元，控制(正調、反調、停轉)變速電機，通過調節(jié)機構調節(jié)可投撈調節(jié)閥開度，實現當前層位分層注水流量的調配。同時，單片機測控系統(tǒng)還通過電機電流取樣單元獲得代表電機工作載荷電流值進行采集分析，遇到電機工作電流超過額定比較值時，單片機測控系統(tǒng)立即主動斷開電機供電，避免因過載損壞電機。

3 室內試驗

為驗證可投撈式纜控智能分注工藝在投撈成功率、流量測量范圍及精度、調節(jié)閥自動保護等功能，將油管、過電纜封隔器、可投撈纜控智能配水器等組成注水管柱，使用投撈儀通過鋼絲絞車反復投、撈進行室內試驗。

1) 通過使用投撈儀，可以將可投撈調節(jié)閥投送或撈出可投撈式纜控智能配水器，投、撈各50次，成功率100%?？赏稉普{節(jié)閥閥芯過渡調節(jié)桿下頂端面與可投撈式纜控智能配水器調節(jié)輸出軸頂端面相對，由于復位彈簧配合作用其端面背向，相對接觸是一種非硬性配合，在可投撈調節(jié)閥投撈對接時起到彈性緩沖作用，防止可投撈調節(jié)閥投撈對接過程中可投撈調節(jié)閥和可投撈式纜控智能配水器調節(jié)輸出軸硬性碰撞而造成損壞。

2) 可投撈式纜控智能配水器流量計分層流量測量范圍0～192 m3/d，測量誤差≤±2%FS；嘴前、嘴后雙路壓力計測量范圍0～60 MPa，壓力測量誤差±0.15%；可手動、自動調節(jié)流量；滿足現場應用的要求。

3) 可投撈式纜控智能配水電機過載時，自動斷開對電機的供電。單片機測控系統(tǒng)通過電機電流取樣單元獲得代表電機工作載荷電流值進行采集分析，遇到電機工作電流超過額定比較值時，單片機測控系統(tǒng)立即主動斷開電機供電，避免因過載損壞電機。

4 現場試驗

在大慶油田開展了可投撈纜控智能分注工藝現場試驗5口井。以A井為例，該井共3個分注層段，下入3支可投撈纜控智能配水器，目前運行36個月，井下設備運行正常，配注合格率100%。該井在運行過程中，第2層流量調節(jié)閥發(fā)生卡阻現象，導致該層流量無法調節(jié)。在此工況下，將該層可投撈調節(jié)閥撈出，更換后重新投入，一次撈、投成功，撈、投后井下設備運行正?！，F場測調軟件界面如圖6所示?，F場試驗表明，可投撈纜控智能分注工藝在注水工況下，可實現對可投撈調節(jié)閥的投、撈操作，投、撈后井下設備的性能正常，工藝適應性滿足現場應用的要求。

圖6 A井現場測調軟件界面

5 結論

1) 可投撈纜控智能分注工藝能夠釆集井下各分注層的流量、管柱壓力、地層壓力、溫度、調節(jié)閥開度、電機工作狀態(tài)等信息，實現對井下各分注層流量的手動或自動控制。

2) 可投撈式纜控智能分注工藝是纜控智能分注工藝的新發(fā)展。通過改進纜控智能配水器主體結構，設計了可投撈式流量調節(jié)閥，解決了流量調節(jié)閥發(fā)生故障導致工藝失敗的問題。通過下入投撈儀器將可投撈調節(jié)閥整體撈出，修理或更換后重新下入，無需重新作業(yè)井下分層注水管柱，為解決類似問題提供了解決方案。

3) 為進一步提高纜控智能分注工藝的穩(wěn)定性和適應性，減小流量控制閥故障率，建議下一步開展提升流量調節(jié)閥性能的研究。