分層采油工藝技術論述

樊偉平

(延長油田股份有限公司吳起采油廠,陜西 延安 717600)

1 采油技術分類

我國從20世紀50年代引進石油開發(fā)的采油工程技術，經過多年研究和發(fā)展，采油工藝技術已經逐漸完善。采油工作主要分為三種類型，分別是一次采油、二次采油、三次采油[1]。其中，一次采油依賴地層天然壓力；隨著地層壓力的逐漸下降，利用注水補充地層壓力的方式，采取一系列物理和化學方法，提高趨油效率；最后在三次采油過程中，可以利用微生物法、混相法、化學法、熱力法等提高原油采收率。在油氣田開發(fā)后期，可以根據(jù)生產區(qū)域的實際情況，針對當前潛油電泵受高溫限制、泵提液難度系數(shù)較高等問題，利用振動波、水力脈沖振動、細分油層采油等工藝技術，提高采油效果，以此實現(xiàn)石油開采的可持續(xù)發(fā)展。本文以分層采油技術為例，梳理我國分層采油技術的發(fā)展歷程，對分層采油流量調節(jié)與控制，模型建立調節(jié)閥結構設計等進行論述。

2 我國分層采油工藝技術的發(fā)展歷程

我國分層采油工藝技術發(fā)展歷程主要分為以下4個階段[2]。

1)自噴分層配產階段

在20世紀60年代，大慶油田在開發(fā)初期研發(fā)分層采油工藝，該項工藝主要以625型同心分層配產器為主。當時地層能量相對充足，管柱結構為整體式、活動式堵塞器安裝在配產器工作筒中。由于配產器為同心結構，堵塞器外徑必須自下而上由小變大，打撈時只能自上而下逐級撈出。但后續(xù)因為投撈調整不便，在施工現(xiàn)場工藝使用較為復雜，配產級數(shù)低等問題，應用頻次逐漸降低。

2)偏心分層配產技術

經過自噴分層配產階段后，在20世紀70年代分層采油逐漸由配產工藝向堵水工藝轉變。在油藏注水開發(fā)過程中，油井多層見水，利用該項技術可以解決多層任意封堵難題。該種堵水系統(tǒng)主要由工作筒和堵塞器組成，而投撈器可實現(xiàn)任意層堵塞器投撈，可以實現(xiàn)不壓井起下管柱操作，配產堵水級數(shù)不受限制，但施工后在井下無法調整。

3)機采井找堵水階段

隨著石油開采難度的不斷增大，井下調配工藝更加復雜，因此多利用機械堵水技術。其抽油生產管柱與丟手堵水管柱不相連，因此管柱壽命相對整體式管柱較長，有效期更久，封隔器逐級下至預定位置。該管柱可在高溫高壓環(huán)境下長期工作，適用于正常套管井或套變井。

4)可調層配產階段

根據(jù)井下堵水器類型的差異，該項技術可以通過壓力變化來調整指令下傳到井下配產器[3]。當油田進入特高含水階段時，剩余油高度分散，各層段產液量變化呈現(xiàn)出動態(tài)化特征，層系間含水差異進一步縮小，可以利用液壓可調層找堵水技術、過環(huán)空纜控分層采油技術、壓力波控制分層配產技術，對井下可調配產器的開度進行調節(jié)。因此，分層采油正式邁人“智能化”發(fā)展階段，可以利用遠程控制中心，對分層配產和井下狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測，拓展了纜控分層采油技術適用范圍。

3 分層采油流量測量與控制技術

在使用常規(guī)石油開采技術時，開采的效率差，速度慢，無法采集井下的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，因此常規(guī)采收率只有35%。如果利用分層采油流量調節(jié)與控制創(chuàng)新性技術，可以根據(jù)油層的分布情況合理采油。通過系統(tǒng)中傳感器中監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)，精準控制井下控制閥開度，為流量調節(jié)與控制提供調控參數(shù)，有效解決油層間油水不平衡、籠統(tǒng)注水導致的采油率低等問題，提高單口井開采效率，實現(xiàn)人工智能技術在采油工作中的高效應用。

3.1 測量原理

采用分層采油流量調節(jié)就是將流量控制閥用于注水井中，對流量進行調節(jié)與控制[4]。國外主要通過電機帶動滑套，液壓活塞帶動滑套這兩種方式來實現(xiàn)的，而國內多是由滑套開關和水嘴來實現(xiàn)的(利用水嘴的開度調節(jié)和控制流量)。在分層采油系統(tǒng)中，主要采用的流量計類型有超聲波流量計、電磁流量計、孔板式流量計、文丘里流量計、渦輪流量計。本文主要研究超聲波流量計，將其作為智能井實現(xiàn)流量控制實施的組件。其控制系統(tǒng)主要由全電驅動式控制系統(tǒng)、純液壓驅動式控制系和電液相結合的控制系組成。應用原理和方法為：當管道中沒有油水混合介質時，超聲探頭1和超聲探頭2之間的聲波傳輸時間是相同的；或者油水混合介質流速為零時，超聲探頭1和超聲探頭2的聲波傳輸時間不變。如果用v表示管道中油水混合介質流體的流速，由于聲波在油水混合介質中疊加了流體流速進行傳播，所以在測量工作中，聲波逆流時間(超聲探頭2到超聲探頭1)應該大于順流時間(超聲探頭1到超聲探頭2)，該時間差就是時差法中的時差。其中，待測的管道兩側分別放置超聲探頭1和超聲探頭2，其傳播時間的表達式為：

①超聲探頭1到超聲探頭2的時間=(待測管道直徑/管道內介質與波束的橫向夾角)/(超聲波在靜止油水混合介質中的傳播速度+超聲波傳播方向上混合流體介質的速度分量)；

②超聲探頭2到超聲探頭1的時間=(待測管道直徑/管道內介質與波束的橫向夾角)/(超聲波在靜止油水混合介質中的傳播速度-超聲波傳播方向上混合流體介質的速度分量)。

3.2 模型建立

分層采油流量測量與控制系統(tǒng)主要采集和處理井下數(shù)據(jù)(流量、溫度、壓力、含水率等)，是整個系統(tǒng)的核心，對各油層流量進行測量和控制。當需要對某一油層進行注采時，采油系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)；將需采油層與其它油層分開，在注水的過程中流量測量系統(tǒng)始終對注水量進行監(jiān)測，通過調節(jié)保證注水量的精確；同時，對井下油水混合介質流量進行測量。由于流量控制閥可以關閉和打開不同油層，因此可以通過調整流量調節(jié)閥的開度控制進水量，提高生產過程中的安全性。在模型建立過程中，對超聲波流量計有著極高的要求。最核心的芯片是時差測量模塊和單片機，分別用來采集流量計測量時間和控制芯片開關。超聲波經過油水介質后會大大衰減，通過該種系統(tǒng)建立，可以將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，經調理電路處理以后傳輸?shù)骄系目刂浦小?/p>

要想滿足井下流量測量系統(tǒng)對電流的要求，應該做好電源模塊設計，必須將時差測量電路和信號放大電路直流電壓設置為 3.3 V(保護電路需要 5 V 的直流電壓)。但是井下供電系統(tǒng)直流電壓多為 12 V 和 45 V，最高溫度可達 120 ℃，因此應盡可能地減少電源對流量測量系統(tǒng)的干擾。將 12 V 的直流電，經過電源模塊設計轉換為 5 V 和 3.3 V 直流電，選取7805 三端式穩(wěn)壓電源，穩(wěn)定輸出 5 V 電壓，通過降壓模塊得到 3.3 V 的電壓。該模塊的輸出電流大，設置過流、過壓保護，因此輸出電壓的穩(wěn)定性高。在時差測量電路設計時，應該綜合考慮待測液體屬性，保證時差測量模塊精度。時差測量模塊可以選擇TDC-GP22，盡可能地減少了系統(tǒng)功耗，以此達到 90 ps 的典型精度。之后根據(jù)待測管道的直徑設置時間窗口。

3.3 流量調節(jié)閥結構設計

要想提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，分層采油流量調節(jié)系統(tǒng)調節(jié)閥應該根據(jù)需要調節(jié)流量值[5]。通過電控方式調節(jié)任意開度，當系統(tǒng)接收到地面控制中樞指令后，電機扭矩將降低電機的轉速。之后調節(jié)通道的開度，利用絲桿的前后移動，達到調節(jié)流量的目，在井下復雜環(huán)境中，降低故障發(fā)生幾率。在選擇流量調節(jié)閥水嘴時，水嘴的性能直接決定了流量調節(jié)系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性，因此應該根據(jù)井下的產量值，找到最適合本設計的水嘴形狀和過水范圍。一般來講，當水嘴開度大于40%時，壓差與流量基本呈線性關系，壓差最大可以達到 1.5 MPa，此時可以選取長方形水嘴。在20%開度 300 m3/d 時，壓差差距(低開度流量和高開度流量之間)可達 9 MPa 左右，但是菱形水嘴過流面比較小，因此不適合分層采油流量測量系統(tǒng)；當開度大于40%時，且小開度大流量下，圓形水嘴分度比較小，因此也不適合分層采油流量測量系統(tǒng)；當開度大于40%時，橢圓形水嘴大流量時壓差(當開度20%時)約為 3 MPa，并且開度和流量之間可以呈現(xiàn)線性關系，因此適合分層采油流量測量系統(tǒng)。

3.4 系統(tǒng)調試

利用超聲波時差法測量石油流量參數(shù)，結合井下油水混合流體特點，可以利用油水兩相流實驗，確保測量數(shù)據(jù)的精度。在室內實驗中，按照不同的比例將油與水注入到儲液罐中(放置攪拌電機，防治油水分層現(xiàn)象發(fā)生)，提前標定不同頻率對應的不同流速值；之后調節(jié)螺桿泵的頻率，采集流量數(shù)據(jù)，在不同頻率下進行多次試驗取平均值，得出流量計的測量誤差。向儲液罐里加入柴油，在原始油水基礎上配置出不同油水比的混合液，將螺桿泵的頻率調制成 10～50 Hz(每次調節(jié)的上升節(jié)點為 5 Hz)，之后統(tǒng)計流量測量的數(shù)據(jù)(將油水比設置為2∶8、5∶5和 8∶2)。觀察指標分別為頻率(Hz)、實際流速(m/s)、標定流量(m3/d)、標定流速(m/s)、相對誤差(%)。最后統(tǒng)計超聲波測量系統(tǒng)溫度測試數(shù)據(jù)。其統(tǒng)計指標分別為測量電路(m3/d)、整體測量系統(tǒng)(m3/d)、電機控制電路(m3/d)、發(fā)射電路(m3/d)、傳感器(m3/d)。

采用分層采油流量調節(jié)與控制系統(tǒng)，可以根據(jù)不同儲層的厚度進行合理采油。通過對不同儲層壓力、溫度等參數(shù)測量，解決分層采油過程中出現(xiàn)的復雜問題，有效解決由于陸相沉積油藏的非均質性特征而導致的開采難題；建立合適的流動壓強，調節(jié)各級配產閥實現(xiàn)分層生產，減小層間差異；調整油嘴對油藏進行分層測試，提高層內流體流動速度，控制高滲透層；使用科學的方法進行分層開采，以此準確找出潛力層。

4 結束語

綜上所述，分層采油工藝技術可以精準控制井下控制閥開度，為流量調節(jié)與控制提供調控參數(shù)，有效解決油層間油水不平衡、籠統(tǒng)注水導致的采油率低等問題。因此要想確保測量數(shù)據(jù)的精度，應該做好流量調節(jié)閥結構設計和系統(tǒng)調試，解決分層采油過程中出現(xiàn)的復雜問題，以此提高開采效率。