海上油田電液聯(lián)控單管分層注聚技術(shù)研究

錢欽 車傳睿 任從坤 張雪梅 李德忠 石瓊

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

埕島油田主體已經(jīng)進(jìn)入三次采油開發(fā)階段，受主力油藏小層多、滲透率級差大、非均質(zhì)性強等因素的影響，合注易出現(xiàn)層間干擾、地層堵塞及層間注聚不均衡等問題，影響開發(fā)效果，因此有必要開展精細(xì)分注。目前分層注聚工藝主要有同心雙管分注和空心單管分注。同心雙管注聚只能分注2層[1-2]，應(yīng)用條件受限；空心單管分層注聚技術(shù)主要包括空心投撈注聚[3]、測調(diào)注聚[4-6]及預(yù)置電纜智能注聚等[7-8]?？招耐稉谱⒕酆蜏y調(diào)注聚存在頻繁投撈、測調(diào)儀投撈不到位、費時費力、效率低等問題；預(yù)置電纜智能注聚存在測調(diào)儀扭矩小、配聚器調(diào)配困難、井下流量長期監(jiān)測困難、有效期短等問題；不適于高作業(yè)成本的海上油田，難以推廣。為此，開發(fā)了電液復(fù)合聯(lián)控單管分層注聚技術(shù)。電控液驅(qū)技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很快，國外哈里伯頓、沙特阿美公司都有相關(guān)的產(chǎn)品；中海油開發(fā)了一種電控液驅(qū)分層注采控制系統(tǒng)[9]，最大外徑114 mm，通徑44 mm，可用于分層采油或分層注水，其節(jié)流單元為不同開度的圓孔，對聚合物剪切大，不能用于注聚井。本文研究的電液聯(lián)控技術(shù)充分利用了電控設(shè)備快速、集成化及液壓設(shè)備穩(wěn)定性好、扭矩大的特點，采用液控配聚器實現(xiàn)大推力差異注入，特殊節(jié)流單元設(shè)計確保聚合物黏度，電液復(fù)合分控裝置一控多簡化管線數(shù)量，非接觸流量計實現(xiàn)長效流量監(jiān)測，最大外徑95 mm，滿足了海上油田通徑108 mm防砂管內(nèi)的“保黏、細(xì)分、長效”的注聚需求。

1 技術(shù)分析

1.1 管柱組成

國內(nèi)外較為先進(jìn)的井下分層控制注采技術(shù)可分為液控、電控、電-液一體化控制等3類[10-14]，一般用于精細(xì)分層采油和分層注水。本文將電液控制技術(shù)與細(xì)分注聚結(jié)合，創(chuàng)新了電液聯(lián)控單管分層注聚技術(shù)，實現(xiàn)全井筒保黏注入。

電液聯(lián)控單管分層注聚管柱主要包括井下安全閥、電液復(fù)合分控裝置、液控配聚器、熱傳導(dǎo)流量計、液控分層封隔器、低剪切防砂管柱等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電液聯(lián)控單管分層注聚管柱示意圖

1.2 原理

管柱主要包括分層防砂管柱和分層注聚管柱。防砂管柱采用海上大通徑機械掛濾防砂，濾砂管采用新型低剪切注聚用濾砂管；分注管柱在防砂魚腔上部安裝有電液分配裝置，電液分配裝置下部通過液控管線和電纜控制(至多4層)液控配聚器的分級調(diào)控，用內(nèi)外封隔器把各層段隔開，每一層段對應(yīng)一級液控配聚器和熱傳導(dǎo)流量計。分層注聚時，電液分配裝置打開需要調(diào)配的液控配聚器支路，地面加壓控制配聚器上的調(diào)節(jié)機構(gòu)并通過讀取熱傳導(dǎo)流量計傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行各層流量調(diào)配，如圖2所示。

圖2 電液聯(lián)控單管分注工作原理

1.3 技術(shù)特點

(1)分注4層，液控配聚器調(diào)控力同電控相比提高4～7倍，節(jié)流壓差≤9 MPa，黏度保留率90%以上。

(2)電液復(fù)合控制方式結(jié)合了電、液技術(shù)的優(yōu)點，簡化管柱結(jié)構(gòu)、控制準(zhǔn)確、實時顯示井下狀態(tài)和參數(shù)。

(3)井下非接觸式熱傳導(dǎo)流量測試技術(shù)實現(xiàn)了聚合物井下流量高精度、長期在線監(jiān)測。

(4)可全井筒反洗井，有利于保證測調(diào)成功率和較好的注入能力。

2 配套工具設(shè)計

2.1 液控多級配聚器

2.1.1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

液控式多級調(diào)節(jié)配聚器主要由液控總成、活塞控制機構(gòu)、彈簧復(fù)位機構(gòu)、水嘴調(diào)節(jié)機構(gòu)、上接頭、下接頭等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要技術(shù)參數(shù)：最大下入深度1 500 m，直推力2 355 N，最大外徑93 mm，通徑40 mm，可調(diào)級數(shù)4級。

1—上接頭；2—外套；3—活塞；4—彈簧；5—連接套；6—節(jié)流芯子；7—注聚套。

2.1.2 工作原理

液控管線連接至上接頭的轉(zhuǎn)接頭處，通過地面加壓，活塞控制機構(gòu)下移，壓縮彈簧，水嘴調(diào)節(jié)機構(gòu)會沿著注聚套發(fā)生上下移動，此時波紋管節(jié)流芯子與波紋管節(jié)流套筒之間的節(jié)流間隙可以隨著節(jié)流芯子的上下移動而改變，從而改變聚合物流動摩阻，進(jìn)而改變聚合物流動時的節(jié)流壓差，實現(xiàn)聚合物流量調(diào)節(jié)的目的。芯子拉桿到達(dá)上注聚套的最上與最下端時，設(shè)置限位機構(gòu)。節(jié)流芯子上下兩端都有限位機構(gòu)，避免了節(jié)流芯子與節(jié)流套筒的完全貼合，增大調(diào)節(jié)摩阻。同時，節(jié)流芯子的上端都有回位彈簧，泄壓后，在回位機構(gòu)輔助下，實現(xiàn)節(jié)流芯子的自動復(fù)位。節(jié)流單元采用流線形梭桿式，單節(jié)閥芯的流線型結(jié)構(gòu)能夠最大程度降低溶液剪切，見圖4。聚合物溶液流經(jīng)閥芯時，過流面積的連續(xù)變化會在局部產(chǎn)生渦流，表現(xiàn)出節(jié)流壓差。試驗結(jié)果表明，聚合物過配聚器節(jié)流壓差最高可達(dá)9 MPa，黏度保留率90%以上，如圖5所示。

圖4 流線形節(jié)流單元結(jié)構(gòu)圖

圖5 聚合物過液控配聚器黏度保留率及節(jié)流壓差

2.2 電液復(fù)合分控裝置

2.2.1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

電液復(fù)合分控裝置可以實現(xiàn)1根液控管路實時分控井下多個液控工具，主要由控制電路、電控開關(guān)和分配盤3大部分構(gòu)成，如圖6所示。主要技術(shù)參數(shù)：最大下深1 500 m，工作壓差35 MPa，控制層數(shù)4層，最大外徑150 mm，通徑50 mm。

1—保護(hù)套；2—液壓分配盤；3—電控開關(guān)；4—外筒；5—電路固定倉；6—防轉(zhuǎn)鍵；7—上接頭；8—上保護(hù)套；9—中心管。

2.2.2 工作原理

通過對比分析國內(nèi)外油田井下電控滑套、井下液控開關(guān)等相關(guān)工具的優(yōu)缺點[15-16]，確定了由1根液控管線提供液壓和1根電纜實現(xiàn)分層控制的技術(shù)路線。電液復(fù)合分控裝置安裝在分層段上方，地面給液控管線補壓到一定值。然后給井下電纜通電，傳指令給該裝置的控制系統(tǒng)，給其中一件電控開關(guān)供電，該電控開關(guān)通電后打開液流通道，地面給液控管線增壓或降壓，液壓油通過電控開關(guān)液流通道進(jìn)入下部多級配聚器，實現(xiàn)配聚器的流量通道大小的調(diào)節(jié)或換層開采。電控開關(guān)斷電后液流通道關(guān)閉，液壓油截流。控制系統(tǒng)可分別給4件電控開關(guān)通電打開液流通道，然后分別給下部的配聚器提供液壓油增壓或降壓，如圖7所示。

圖7 電液復(fù)合裝置試驗流程圖

模擬85 ℃環(huán)境中裝置的信號、開關(guān)、穩(wěn)壓等性能。模擬試驗結(jié)果表明：電控開關(guān)電控反應(yīng)時間在5.8 s以內(nèi)，液路加壓30～35 MPa，液壓密封良好，滿足現(xiàn)場“一控多”的液路分配需求。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電液復(fù)合分控裝置性能試驗

2.3 非接觸熱傳導(dǎo)流量計

2.3.1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

海上單管分層注聚技術(shù)需采用適合聚合物溶液的高精度、長效井下流量測試。而傳統(tǒng)流量計比如電磁流量計容易產(chǎn)生漂移；超聲波流量計測量小流量難度大；壓差類流量計存在聚合物剪切，并且會占據(jù)或縮小中心通道，不利于后期投撈測試。上述流量計都無法滿足需求，因此研制了非接觸式熱傳導(dǎo)流量測試技術(shù)。圖8為熱傳導(dǎo)流量計結(jié)構(gòu)圖。熱傳導(dǎo)流量計主要包括轉(zhuǎn)換接頭、電纜接頭、加熱模塊、隔熱模塊及電路倉體等。熱傳導(dǎo)流量計總長1 768 mm，最大外徑95 mm，工作壓力60 MPa，工作溫度125 ℃，溫度測量分辨率≥0.04 ℃，流量精度±4 F.S。

1—轉(zhuǎn)換接頭；2—電纜接頭；3—左隔熱塊；4—加熱支架；5—加熱帶；6—溫度傳感器A；7—右隔熱塊；8—溫度傳感器B；9—電路倉；10—溫度傳感器C。

2.3.2 工作原理

熱傳導(dǎo)流量計采用熱擴散和熱脈沖相結(jié)合的方法，利用高精度溫度檢測技術(shù)，分析流體流速對熱能擴散的影響，實現(xiàn)井下流量在線監(jiān)測與配聚器調(diào)控的技術(shù)耦合，原理見圖9。在管壁上繞制加熱帶，利用加熱帶對管壁進(jìn)行加熱，產(chǎn)生熱能，促使管內(nèi)流體溫度發(fā)生變化。其加熱模塊包括左右2個工字形隔熱塊，2個隔熱塊中間為石墨烯加熱模塊，對石墨烯帶進(jìn)行加熱，加熱模塊兩邊設(shè)有隔熱保護(hù)層，防止加熱模塊的溫度迅速擴散；在加熱模塊的下游不同距離處安裝有3個高精度溫度傳感器，用于檢測不同位置的溫度，通過分析3個溫度傳感器的溫差變化，結(jié)合溫差變化的時間，可實現(xiàn)流體流量的精確測量。可對石墨烯加熱模塊進(jìn)行恒溫加熱和脈沖加熱。通過2種方式獲得的流量值相互補充和校正，從而獲得準(zhǔn)確的流量。實驗室測試聚合物溶液流量數(shù)據(jù)和標(biāo)定流量誤差在5%以內(nèi)，見表2。

表2 熱傳導(dǎo)流量計實測數(shù)據(jù)

圖9 熱傳導(dǎo)流量計測試原理

熱傳導(dǎo)流量計設(shè)計了井地雙向通信模塊，確保井下溫度、流量等數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r上傳，控制命令能夠準(zhǔn)確下發(fā)。它主要包含井下監(jiān)測與地面控制2部分，地面控制箱通過單心鋼管電纜將直流電送到井下監(jiān)測系統(tǒng)，井下監(jiān)測系統(tǒng)將井下監(jiān)測的溫度、壓力、流量等信息通過單心鋼管電纜傳輸?shù)降孛婵刂葡洹５孛婵刂葡渫ㄟ^USB線與計算機相連，計算機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理，地面系統(tǒng)所用芯片均滿足-40～85 ℃的耐溫要求，防爆等級為Exd Ⅱ BT4，防護(hù)等級為IP65。

3 現(xiàn)場試驗

截至2023年6月，電液聯(lián)控單管分層注聚技術(shù)在現(xiàn)場開展了3口井的現(xiàn)場試驗，分注2～3層，最大單層配注量120 m3/d，測調(diào)次數(shù)達(dá)21次。3口井均按照地質(zhì)配注完成了測試調(diào)配，測試準(zhǔn)確率達(dá)85%以上，驗證了該技術(shù)的可行性。

以注聚井A為例，該井2021年10月采用液電聯(lián)控分層注聚工藝完井，分注層數(shù)2層；2023年8月對各層流量進(jìn)行調(diào)配，地面通過電液復(fù)合裝置液控加壓換層調(diào)節(jié)各層配注量，井下熱傳導(dǎo)流量計監(jiān)測配注量。測試各小層注入量分別為42、85 m3/d，總注入量127 m3/d，配注間注入量135 m3/d，計量誤差6%，符合地質(zhì)配注要求，見圖10。

圖10 聚合物注入測試曲線

4 結(jié) 論

(1)電液聯(lián)控單管分層注聚技術(shù)簡化了管柱結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)了大推力差異注入及井下長期流量監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)單管細(xì)分注聚技術(shù)存在因聚合物吸附等造成測調(diào)儀投撈不到位、配聚器調(diào)配困難，有效期短等問題。

(2)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，電液聯(lián)控單管分層注聚技術(shù)信號傳輸通暢、 參數(shù)測量準(zhǔn)確、 液控配聚器調(diào)控配聚器力度大，工作性能可靠，配聚器黏度保留率 90%以上，各項性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有較高的應(yīng)用推廣價值。