井下柔性復(fù)合管預(yù)置電纜數(shù)字式分注技術(shù)

楊玲智， 周志平， 楊海恩， 李法龍， 胡改星

（1. 中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院, 陜西西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安 710018；3. 中國石油長慶油田分公司第一采油廠, 陜西延安 716009）

隨著油田數(shù)字化技術(shù)不斷發(fā)展，國內(nèi)各油田先后開展了第四代分層注水技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了井下分層流量自動(dòng)測調(diào)及遠(yuǎn)程監(jiān)控[1-2]。大慶、華北和吉林等油田[2-3]開展了電纜通信數(shù)字分注技術(shù)研究，但由于電纜捆置于油管外部，下入作業(yè)過程較為復(fù)雜，電纜易磕碰損壞，井下長期密封性較差。長慶、勝利和冀東等油田應(yīng)用無線通信數(shù)字式分注技術(shù)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)井下配水器周期，但由于采用井下電池供電，受電池電量限制，回傳測試數(shù)據(jù)量相對較少[4-8]。

針對上述技術(shù)問題，筆者結(jié)合柔性復(fù)合管連續(xù)性及耐腐蝕性[9-14]，將電纜設(shè)計(jì)于柔性復(fù)合管內(nèi)，研發(fā)了智能配水器、過電纜封隔器等關(guān)鍵工具，形成了柔性復(fù)合管預(yù)置電纜數(shù)字式分注技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全井段電纜通信與控制及分層流量實(shí)時(shí)自動(dòng)測調(diào)、自動(dòng)監(jiān)控，解決了電纜保護(hù)與測試數(shù)據(jù)少的問題。

1 工藝設(shè)計(jì)

柔性復(fù)合管預(yù)置電纜數(shù)字式分注管柱主要包括預(yù)置電纜柔性復(fù)合管、柔性復(fù)合管轉(zhuǎn)換接頭、智能配水器、油管、過電纜封隔器和井下附件等，采用過電纜封隔器將儲層分開，智能配水器中集成設(shè)計(jì)流量計(jì)、電機(jī)和水嘴等自動(dòng)化控制機(jī)構(gòu)，完成分層流量自動(dòng)測試、自動(dòng)調(diào)節(jié)及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.1 預(yù)置電纜柔性復(fù)合管設(shè)計(jì)

預(yù)置電纜柔性復(fù)合管采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括內(nèi)襯層、增強(qiáng)層、功能層、拉伸層和保護(hù)層（見圖1）。內(nèi)襯層為聚乙烯材質(zhì)，是井內(nèi)流體流動(dòng)的主通道；增強(qiáng)層為承載層，采用聚乙烯、玻璃纖維復(fù)合材料帶纏繞熱熔設(shè)計(jì)，以抵抗外壓和內(nèi)壓；拉伸層為凱夫拉纖維，提供管柱拉伸強(qiáng)度；功能層為通信電纜層，將電纜預(yù)置于管體內(nèi)，建立實(shí)時(shí)通信通道；保護(hù)層為聚乙烯材質(zhì)，其許用應(yīng)變?yōu)?7.7%[15-17]，可確保管柱在運(yùn)輸、井筒下入等作業(yè)過程中無損壞。

圖1 預(yù)置電纜柔性復(fù)合管Fig.1 Cable-preset flexible composite pipe

1.2 智能配水器

智能配水器是井下自動(dòng)控制的核心工具，主要包括上接頭、驗(yàn)封短節(jié)、控制模塊、過流通道、流量計(jì)、電機(jī)、水嘴和下接頭等（見圖2）。智能配水器通過流量計(jì)測試分層流量，將測試結(jié)果與控制模塊目標(biāo)流量對比，當(dāng)誤差大于5%時(shí)，電機(jī)調(diào)節(jié)水嘴開度改變分層流量，實(shí)現(xiàn)分層動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、分層流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，使分層流量達(dá)到配注要求。

圖2 智能配水器Fig.2 Intelligent water distributor

1.3 過電纜封隔器

過電纜封隔器兼具封隔地層與提供井下電纜環(huán)空通道的功能，主要包括上接頭、解封機(jī)構(gòu)、洗井機(jī)構(gòu)、中心管、坐封膠筒、坐封機(jī)構(gòu)和下接頭等（見圖3），管柱由多支過電纜封隔器、智能配水器連接組成，油管內(nèi)打壓后，封隔器膠筒坐封，封隔不同注水層段，實(shí)現(xiàn)不同層段注水。電纜由上接頭穿入封隔器本體，穿越膠筒后，由洗井通道通過至下部坐封機(jī)構(gòu)外部，最后由下接頭穿出。此過程中，采用單一電纜完整穿越，密封可靠性高。

圖3 過電纜封隔器Fig.3 Cable-penetrated packer

1.4 柔性復(fù)合管轉(zhuǎn)換接頭

柔性復(fù)合管轉(zhuǎn)接頭是連接柔性復(fù)合管和智能配水器的關(guān)鍵工具，由于柔性復(fù)合管為連續(xù)管體，不適用于絲扣連接，因此采用插接式銷釘固定，使管柱機(jī)械連接、電控連接雙接通，結(jié)構(gòu)密封均采用兩級膠圈密封，提高密封性（見圖4）。柔性復(fù)合管轉(zhuǎn)換接頭主要包括預(yù)置電纜柔性復(fù)合管、活動(dòng)接頭、插頭、滑環(huán)插座、防松螺釘、滑環(huán)座和穿線管等（見圖5）。其中，柔性復(fù)合管的信號線與單芯插頭相連，插頭與滑環(huán)接插座接觸；配水器信號線通過膠套導(dǎo)線穿過穿線管與滑環(huán)插座相連。

圖4 管柱連接示意Fig.4 String connection

圖5 柔性復(fù)合管轉(zhuǎn)換接頭Fig.5 Flexible composite pipe adapter

2 室內(nèi)測試

2.1 預(yù)置電纜柔性復(fù)合管力學(xué)性能分析

預(yù)置電纜柔性復(fù)合管需滿足封隔器坐封、洗井等工藝需求，力學(xué)模擬分析表明，當(dāng)管件開始爆破失效時(shí)，纖維增強(qiáng)層先達(dá)到破壞條件，內(nèi)襯層和外保護(hù)層的最大應(yīng)變尚未達(dá)到許用應(yīng)變，因此，主要通過分析增強(qiáng)層的應(yīng)力來評價(jià)其抗壓性能。

2.1.1 增強(qiáng)層性能測試

根據(jù)橫向和縱向的應(yīng)力響應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[15]，增強(qiáng)層設(shè)計(jì)纏繞層為8層，開展室內(nèi)測試分析不同纏繞層縱向與橫向應(yīng)力變化規(guī)律，縱向應(yīng)力隨纏繞層數(shù)增加而降低，橫向應(yīng)力隨纏繞層數(shù)增加而增大（見圖6、圖7）。

圖6 增強(qiáng)層各層纖維縱向應(yīng)力變化Fig.6 Vertical stress change in each layer of fiber at reinforcement layer

圖7 增強(qiáng)層各層纖維橫向應(yīng)力變化Fig.7 Horizontal stress change in each layer of fiber at reinforcement layer

2.1.2 模擬分析對比

采用有限元模擬分析爆破壓力，結(jié)果如圖8所示。假設(shè)預(yù)置電纜柔性復(fù)合管材料為線彈性，模擬結(jié)果遠(yuǎn)大于室內(nèi)測試結(jié)果，誤差最大為22.5%，模擬結(jié)果與測試值差距較大，無法表征材料的真實(shí)特性；引入材料的非線性，按照管材真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果和測試結(jié)果具有良好的一致性，最大誤差不超過6.5%，因此，預(yù)置電纜柔性復(fù)合管材料具有非線性特征。此外，隨玻纖增強(qiáng)柔性管纏繞層數(shù)的增加，爆破壓力呈線性增大，需要根據(jù)管內(nèi)流體輸送壓力確定玻纖增強(qiáng)柔性管增強(qiáng)層層數(shù)。

圖8 爆破壓力測試值與模擬結(jié)果對比曲線Fig.8 Comparison of results of burst pressure experiment with simulation results

2.1.3 室內(nèi)測試分析

選取1.00 m長的預(yù)置電纜柔性復(fù)合管若干，分別進(jìn)行靜水壓強(qiáng)度、爆破強(qiáng)度、抗拉伸等性能測試評價(jià)[18-20]。靜水壓強(qiáng)度測試結(jié)果表明，在50 MPa壓力下穩(wěn)壓24 h，預(yù)置電纜柔性復(fù)合管無破裂、無滲漏，管體壓降2%；爆破強(qiáng)度測試參照標(biāo)準(zhǔn)《流體輸送用熱塑性塑料管材耐內(nèi)壓試驗(yàn)方法》（G B/T 6111—2003）進(jìn)行[18]，測試結(jié)果表明，爆破壓力為96 MPa；拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果表明，拉斷力為294 kN；抗外壓強(qiáng)度測試結(jié)果表明，管柱變形外壓為29 MPa。總體而言，預(yù)置電纜柔性復(fù)合管性能指標(biāo)均滿足井下注水管柱的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可保證分注井封隔器坐封壓力在12～15 MPa，最大抗外壓力能達(dá)到25 MPa。

2.2 智能配水器

為保證在井下高壓環(huán)境中長期正常工作，監(jiān)測分層流量、壓力等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，智能配水器需滿足靜壓差25 MPa條件下密封可靠，流量測試誤差小于2%，壓力測試誤差小于3%等現(xiàn)場使用要求。

1）靜壓測試。將智能配水器下接頭連接堵頭，上接頭連接測試管線，放置于高壓測試倉內(nèi)，智能配水器過流通道正向打壓25 MPa，智能配水器密封高壓測試倉環(huán)空反向打壓25 MPa，30 min壓降均小于0.2 MPa。

2）流量測試。將智能配水器與流量測試平臺連接，流量測試范圍5～50 m3/d，測試間隔5 m3/d，將智能配水器測試流量與標(biāo)準(zhǔn)值對比，測試誤差小于1.8%（見圖9）。

圖9 流量測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的對比Fig.9 Comparison results of flow tests

3）壓力測試。將智能配水器與壓力測試平臺連接，壓力測試范圍0～60 MPa，測試間隔5 MPa，采用正程升壓、反程降壓測試，將智能配水器測試壓力與標(biāo)準(zhǔn)值對比，測試誤差小于2%（見圖10）。

圖10 壓力測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的對比Fig.10 Comparison results of pressure tests

總體而言，智能配水器滿足靜壓差25 MPa下密封，流量測試誤差小于2%，壓力測試誤差小于3%等現(xiàn)場應(yīng)用要求。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析井下柔性復(fù)合管預(yù)置電纜數(shù)字式分注技術(shù)的可靠性，驗(yàn)證地面與井下雙向通信、驗(yàn)封與分層流量自動(dòng)測調(diào)等方面的功能，在長慶油田Q93-4井、Q91-8井、Q65-6井和Q65-4井等4口井開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，最長應(yīng)用時(shí)間超過3年，最大應(yīng)用井深1 859 m，當(dāng)管內(nèi)壓力為20 MPa時(shí)全管段最大伸長2.40 m，各項(xiàng)功能均正常，可實(shí)現(xiàn)注水井各注水層壓力與流量變化的有效監(jiān)測。通過分層流量井下自動(dòng)測調(diào)，分層水量誤差均在10%以內(nèi)，注水井分注合格率長期保持在100%，提高了分注的有效性。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)井情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Situation statistics of field test wells

以其中的姬塬油田Q93-4井為例，該井井深1 860 m，井斜角23.7°，分層配注量分別為16和14 m3/d。該井設(shè)計(jì)管柱長度1 841 m，封隔器按照設(shè)計(jì)打壓坐封，最大壓力18 MPa，預(yù)置電纜柔性復(fù)合管伸長量為1.70 m（見圖11），坐封后遠(yuǎn)程驗(yàn)證封隔器密封情況，地面建立激動(dòng)壓力，內(nèi)壓有波動(dòng)，外壓保持穩(wěn)定，表明封隔器坐封可靠（見圖12）。該井上層配注16 m3/d，實(shí)注16.54 m3/d，下層配注14 m3/d，實(shí)注14.37 m3/d，分層配注誤差分別為3.37%和2.64%，按照油田配注合格要求，分層配注誤差小于20%為合格，兩層分層水量合格，且歷史曲線顯示流量平穩(wěn)，長期滿足配注要求（見圖13）。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，預(yù)置電纜柔性復(fù)合管數(shù)字式分注技術(shù)可實(shí)現(xiàn)井下分層注水、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

圖11 井下實(shí)際工況下伸長量變化曲線Fig.11 Variation curves of elongation under actual downhole working conditions

圖12 封隔器驗(yàn)封壓力測試曲線Fig.12 Pressure test curves of packer sealing verification

圖13 Q93-4井監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)曲線Fig.13 Monitoring data history of Well Q93-4

4 結(jié)論與建議

1）井下預(yù)置電纜柔性復(fù)合管爆破壓力96 MPa、抗外壓29 MPa，現(xiàn)場試驗(yàn)管柱最長伸長2.40 m，驗(yàn)封合格，其拉伸、抗外壓等性能滿足分注井封隔器坐封與長期在井下高壓環(huán)境中的服役要求。

2）智能配水器具備分層流量自動(dòng)測調(diào)、自動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。預(yù)置電纜柔性復(fù)合管可滿足供電、通信功能要求，實(shí)現(xiàn)分層壓力、流量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，大幅降低人工成本。

3）針對現(xiàn)場注水井帶壓作業(yè)要求，建議在預(yù)置電纜柔性復(fù)合管數(shù)字式分注技術(shù)基礎(chǔ)上，開展配套帶壓作業(yè)裝置及關(guān)鍵工具研究，進(jìn)一步提升工藝的適應(yīng)性。