液控智能分采技術(shù)及其在渤海油田的應(yīng)用*

郭明龍 李 進(jìn) 亓彥錸 王傳軍 于 沖 宋 闖 劉 偉

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 2.海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中海油田服務(wù)股份有限公司)

0 引 言

水平井和大斜度井是渤海油田油氣資源開發(fā)的主要井型，井?dāng)?shù)占比超過(guò)50%，具有泄油面積大、井控儲(chǔ)量高和單井產(chǎn)能高等特點(diǎn)[1-2]。目前，渤海油田的水平井和大斜度井以籠統(tǒng)開采為主，不滿足分層開采的需求，存在層間矛盾突出、產(chǎn)能無(wú)法充分挖潛的問(wèn)題[3-4]。針對(duì)此問(wèn)題，渤海油田采用了智能分層開采技術(shù)。

針對(duì)智能分層開采技術(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用。2009年，勝利油田在孤東6-28-495井完成智能分測(cè)分采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果顯著；2015年，程英姿等[5]研發(fā)了油井液控智能分層開采與測(cè)試技術(shù)，并在江漢、長(zhǎng)慶和勝利等油田進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了分2層智能分采；2018年，纜控式智能分采管柱在渤海油田首次成功應(yīng)用3口井[6]；2022年，張衛(wèi)平等[7]研發(fā)了井下液控滑套、井下光纖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、地面液壓控制站等液控型智能完井關(guān)鍵工具，并在吐哈油田某采油井成功完成先導(dǎo)性試驗(yàn)；同年，趙仲浩等[8]針對(duì)海上油田大斜度井和水平井分采作業(yè)需求，研發(fā)了纜控對(duì)接式智能分采技術(shù)，并在渤海油田成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)最大分層數(shù)4層、最大井斜65.44°，大幅提高了油田采收率。液控式智能分采管柱井下無(wú)電子元器件，較纜控式智能分采具有可靠程度高、長(zhǎng)效性更好等優(yōu)勢(shì)。渤海油田常規(guī)定向井分層開采主要采用機(jī)械式開關(guān)滑套，通過(guò)鋼絲作業(yè)實(shí)現(xiàn)開關(guān)層位，而水平井和大斜度井分采調(diào)配控制則需要采用連續(xù)管作業(yè)開關(guān)滑套，調(diào)配難度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且作業(yè)成本高[9-16]。

為了滿足水平井和大斜度井分層開采控制需求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能分采和不動(dòng)管柱分層調(diào)配、酸化、測(cè)試測(cè)壓等目的，充分挖潛剩余油，本文通過(guò)對(duì)多級(jí)智能流量控制閥、多孔穿越過(guò)電纜封隔器、可穿越定位密封、多線纜保護(hù)器、可穿越式隔離密封及地面控制系統(tǒng)等的研發(fā)和優(yōu)化，形成了液控智能分采工藝管柱和技術(shù)，并在渤海油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。所得結(jié)果可為渤海油田剩余油的進(jìn)一步挖潛提供更多的技術(shù)手段。

1 液控智能分采管柱及特點(diǎn)

1.1 液控智能分采管柱結(jié)構(gòu)

液控智能分采管柱主要由多級(jí)智能流量控制閥、穿越式密封系統(tǒng)、多線纜保護(hù)器及地面液壓控制系統(tǒng)等工具組成。其中：穿越式密封系統(tǒng)主要包括多孔穿越過(guò)電纜封隔器、可穿越式定位密封和可穿越式隔離密封。本文以?177.8 mm(7 in)尾管完井的大斜度井、分4層開采為例，所采用的液控智能分采管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，地面液壓控制系統(tǒng)通過(guò)N+1根液控管線分別與N個(gè)井下多級(jí)智能流量控制閥相連接，通過(guò)液壓傳遞流量控制閥開關(guān)調(diào)節(jié)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地面液控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。穿越式密封系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)多根液控管線穿越的同時(shí)，保證井下各層之間的封隔。井下各層的智能流量控制閥在接收到液壓信號(hào)后，通過(guò)調(diào)節(jié)滑套開度實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)層位的生產(chǎn)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)液控智能分層開采。

1.2 液控智能分采技術(shù)特點(diǎn)

液控智能分采技術(shù)可不受井斜限制，適用于垂深4 000 m、分層數(shù)6層以內(nèi)的油井分采控制，滿足水平井、大斜度井和深井不動(dòng)管柱調(diào)配需求，主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

(1)不占用井口。傳統(tǒng)機(jī)械式滑套需要通過(guò)鋼絲作業(yè)或連續(xù)管作業(yè)實(shí)現(xiàn)開關(guān)，需要停泵且占用井口。液控智能分采技術(shù)在地面即可實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)層位的開關(guān)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)生產(chǎn)剖面，不占用井口。

(2)技術(shù)可靠性高。關(guān)鍵井下工具不含電子元器件，可在復(fù)雜流體環(huán)境中應(yīng)用，使用壽命長(zhǎng)。

(3)適用性廣。適用于水平井和大斜度井分層開采控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能分采和不動(dòng)管柱分層調(diào)配、酸化、測(cè)試測(cè)壓等目的，還可用于注水井分注，防砂井或不防砂井均適用。

(4)技術(shù)穩(wěn)定性強(qiáng)。采用液壓控制和多擋位流量控制閥，地面遠(yuǎn)程液控調(diào)節(jié)層段流入，原理簡(jiǎn)單，無(wú)需常規(guī)鋼絲作業(yè)或連續(xù)管等作業(yè)。

(6)采用一體化管柱。隔離密封系統(tǒng)與流量控制閥預(yù)組裝集成，連接和下入方便。

2 液控智能分采關(guān)鍵工具及原理

2.1 多級(jí)智能流量控制閥

多級(jí)智能流量控制閥是液控智能分采工藝管柱的核心組件，可通過(guò)特定的多級(jí)控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑套的多級(jí)開度調(diào)節(jié)，滑套開關(guān)狀態(tài)改變之后會(huì)觸發(fā)防漂移鎖，保障滑套的開度不受外力影響，便于生產(chǎn)作業(yè)的正常進(jìn)行，延長(zhǎng)全井的生命周期，工具結(jié)構(gòu)如圖2所示。多級(jí)智能流量控制閥采用9Cr1Mo材質(zhì)，該閥長(zhǎng)1.78 m，可耐溫150 ℃，外徑和內(nèi)徑分別為?120.65 mm(4.75 in)和?57.91 mm(2.28 in)，密封壓差為34.50 MPa，開啟壓差為4.83～8.28 MPa，關(guān)閉壓差為5.52～9.66 MPa，開關(guān)壓差為0.69～1.38 MPa。

1—開關(guān)總成；2—關(guān)閉總成；3—定位換向機(jī)構(gòu)；4—可調(diào)水嘴。圖2 多級(jí)智能流量控制閥結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of multistage intelligent flow control valve

相較于常規(guī)井的機(jī)械式開關(guān)滑套，多級(jí)智能流量控制閥不需要進(jìn)行鋼絲作業(yè)或連續(xù)管實(shí)現(xiàn)開關(guān)層位，通過(guò)地面液控系統(tǒng)直接控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下不同層位的開關(guān)。每個(gè)多級(jí)智能流量控制閥均有各自獨(dú)立的開啟液控管線，所有多級(jí)智能流量控制閥共用同一根泄壓液控管線；2根液控管線分別負(fù)責(zé)加壓與泄壓，依靠開啟和關(guān)閉總成間的壓差推動(dòng)密封軸套上下滑動(dòng)，由N+1根液控管線遠(yuǎn)程控制N個(gè)井下多級(jí)智能流量閥的開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)井不同生產(chǎn)層位的轉(zhuǎn)換。

2.2 穿越式密封系統(tǒng)

2.2.1 多孔穿越過(guò)電纜封隔器

過(guò)電纜封隔器主要用于解決油套環(huán)空的井控安全問(wèn)題，對(duì)密封性要求較高。常規(guī)生產(chǎn)井的穿越過(guò)電纜封隔器通常只具有2個(gè)?6.35或?9.53 mm液控管線的穿越通道，而對(duì)于N+1的多根液控管線沒(méi)有專用的穿越通道，無(wú)法滿足密封要求[13]。

多孔穿越過(guò)電纜封隔器以雙電泵電纜穿越器為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，將其中一個(gè)電纜穿越通道改為多根液控滑套穿越通道，另一個(gè)電纜穿越通道改進(jìn)為5根?6.35 mm液控管線總成穿越通道，并在本體上增加電子壓力計(jì)鋼管電纜、1個(gè)?9.53 mm、3個(gè)?6.35 mm穿越通道作為備用通道，從而實(shí)現(xiàn)多根管線的穿越，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。改進(jìn)后的穿越通道排布設(shè)計(jì)通過(guò)強(qiáng)度校核，滿足34.50 MPa壓力等級(jí)，同時(shí)在穿越功能方面遠(yuǎn)超常規(guī)過(guò)電纜封隔器，滿足智能滑套井的施工需求。

1—油管連接孔；2—放氣閥連接孔；3—多級(jí)智能流量控制閥液控管線集成穿越孔；4—電泵電纜穿越器孔；5—壓力計(jì)電纜和化學(xué)藥劑閥穿越孔。圖3 多孔穿越過(guò)電纜封隔器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of multi-hole cable crossing packer

2.2.2 可穿越式定位/隔離密封

常規(guī)定位密封和隔離密封只具備分段防砂所要求的定位和隔離的基礎(chǔ)功能，不具備液控管線的穿越通道[17-19]。在常規(guī)定位密封和隔離密封的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在密封總成內(nèi)部加工多根液控管線穿越通道，形成可穿越式定位密封和隔離密封，同時(shí)保證穿越通道的密封性，解決了定位密封和隔離密封液控管線無(wú)法穿越的難題?？纱┰绞蕉ㄎ幻芊夂透綦x密封均采用9Cr1Mo材質(zhì)，耐溫等級(jí)為150 ℃，可供8根?6.35 mm管線穿越工具本體?？纱┰绞蕉ㄎ幻芊饩哂?.27和2.77 m兩種長(zhǎng)度規(guī)格，其內(nèi)、外徑分別為?68.07和?212.09 mm，扣型為88.90 mm EUE B ×60.33 mm NUP?？纱┰绞礁綦x密封工具長(zhǎng)2.65 m，密封段長(zhǎng)1.32 m，其內(nèi)、外徑分別為50.04和119.13 mm，扣型為73.03mm EUB*P。

2.3 多線纜保護(hù)器

液控智能分采管柱外有多根液控管線和電纜，管柱在下入過(guò)程中容易因相互摩擦、 碰撞、纏繞等導(dǎo)致卡鉆和管線破裂，必須通過(guò)線纜保護(hù)器固定每根管線或電纜的位置，保證相互遠(yuǎn)離。常規(guī)線纜保護(hù)器最多只有5根線纜通道，無(wú)法滿足液控智能分采作業(yè)需求[20]。

為達(dá)到液控智能分采管柱多線纜固定和保護(hù)的目的，設(shè)計(jì)了多線纜保護(hù)器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在常規(guī)線纜保護(hù)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多根線纜穿越固定通道，重新排布線纜穿越孔、隔離智能滑套液控管線、化學(xué)藥劑注入閥液控管線、電子壓力計(jì)鋼管電纜、井下安全閥和井下放氣閥液控管線、電泵電纜等穿越通道，最多可滿足10根管線或電纜穿越。多線纜保護(hù)器上、下端均設(shè)計(jì)有大倒角結(jié)構(gòu)，整體采用不銹鋼防腐蝕材質(zhì)，保證管柱下入過(guò)程中線纜不受損傷，保障下生產(chǎn)管柱作業(yè)安全。

1—保護(hù)器主體；2—扣瓦；3—鎖緊螺栓；4—折疊銷；5—鎖緊銷。圖4 多線纜保護(hù)器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of multi-cable protector

2.4 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)采用電動(dòng)液驅(qū)方式，具有輸出流量可控、超壓保護(hù)、手動(dòng)或自動(dòng)控制模式、遠(yuǎn)程操控、可實(shí)現(xiàn)1個(gè)控制柜對(duì)多口井的多個(gè)井下多級(jí)智能流量閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)。地面控制系統(tǒng)采用380或220 V AC/50 Hz的電動(dòng)液驅(qū)方式，輸出壓力35 MPa，輸出流量0.5 L/min，工作環(huán)境溫-20～50 ℃，尺寸為1.00 m×0.70 m×1.85 m，系統(tǒng)質(zhì)量1 000 kg。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤海C油田C19井是一口東二下段的大斜度生產(chǎn)井，井深3 255 m，垂深2 520.23 m，最大井斜角87°，為二開井身結(jié)構(gòu)，采用?244.48 mm套管射孔+?168.28 mm優(yōu)質(zhì)篩管簡(jiǎn)易防砂。C19井產(chǎn)層段鉆遇3個(gè)開發(fā)小層，各層之間流體性質(zhì)差異大、層間矛盾突出，需要分3層開采。若采用常規(guī)機(jī)械式滑套只能通過(guò)連續(xù)管作業(yè)實(shí)現(xiàn)開關(guān)層和調(diào)配，不僅費(fèi)用高、動(dòng)員的設(shè)備復(fù)雜、作業(yè)人員多，而且經(jīng)濟(jì)成本與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。因此，C19井設(shè)計(jì)采用液控智能分采工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)分層開采，以滿足該井的開發(fā)需求，同時(shí)該井為渤海油田首口采用液控智能分采技術(shù)的油井。

2022年6月，C19井轉(zhuǎn)入完井作業(yè)，采用液控智能分采技術(shù)，通過(guò)4根(3+1)液控管線控制井下3個(gè)多級(jí)智能流量控制閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分層開采目的。在完井作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)固井泵對(duì)多孔穿越過(guò)電纜封隔器加壓完成驗(yàn)封。該井于2022年7月結(jié)束鉆完井作業(yè)并成功投產(chǎn)，日產(chǎn)油135.40 m3，含水體積分?jǐn)?shù)0.25%，產(chǎn)量達(dá)到配產(chǎn)要求，投產(chǎn)至今未出現(xiàn)環(huán)空帶壓等異常情況。C19井投產(chǎn)后實(shí)現(xiàn)了分層靜壓恢復(fù)測(cè)試及換層生產(chǎn)，技術(shù)應(yīng)用效果良好。

液控智能分采技術(shù)在渤海油田的首次成功應(yīng)用，拓展了渤海油田水平井和大斜度井開發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)了水平井和大斜度井的分層開采，為渤海油田剩余油挖潛提供了更多的技術(shù)手段，為獲取各生產(chǎn)層位的產(chǎn)液、含水、油藏靜壓等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)生產(chǎn)資料提供了條件，有助于油藏的精細(xì)開發(fā)和動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)。同時(shí)，通過(guò)智能液控分采技術(shù)的應(yīng)用，調(diào)配水平段各段產(chǎn)液均衡產(chǎn)液剖面，可延緩邊底水錐進(jìn)速度，延長(zhǎng)見水時(shí)間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水生產(chǎn)，提高油田采收率，推廣應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)渤海油田水平井和大斜度井開發(fā)特點(diǎn)，研發(fā)形成了液控智能分采工藝管柱，創(chuàng)新形成液控智能分采工藝技術(shù)，適用于垂深4 000 m、分層數(shù)6層以內(nèi)的油井分采控制，滿足水平井、大斜度井和深井不動(dòng)管柱調(diào)配需求。

(2)研發(fā)了多級(jí)智能流量控制閥、多孔穿越過(guò)電纜封隔器、可穿越式定位密封、可穿越式隔離密封、多線纜保護(hù)器及地面控制系統(tǒng)等關(guān)鍵工具，通過(guò)地面控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制N+1根液控管線，實(shí)現(xiàn)井下N個(gè)生產(chǎn)層位的生產(chǎn)調(diào)節(jié)和控制。

(3)液控智能分采技術(shù)在渤海油田C19井首次成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水平井和大斜度井的分層開采，為渤海油田剩余油挖潛提供了更多的技術(shù)手段，對(duì)于油藏資料獲取和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)、實(shí)現(xiàn)油藏精細(xì)開發(fā)或穩(wěn)油控水開發(fā)及提高采收率都具有重要意義。