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      小直徑直讀電動驗封儀的研制及應(yīng)用

      2018-09-11 06:14:58王玉玲
      石油管材與儀器 2018年4期
      關(guān)鍵詞:配產(chǎn)層段推桿

      王玉玲

      (大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

      0 引 言

      大慶油田進入特高含水開發(fā)階段,層間、平面矛盾加劇,生產(chǎn)井含水動態(tài)變化較頻繁,控水及挖潛難度加大。2010年大慶采油工程研究院開展了油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)研究,通過分層產(chǎn)液量、分層含水以及分層壓力等多參數(shù)監(jiān)測,為各生產(chǎn)層段合理控制及均衡動用提供了技術(shù)手段。

      測控配產(chǎn)技術(shù)是指人為將所選生產(chǎn)井內(nèi)原有的30~50個小層封隔成3~7個配產(chǎn)層,每個配產(chǎn)層都是由上封隔器、配產(chǎn)器、下封隔器組成,其中配產(chǎn)器測試通道最小直徑為27.5 mm,每個配產(chǎn)器都與相對應(yīng)的配注井的層位連通[1,2]。根據(jù)測量結(jié)果,對相應(yīng)層進行從全開到全關(guān)配產(chǎn),實現(xiàn)油井分層控制與動態(tài)調(diào)整,緩解層間和平面矛盾,實現(xiàn)各類油層均衡動用、提高油層動用程度,以達到穩(wěn)油控水的目的[3-7]。

      在對配產(chǎn)井流量含水的實際動態(tài)監(jiān)測中,通過對合層流量與分層流量的測量資料對比,發(fā)現(xiàn)部分配產(chǎn)井流量含水的分層解釋相互矛盾,初步判斷是由于封隔器與配產(chǎn)器或封隔器與油管之間存在漏失,配產(chǎn)井井下管柱長期置于井下,易產(chǎn)生管柱變形,影響措施效果,因此需要驗封儀對配產(chǎn)器分層配產(chǎn)密封效果進行驗證[8,9]。以往配產(chǎn)井應(yīng)用的井下驗封工具是井下存儲式壓力計[10],需采用作業(yè)方式將工具一次下井,連續(xù)監(jiān)測5 d的壓力資料,再通過作業(yè)方式取出。此工藝驗封時間長,投撈工作量大,一次只能驗封一個層位。與此相比,所研制的小直徑直讀電動驗封儀可利用測試班組地面裝備、采用電纜傳輸,實時監(jiān)測封堵效果,保證油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)所獲資料的準確性[11],為油田的高效、環(huán)保再添新的技術(shù)支撐。

      1 儀器方案設(shè)計

      所設(shè)計的小直徑直讀電動驗封儀利用可調(diào)配產(chǎn)器測試通道作為密封面,采用雙道形變皮瓦密封,通過形變皮瓦的脹封,實現(xiàn)配產(chǎn)器單層進液流體相對于井內(nèi)流體的分段封閉,記錄封閉后配產(chǎn)器進液口的流體壓力信息,判斷配產(chǎn)井內(nèi)封隔器是否工作良好。配產(chǎn)器測試通道直徑為27.5 mm,儀器外徑設(shè)計為26 mm,工作時,形變皮瓦封閉26~27.5 mm之間的環(huán)形空間,這種密封結(jié)構(gòu)對于小管徑通道,密封效果極好。技術(shù)難點是儀器外徑小,設(shè)計時要考慮到密封、強度、定位。

      1.1 儀器機械結(jié)構(gòu)

      小直徑直讀電動驗封儀機械結(jié)構(gòu)由上至下依次為電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)、推進結(jié)構(gòu)、支撐臂、上皮瓦、進液口、下皮瓦、壓力探頭及壓力測量電路。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

      圖1 小直徑直讀電動驗封儀的機械結(jié)構(gòu)示意圖

      電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)中,驅(qū)動推桿隨著電機供正電或負電來回滑動,帶動支撐臂撐起或收回,同時帶動形變皮瓦脹封與收縮,完成坐封和解封過程。

      為了形變皮瓦密封效果以及避免形變后壓力擠壓而產(chǎn)生泄漏,選材上選取既適合形變密封又耐壓力擠壓的橡膠材質(zhì),形變皮瓦結(jié)構(gòu)如圖2所示。在固定形變皮瓦的滑道筒上設(shè)計了直徑5 mm的平衡口,在推桿右端設(shè)計了圓弧形泄壓槽。

      圖2 形變皮瓦結(jié)構(gòu)圖

      1.2 電路設(shè)計

      小直徑直讀電動驗封儀脹封完成后,需要完成壓力參數(shù)的測量及傳輸,因此驗封儀電路需要具有如下功能:信號采集與放大、壓頻轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制及功率放大電路。采集的壓力信號通過電纜實時傳輸,經(jīng)由地面控制系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)換,由地面儀表直讀壓力變化數(shù)據(jù)。電路設(shè)計方案如圖3所示。

      圖3 驗封儀電路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

      小直徑直讀電動驗封儀電路設(shè)計原理:在壓力傳感器硅片上安裝4個壓敏電阻,組成橋式電路。當受壓時,變形應(yīng)力將引起金屬絲的電阻變化,一對電阻阻值增加,一對電阻阻值減小,從而破壞橋路平衡,達到測壓的目的。電壓經(jīng)過差動放大、AC/DC(模數(shù))轉(zhuǎn)換、V/F(壓頻)轉(zhuǎn)換后,轉(zhuǎn)換成頻率信號經(jīng)過功率放大電路輸送至地面控制系統(tǒng)。

      1.3 工作原理

      形變皮瓦與起定位功能的支撐臂共用一個電機,所以將電機的行程分為上行程、中行程和下行程三個部分。

      1)上行程是為支撐臂打開提供動力:將驗封儀通過測試電纜下到配產(chǎn)器本層測試口進口固定,在地面控制系統(tǒng)給電機驅(qū)動電路供50 V正電,支撐臂隨著行程推桿慢慢撐起,當與驗封儀形成40 ℃角時,支撐臂旋進配產(chǎn)器內(nèi)部的螺旋定位槽,驗封儀被固定。

      2)中行程是繼續(xù)給電機驅(qū)動電路供電,使推桿繼續(xù)行進,推桿空行程3 mm,形變皮瓦等待6 s開始形變,以保證儀器的形變皮瓦準確到達配產(chǎn)器相對應(yīng)的密封面,避免形變皮瓦過早脹封。

      3)下行程為形變皮瓦漲封提供動力:電機通過推桿帶動固定形變皮瓦的滑動筒滑動,使上、下形變皮瓦脹起,封住驗封儀與配產(chǎn)器的環(huán)形空間,正好將配產(chǎn)器進液口封在中間。本層段的流體經(jīng)配產(chǎn)器進液口進入到驗封儀的進液口中,流體進入驗封儀后,首先經(jīng)由平衡口進入上、下皮瓦脹起的中間弧形空間,以平衡地層流體壓力,然后流體下行到壓力探頭的測試通道,壓力探頭感應(yīng)流體的壓力參數(shù)變化,然后通過電路傳輸信號和傳輸電纜上傳到地面控制系統(tǒng)進行處理,實時顯示壓力變化數(shù)據(jù)。

      待本層段驗封結(jié)束后,在地面控制系統(tǒng)給電機驅(qū)動電路供50 V負電,電機反轉(zhuǎn)。下行程為形變皮瓦泄封提供動力:電機通過推桿帶動固定形變皮瓦的滑道筒回收,因為在推桿上設(shè)有泄壓槽,所以在回收過程中封閉空間的壓力逐漸釋放,當驗封儀內(nèi)外壓力接近平衡時,脹封的上下形變皮瓦恢復(fù)初始狀態(tài),上提電纜10 m后,繼續(xù)供電使推桿繼續(xù)回收,回收到電機反轉(zhuǎn)時的上行程位置,電機反轉(zhuǎn)時的上行程為收回支撐臂提供動力,使支撐臂內(nèi)的卡簧壓縮,支撐臂收回,臥在驗封儀的支撐臂槽內(nèi),這個解封過程與驗封儀脹封過程正好相反。此時完成一個單層段的驗封監(jiān)測,儀器下行,進行下一個層段的驗封過程,可以對同一口井多個層段進行驗封、實時監(jiān)測。

      驗封儀驗封原理:儀器在配產(chǎn)器測試通道中,將進液口上下進行封閉,那么被封住層段的地層壓力就隨密封時間增加而呈線性增加,如圖4所示。起點壓力為井內(nèi)流體壓力,地層壓力的上升速度與關(guān)聯(lián)的注水井的供液能力、地層滲透率、關(guān)聯(lián)井注水壓力與該井流體壓力的差有關(guān)。圖4顯示:壓力隨密封時間增加而線性增加,說明本層封堵效果良好。

      圖4 驗封過程中壓力與時間關(guān)系圖

      2 試驗及分析

      在高溫高壓實驗室的高精度壓力標定裝置上,完成了小直徑直讀電動驗封儀的模擬試驗,試驗裝置示意圖如圖5所示。圖中的配產(chǎn)器測試通道設(shè)備用于模擬配產(chǎn)器內(nèi)部的測試通道,在測試通道中注滿液壓油,通過注入壓力來檢測驗封儀上、下形變皮瓦的坐封情況。配產(chǎn)器測試通道設(shè)備的一端注壓口與自動控制的高精度壓力標定裝置相連接,另一端的溢氣口用于上、下形變皮瓦脹封后,釋放封閉段內(nèi)部存在的部分空氣,使注壓口進入的液壓油能很好地填充整個空間,更好地模擬驗封儀在井下配產(chǎn)器測試通道中的工作狀態(tài)。

      圖5 配產(chǎn)器測試通道實驗裝置示意圖

      試驗時,將儀器的支撐臂先打開,整支儀器插入到測試裝置內(nèi),支撐臂卡在測試裝置一側(cè),儀器的上下形變皮瓦剛好位于測試裝置注壓口的兩側(cè)。對儀器供電,使上下皮瓦脹封良好。繼續(xù)對儀器供電,讀取此時測試儀表的計數(shù),儀表顯示無壓力狀態(tài)時為2.276 kHz。

      通過壓力泵對儀器進行加壓測試,記錄不同壓力時的儀器響應(yīng)頻率,在加壓過程中,測量的儀器響應(yīng)頻率與壓力變化呈線性對應(yīng)關(guān)系。壓力測試曲線如圖6所示:實驗結(jié)果表明:壓力測試曲線與壓力變化呈較好的線性關(guān)系,表明該驗封儀形變皮瓦的密封效果可靠,多次反復(fù)驗證,密封效果穩(wěn)定。

      圖6 壓力測試曲線圖版

      經(jīng)實驗檢測,該驗封儀驗封壓差范圍為0~8 MPa, 精度1‰。

      3 現(xiàn)場試驗及應(yīng)用

      用于油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)的小直徑直讀電動驗封儀于2017年4月在大慶油田XX配產(chǎn)井進行了首次驗封試驗。圖7和圖8是該配產(chǎn)井中兩個層段的測試壓力曲線。

      圖7的壓力曲線表明,偏Ⅲ層段壓力上升平穩(wěn),沒有抽油機沖次引起的壓力干擾,判斷為此層段封堵合格。在驗封偏Ⅲ層段時,儀表上的壓力曲線快速上升,極容易判斷封堵情況,單個層段錄取20~30 min即可完成。

      圖7 XX井偏Ⅲ層壓力曲線

      圖8表明該實例在儀器形變皮瓦撐開后,壓力隨抽油機沖次進行變化,出現(xiàn)了壓力干擾,判斷為偏II層段封隔器有部分漏失情況。

      圖8 XX井偏II層壓力曲線

      現(xiàn)場應(yīng)用表明,應(yīng)用小直徑直讀電動驗封儀對配產(chǎn)井進行驗封時,操作簡單,在壓差8 MPa(地層壓力-流體壓力)以內(nèi),驗封功能正常,資料錄取實時、高效、驗封結(jié)果可靠。壓差大于8 MPa之后,泄壓功能受到影響,形變皮瓦無法回收到初始狀態(tài),只能強行上提驗封儀,皮瓦被拉爆,但該層段已錄取的壓力變化數(shù)據(jù)是可靠的。因此壓差大于8 MPa,只能驗封一個層段,壓差在0~8 MPa之間可單井多層段驗封,因此在驗封時,要求根據(jù)壓差值控制好驗封時間,實時監(jiān)測。

      4 結(jié) 論

      1)小直徑直讀電動驗封儀結(jié)構(gòu)簡便,資料錄取實時、一次下井可以完成單井多層段驗封,壓差(地層壓力-流動壓力)在8 MPa以內(nèi)驗封成功率100%。

      2)現(xiàn)場應(yīng)用表明小直徑直讀電動驗封儀能夠滿足油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用要求。

      3)小直徑直讀電動驗封儀為油井多級井下測控配產(chǎn)技術(shù)的完善配套提供了技術(shù)支撐,為油田動態(tài)監(jiān)測提供有價值的動態(tài)資料。

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