渤海油田高效投撈無纜分注工藝研究及應(yīng)用

基金項(xiàng)目：中海油能源發(fā)展科技重大專項(xiàng)“智能注采系列產(chǎn)品研制及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”（HFKJ-ZX-GJ-2022-01-02）。

針對無纜智能注水技術(shù)應(yīng)用于油田開發(fā)中，其工藝存在無纜智能工作筒電路可靠性不足、電池壽命短造成無纜注水管柱壽命低的問題，提出了高效投撈無纜分注工藝。研發(fā)的井下可投撈無纜分注工作筒將無纜注水工作筒的電子元器件、傳感器部件集成在可投撈注水芯子內(nèi)部，利用鋼絲作業(yè)實(shí)現(xiàn)芯子的快速維修、更換，有效地延長管柱壽命。同時(shí)研發(fā)了配套的地面發(fā)碼系統(tǒng)與高效壓力波控制編碼技術(shù)，通過軟件和硬件的配合，實(shí)現(xiàn)了水嘴開度調(diào)節(jié)、流量預(yù)設(shè)等7大功能，有效地提高了無纜調(diào)節(jié)效率。目前渤海油田現(xiàn)場應(yīng)用62井次，投撈成功率達(dá)到100%，注水合格率達(dá)到97%以上。該技術(shù)的研發(fā)可為海上油田的高效智能注采提供新的選擇。

智能注水；分注工藝；無纜投撈；壓力波；注水合格率；渤海油田

Research and Application of Efficient Dropping-Fishing Cableless

Separate Zone Injection Technology in Bohai Oilfield

Xue Dedong Guo Peiwen Zhang Chengfu Zhang Lei Wang Yao Shen Qiong Ding Deji

（CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.，Ltd.）

When the conventional cableless intelligent water injection technology is applied in oilfield development，the insufficient circuit reliability of cableless intelligent working barrel and the short battery life often result in short service life of cableless injection string.In order to solve this problem，an efficient dropping-fishing cableless separate zone injection technology was proposed.The developed downhole dropping-fishing cableless separate zone injection working barrel integrates the electronic components and sensor components of the cableless water injection working barrel in the dropping-fishing water injection mandrel，and uses the wireline operation to achieve rapid maintenance and replacement of the mandrel，effectively improving the service life of the string.Meanwhile，a matching ground code sending system and an efficient pressure wave control coding technology were developed.By means of the combination of software and hardware，seven major functions such as water nozzle opening regulation and flow rate preset were achieved，effectively improving the cableless regulation efficiency.This technology has been applied in 62 wells of the Bohai Oilfield up to now，with dropping-fishing success rate coming to 100% and water injection qualification rate of over 97%.This technology provides a new option for efficient and intelligent injection and production in offshore oilfields.

intelligent water injection；separate zone injection technology; cableless dropping-fishing；pressure wave；water injection qualification rate;Bohai Oilfield

0 引 言

渤海油田經(jīng)歷30余年的開發(fā)，目前已進(jìn)入全面水驅(qū)開發(fā)階段，同時(shí)面對油田增儲(chǔ)上產(chǎn)需求，對注水開發(fā)提出了“智能化、精細(xì)化”的注水需求。國內(nèi)海上智能注水技術(shù)經(jīng)歷十余年的發(fā)展，目前發(fā)展出了有纜智能分注技術(shù)、無纜智能分注技術(shù)、液控智能分注技術(shù)及邊測邊調(diào)智能分注技術(shù)等4種技術(shù)^［1-6］。目前在渤海油田共計(jì)施工400余井次，為渤海油田智能注水技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的工藝保障。

無纜智能分注技術(shù)，是利用壓力載波通信方式，控制井下無纜智能分注工作筒，實(shí)現(xiàn)井下工作筒參數(shù)調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)回傳的工藝。國外以Tendeka公司的PulseEight技術(shù)為代表的壓控?zé)o纜智能工藝，已實(shí)現(xiàn)雙向壓力波傳輸，且有一定規(guī)模應(yīng)用。國內(nèi)研發(fā)的無纜智能分注工藝在長慶油田現(xiàn)場已應(yīng)用上千井次。2016年，在渤海油田開始進(jìn)行無纜智能分注工藝現(xiàn)場試驗(yàn)，由于其管柱結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)配效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，截至2022年，該技術(shù)在海上油田已成功應(yīng)用30余井次。但由于海上油田動(dòng)管柱作業(yè)成本高，常規(guī)無纜智能分注技術(shù)的井下工具利用電池供電，工藝管柱的壽命受無纜智能工作筒電路可靠性、電池壽命等影響較大，當(dāng)電路發(fā)生故障或電池電量耗盡時(shí)，地面無法實(shí)現(xiàn)井下的測調(diào)與通信，導(dǎo)致工藝管柱失效，整體管柱壽命較短，造成作業(yè)成本過高^［7-12］。針對以上問題，筆者開發(fā)了一種適用于海上油田的高效投撈無纜分注工藝，將無纜注水工作筒電子元器件集成在投撈芯子內(nèi)部，在電路故障、電池能量不足時(shí)，可以通過投撈方式進(jìn)行配水器芯子更換，實(shí)現(xiàn)工藝管柱的長壽命、高可靠性工作^［13-15］。

1 工藝原理

1.1 管柱工藝組成

高效投撈無纜分注工藝管柱組成如圖1所示。以防砂完井為例，在每個(gè)層位分別下入一套高效投撈無纜分注工作筒，層間通過插入密封裝置進(jìn)行密封。地面設(shè)備由自檢自控儀、地面控制器及上位機(jī)等組成。

1.2 工作原理

管柱在下入時(shí)，將井下可投撈無纜分注工作筒的投撈芯子和工作筒組裝完成，接入完井管柱中，完成管柱下入。管柱下入完成后，通過地面上位機(jī)發(fā)出指令，控制地面控制器實(shí)現(xiàn)自檢自控儀與泄壓閥的開關(guān)動(dòng)作，從而利用注水壓力在井口產(chǎn)生壓力波，通過不同的壓力波組合形成不同的指令。組合壓力波通過油管傳輸至井下，井下無纜分注工作筒芯子接收到壓力指令波信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)井下分層注入量的調(diào)整與數(shù)據(jù)回傳等操作。當(dāng)井下某層位智能注水工作筒發(fā)生故障或電池電量耗盡時(shí)，可利用鋼絲電纜作業(yè)，將該層位注水芯子撈出進(jìn)行維修、更換?？赏稉品绞阶鳂I(yè)避免了動(dòng)管柱，延長了工藝管柱的壽命，實(shí)現(xiàn)管柱高可靠性工作，降低作業(yè)成本。

1.3 技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)

高效投撈無纜分注工藝管柱能夠?qū)崿F(xiàn)最小防砂通徑為82.55 mm（3.25 in），4個(gè)層位的智能分注。最大耐溫150 ℃，耐壓60 MPa。?82.55 mm注入工具單層最大注入量達(dá)350 m³/d，全井最大注入量800 m³/d。該工藝集成了投撈注水工藝與無纜智能分注工藝的優(yōu)點(diǎn)，將核心元器件通過可投撈方式，提高了關(guān)鍵核心工具的可靠性與整體工藝的長效性。對于智能化注水技術(shù)具有重大推廣意義。

2 井下可投撈無纜分注工作筒

2.1 工作筒

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

無纜分注工作筒主要由上接頭、外管、定位頭、中心管、水嘴、下接頭等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

無纜分注工作筒隨管柱下入，每個(gè)注入層位分別下入一套，定位頭與無纜可投撈芯子定位臺(tái)階配合，實(shí)現(xiàn)可投撈芯子的定位。定位頭具有系列化的尺寸，配合系列化可投撈芯子定位臺(tái)階尺寸，實(shí)現(xiàn)多層可投撈芯子的定位。工作筒通過橋式通道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了下層注入水的過流。工作筒水嘴與無纜可投撈芯子水嘴配合，實(shí)現(xiàn)層間注入量的調(diào)整。

2.1.2 技術(shù)參數(shù)

工作筒外形尺寸為?80 mm×750 mm；

中心通徑為40、42、44、46 mm；

最大工作溫度為150 ℃；

最大工作壓力為60 MPa。

2.2 可投撈芯子

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

無纜可投撈芯子由打撈頭、電池倉、電路倉、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速器、上密封模塊、電動(dòng)機(jī)減速器模塊、水嘴、下密封模塊、流量計(jì)孔板等結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示。打撈頭位于工具頂端，實(shí)現(xiàn)工具的投放、打撈；電池模塊為無纜可投撈芯子的電路、電動(dòng)機(jī)、傳感器等提供電量；電路板為可投撈芯子的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制與傳感器信號(hào)的采集；驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)水嘴上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中心水嘴的開關(guān)與注入量的調(diào)節(jié)；上下密封模塊分別與無纜分注工作筒的中心管配合，實(shí)現(xiàn)層段注入水的密封。流量計(jì)選用孔板結(jié)構(gòu)，孔板前后分別設(shè)置引壓孔，通過壓力傳感器測試孔板前后的壓差，從而計(jì)算當(dāng)前層流量。管柱下入時(shí)，可以將無纜可投撈芯子與無纜分注工作筒配合完成后，隨管柱下入。長時(shí)間工作后，若因電池壽命到期或電路板故障導(dǎo)致的層位故障，可以通過投撈的形式，利用鋼絲作業(yè)將無纜可投撈芯子撈出，進(jìn)行電池更換與電路維修后，再將芯子重新投入，實(shí)現(xiàn)該層位的更換。

2.2.2 技術(shù)參數(shù)

可投撈芯子外形尺寸為?40、?42、?44、?46 mm×2 000 mm；最高工作溫度為150 ℃；最大工作壓力為60 MPa；單層流量范圍為20～350 m³/d。

無纜可投撈芯子和無纜分注工作筒2部分配合，如圖4所示。在工作狀態(tài)時(shí)，無纜可投撈芯子插入無纜分注工作筒內(nèi)部，通過上下密封模塊實(shí)現(xiàn)可投撈芯子與中心管的密封。工作筒定位頭與無纜可投撈芯子定位臺(tái)階配合，實(shí)現(xiàn)可投撈芯子的定位。中心管注水通過橋式通道進(jìn)入芯子下部，通過設(shè)置在芯子下部的過流通道，經(jīng)過流量計(jì)孔板到達(dá)水嘴處，通過調(diào)節(jié)水嘴開度的大小，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前層位注入量的調(diào)整。

3 配套技術(shù)研究

3.1 井口發(fā)碼系統(tǒng)

3.1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

地面發(fā)碼系統(tǒng)主要由上位機(jī)、地面控制器、流量自控儀、泄壓閥及壓力變送器等組成，如圖5所示。

上位機(jī)發(fā)出指令、通過地面控制器控制流量自控儀與泄壓閥配合動(dòng)作。在注水狀態(tài)下，通過流量自控儀開關(guān)，在井口形成高低壓組成的預(yù)設(shè)壓力波，將壓力波通過油管內(nèi)液體傳輸至井下，控制井下工作筒動(dòng)作。當(dāng)井下工作筒都處于完全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，流量自控儀關(guān)閉，油管內(nèi)液體無法產(chǎn)生低壓，此時(shí)通過開關(guān)泄壓閥在井口形成高低壓力，從而完成井口發(fā)碼流程。壓力變送器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測流量自控儀前后的壓力，對井口產(chǎn)生的壓力波形進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控。

在正常注水時(shí)，流量自控儀可以實(shí)時(shí)校正井下多層的總流量。同時(shí)為了保證井下單層流量傳感器的準(zhǔn)確性，可以調(diào)用井下流量標(biāo)定功能。標(biāo)定時(shí)首先將井下工作筒全部關(guān)閉，然后單獨(dú)打開制定層位芯子水嘴，通過開度的調(diào)整，標(biāo)定不同流量下地面流量與井下流量的差值，從而計(jì)算出校正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對井下投撈芯子流量計(jì)的標(biāo)定。利用該方法，可以逐層實(shí)現(xiàn)多層流量計(jì)的標(biāo)定。

3.1.2 流量自控儀技術(shù)參數(shù)

電源為AC 220 V；流量范圍為1.5～25.0 m³/h；開閉時(shí)間為30 s；輸出力矩為100 N·m；通信形式為RS485；通信協(xié)議為Modbus RTU。

3.2 高效壓力波控制編碼技術(shù)

井口壓力波編碼技術(shù)通過開關(guān)流量自控儀球閥，在井口產(chǎn)生壓力的變化，實(shí)現(xiàn)控制命令的編碼，通過管柱內(nèi)液體進(jìn)行壓力波傳輸，實(shí)現(xiàn)下發(fā)通信。壓力波編碼包含喚醒+層位+開度+結(jié)束4個(gè)段，如圖6所示。

為提升信號(hào)傳輸效率，高效編碼系統(tǒng)主要包含了7大功能，實(shí)現(xiàn)了水嘴的快速開關(guān)、調(diào)節(jié)、驗(yàn)封、輪注等功能和高效、快速的調(diào)節(jié)。

高效編碼系統(tǒng)7大功能分別為：①水嘴開度調(diào)節(jié)。將水嘴開度從全開到全關(guān)劃分為16個(gè)開度，增加正、負(fù)2個(gè)微調(diào)指令，通過發(fā)碼可以實(shí)現(xiàn)井下配水器水嘴開度的快速調(diào)節(jié)。

②流量預(yù)設(shè)。為井下配水器設(shè)置預(yù)定的流量值，井下配水器注入量偏離配注量一定范圍時(shí)可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，提高配注精度，減少測調(diào)時(shí)間。

③一鍵驗(yàn)封。按照預(yù)定的指令，進(jìn)行層位水嘴開關(guān)動(dòng)作，完成驗(yàn)封準(zhǔn)備工作。并進(jìn)行壓力采集，完成驗(yàn)封功能。定時(shí)回傳驗(yàn)封數(shù)據(jù)。

④一鍵輪注。命令下發(fā)后，每層配水器依次打開、關(guān)閉，地面進(jìn)行不同壓力下的注入量測試。

⑤水嘴定時(shí)開啟。為防止水嘴結(jié)垢、堵塞。在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，水嘴可以定時(shí)的開啟、關(guān)閉。

⑥一鍵全開。所有層水嘴全開。

⑦讀取井下壓力、流量地面發(fā)碼，井下返碼。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

高效投撈無纜分注工藝于2022年開始應(yīng)用于渤海油田現(xiàn)場，目前共應(yīng)用38井次，井下投撈成功率達(dá)到100%。以渤海油田X井為例，該井最大井深2 600 m，最大井斜54°，防砂內(nèi)通徑為98.55 mm（3.88 in），井下分4層進(jìn)行注入。無纜可投撈芯子和無纜分注工作筒配合完成后，隨管柱下入，下入后進(jìn)行注入量的調(diào)整。配注量與實(shí)際注入量如表1所示，最終注水合格率達(dá)97%以上。

5 結(jié) 論

（1）研發(fā)的井下可投撈無纜分注工作筒，將無纜注水工作筒的電子元器件、傳感器部件集成在注水芯子內(nèi)部，利用可投撈方式實(shí)現(xiàn)芯子的快速維修、更換，延長了管柱壽命。

（2）通過地面發(fā)碼系統(tǒng)與高效壓力波控制編碼技術(shù)融和，實(shí)現(xiàn)了水嘴開度調(diào)節(jié)、流量預(yù)設(shè)等7大功能，保障井下水嘴的快速調(diào)節(jié)。

（3）目前高效投撈無纜分注技術(shù)在渤海油田現(xiàn)場應(yīng)用38井次，投撈成功率達(dá)到100%，注水合格率達(dá)到97%以上，有效推進(jìn)了海上油田高效智能注采技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉合，裴曉含，賈德利，等．第四代分層注水技術(shù)內(nèi)涵、應(yīng)用與展望［J］．石油勘探與開發(fā)，2017，44（4）：608-614，637．

LIU H，PEI X H，JIA D L，et al.Connotation，application and prospect of the fourth-generation separated layer water injection technology［J］.Petroleum Exploration and Development，2017，44（4）：608-614，637.

［2］ 胡改星，劉延青，張?zhí)旖?，等．基于壓力波通信的注水井分層調(diào)控系統(tǒng)研究［J］．石油機(jī)械，2022，50（11）：104-110．

HU G X，LIU Y Q，ZHANG T J，et al.Study on separate allocation system for water injection well based on pressure wave communication［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（11）：104-110.

［3］ 趙廣淵，王天慧，楊樹坤，等．渤海油田液壓控制智能分注優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)［J］．石油鉆探技術(shù)，2022，50（1）：76-81．

ZHAO G Y，WANG T H，YANG S K，et al.Key optimization technologies of intelligent layered water injection with hydraulic control in Bohai Oilfield［J］.Petroleum Drilling Techniques，2022，50（1）：76-81.

［4］ 王東，王良杰，張鳳輝，等．渤海油田分層注水技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］．中國海上油氣，2022，34（2）：125-137．

WANG D，WANG L J，ZHANG F H，et al.Research status and development direction of separated layer water injection technology in Bohai Oilfield［J］.China Offshore Oil and Gas，2022，34（2）：125-137.

［5］ 劉義剛，陳征，孟祥海，等．渤海油田分層注水井電纜永置智能測調(diào)關(guān)鍵技術(shù)［J］．石油鉆探技術(shù)，2019，47（3）：133-139．

LIU Y G，CHEN Z，MENG X H，et al.Cable implanted intelligent injection technology for separate injection wells in Bohai Oilfield［J］.Petroleum Drilling Techniques，2019，47（3）：133-139.

［6］ 劉紅蘭．勝利海上油田安全可控長效分層注水技術(shù)［J］．石油鉆探技術(shù)，2019，47（1）：83-89．

LIU H L.Safe and controllable long-term layered water injection technology for the Shengli offshore oilfield［J］.Petroleum Drilling Techniques，2019，47（1）：83-89.

［7］ 杜曉霞，季公明，郭宏峰，等．無纜智能注水技術(shù)研究進(jìn)展概述［J］．海洋石油，2021，41（3）：32-36．

DU X X，JI G M，GUO H F，et al.Progress of wireless intelligent water injection technology［J］.Offshore Oil，2021，41（3）：32-36.

［8］ 劉義剛，孟祥海，陳征，等．海上大排量分注井無纜智能配水器水嘴壓力損失數(shù)值模擬［J］．石油鉆采工藝，2021，43（2）：250-253．

LIU Y G，MENG X H，CHEN Z，et al.Numerical simulation of the pressure loss at the water nozzle of wireless intelligent water regulator of offshore large-displacement separate injection well［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2021，43（2）：250-253.

［9］ 武勝男，張來斌，鄧金根，等．基于蒙特卡洛模擬的極限注水壓力不確定性分析［J］．石油鉆探技術(shù)，2016，44（3）：109-114．

WU S N，ZHANG L B，DENG J G，et al.Monte carlo simulation-based uncertainty analysis on extreme water injection pressure［J］.Petroleum Drilling Techniques，2016，44（3）：109-114.

［10］ 岳元龍，張鶴睿，耿欽，等．基于管柱壓力波的注水井無線通信方法［J］．石油機(jī)械，2021，49（2）：81-87，132．

YUE Y L，ZHANG H R，GENG Q，et al.The wireless communication method of water injector based on string pressure wave［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（2）：81-87，132.

［11］ 楊樹坤，李越，廖朝輝，等．渤海油田無纜智能分注技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用［J］．鉆采工藝，2023，46（3）：60-65．

YANG S K，LI Y，LIAO C H，et al.Optimization and application of wireless intelligent injection technology in Bohai Oilfield［J］.Drilling amp; Production Technology，2023，46（3）：60-65.

［12］ 張玉榮，閆建文，楊海英，等．國內(nèi)分層注水技術(shù)新進(jìn)展及發(fā)展趨勢［J］．石油鉆采工藝，2011，33（2）：102-107．

ZHANG Y R，YAN J W，YANG H Y，et al.Technologies of separated layer water flooding：an overview［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2011，33（2）：102-107.

［13］ 譚紹栩，宋昱東，王寶軍，等．渤海油田智能注水完井技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2019，47（4）：63-68．

TAN S X，SONG Y D，WANG B J，et al.Application of intelligent water injection and completion technology in Bohai Oilfield［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（4）：63-68.

［14］ 張鳳輝，徐興安，薛德棟，等．海上油田井口安全注水壓力研究［J］．石油鉆采工藝，2015，37（6）：83-85．

ZHANG F H，XU X A，XUE D D，et al.Research on safe water injection pressure at wellhead on offshore oilfield［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2015，37（6）：83-85.

［15］ 張旭，韓新德，林春慶，等．有纜智能分注技術(shù)在華北油田的應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2019，47（3）：87-92．

ZHANG X，HAN X D，LIN C Q，et al.Application of wireline intelligent separate-layer water injection technology in Huabei Oilfield［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（3）：87-92.

第一薛德棟，高級工程師，生于1988年，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）機(jī)械工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事采油工藝及井下工具研究工作。地址：（300452）天津市濱海新區(qū)。電話：（022）66907346。email：xuedd2@cnooc.com.cn。2024-04-21南麗華