一體化測調(diào)驗(yàn)封技術(shù)應(yīng)用研究

馮貴洪，胡建新，王麗，蔣士

（1.貴州航天凱山石油儀器有限公司，貴州 貴陽 550009；2.華北油田第二采油廠設(shè)備科，河北 廊坊 065000；3.渤海石油裝備制造有限公司采油裝備分公司，河北 任丘 062550；4.渤海裝備采油裝備抽油機(jī)公司，河北 青縣 062650）

油田開發(fā)中后期，隨著石油資源的日益枯竭，地層壓力不斷下降，導(dǎo)致原油開采難度和成本大幅增加。我國油田普遍采用注水驅(qū)油的方法提高原油采收率，東部油田大都進(jìn)入高含水期（≥90%），無效注水增多、產(chǎn)出能效比低，原油開采成本急劇上升，且國際油價(jià)長期低位徘徊，導(dǎo)致國內(nèi)油企承受巨大的運(yùn)營成本壓力。而傳統(tǒng)分立的水井高效測調(diào)和驗(yàn)封技術(shù)，油田不僅需要配備專門的測調(diào)儀器、驗(yàn)封儀器，還要配備專門的測調(diào)班組、驗(yàn)封班組及專用測試車輛，成本較高；傳統(tǒng)的水井測調(diào)和驗(yàn)封工作，往往需要4 ～6d，班組重復(fù)勞動(dòng)、多趟起下等問題導(dǎo)致測試效率低下，測試疑難問題得不到及時(shí)處理而影響注水驅(qū)油效果。

為解決上述問題，油田急需開發(fā)一種能大幅提高水井測試效率的一體化測調(diào)驗(yàn)封技術(shù)和儀器，單趟下井即可完成測調(diào)、驗(yàn)封工作，降低測試成本及原油開采成本。

1 技術(shù)方案介紹

1.1 系統(tǒng)組成

一體化測調(diào)驗(yàn)封裝置系統(tǒng)由井下儀、地面測控儀、測控軟件及電纜測井車等部分組成。井下儀實(shí)現(xiàn)井下流量、壓力、溫度等信號的采集處理、電機(jī)控制、單芯通訊等功能，是系統(tǒng)的核心組成；地面測控儀實(shí)現(xiàn)與井下儀的單芯供電和通訊功能，并通過USB 接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊；測控軟件實(shí)現(xiàn)儀器操控、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，為人機(jī)交互界面；電纜測井車、防噴裝置等為油田高效測調(diào)標(biāo)準(zhǔn)配置。

1.2 井下儀布局及工作原理

井下儀從上至下依次為馬籠頭、上導(dǎo)流組件、測控短節(jié)、驗(yàn)封短節(jié)、下導(dǎo)流組件，布局滿足一體化測調(diào)驗(yàn)封儀器下井長度和部分油田井口人工舉升長度要求。

井下儀集測調(diào)、驗(yàn)封功能于一體，兩功能短節(jié)由同一主機(jī)內(nèi)的主控電路進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。調(diào)節(jié)臂、支撐爪等由相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)收張；導(dǎo)向爪由凸輪機(jī)構(gòu)控制，上提儀器釋放后，處于常開狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)臂、支撐爪和導(dǎo)向爪三者狀態(tài)的組合，實(shí)現(xiàn)儀器的主要功能。

（1）分層流量測試功能。調(diào)節(jié)臂、支撐爪等處于收攏狀態(tài)，儀器可以在管柱內(nèi)任意層段通過或停留，測試流量卡片。

（2）測調(diào)功能?？刂普{(diào)節(jié)組件上的調(diào)節(jié)臂張開，驗(yàn)封短節(jié)上的皮碗、支撐爪處于收攏狀態(tài)；在配水器上方下放儀器，通過導(dǎo)向爪、調(diào)節(jié)臂與配水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配合，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向座層，完成調(diào)節(jié)臂與可調(diào)水嘴的對接。通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)，帶動(dòng)水嘴可調(diào)閥芯的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分層注水量的測調(diào)功能。

（3）驗(yàn)封功能。調(diào)節(jié)臂處于收攏狀態(tài)，控制驗(yàn)封短節(jié)上的支撐爪張開，下放儀器使得支撐爪坐到配水器定位臺(tái)階上實(shí)現(xiàn)座層離合，控制皮碗脹封，隔絕油管壓力和地層壓力。通過兩條壓力曲線的走勢，判斷封隔器的工況，實(shí)現(xiàn)本級封隔器的驗(yàn)封功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 多芯油壬連接技術(shù)

采用1.1 所述的布局方案，將完整的驗(yàn)封短節(jié)置于調(diào)節(jié)臂和導(dǎo)向爪之間，結(jié)構(gòu)最緊湊、長度最短。驗(yàn)封短節(jié)上安裝有油管壓力傳感器、地層壓力傳感器、驗(yàn)封電機(jī)等元件，并需要通過連接下流量組件的若干信號線，共有20 余根導(dǎo)線要穿過調(diào)節(jié)短節(jié)狹小過線空間連接到主機(jī)電路板上，裝配、檢測及維修都比較困難。此外，還必須滿足儀器測調(diào)導(dǎo)向距離不大于700mm 的要求及方向性要求，以保證水嘴對接成功。為此，我們在驗(yàn)封短節(jié)和調(diào)節(jié)短節(jié)的連接處，采用了多芯油壬連接技術(shù)，解決了上述工程難題。

具體技術(shù)方案為：

（1）在驗(yàn)封短節(jié)電機(jī)傳感器組件狹小空間內(nèi)，將多個(gè)電器元件的引線集束與多芯插頭連接，通過多芯接插件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)封短節(jié)與調(diào)節(jié)短節(jié)的電氣連接，改善儀器的維護(hù)、維修便利性，提高裝配工藝性和整機(jī)可靠性。

（2）通過驗(yàn)封短節(jié)前端的半圓凸臺(tái)與調(diào)節(jié)短節(jié)中插座支架前端的半圓凹槽配合，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)封短節(jié)與調(diào)節(jié)短節(jié)的導(dǎo)向連接和電氣連接的準(zhǔn)確定位，以避免多芯接插件對偶針芯受到對接扭矩?fù)p壞。

（3）插頭與驗(yàn)封短節(jié)、以及插座與調(diào)節(jié)短節(jié)的連接均采用非圓孔柱配合連接方式，限制接插件、結(jié)構(gòu)件的徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，避免受限空間內(nèi)導(dǎo)線束纏繞、扭曲，提高電氣連接的安全性。

（4）采用結(jié)構(gòu)件承受外界高壓作用力，避免接插件受力損壞。

多芯油壬連接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)直讀式一體化測調(diào)驗(yàn)封技術(shù)的核心、關(guān)鍵技術(shù)，解決了多根導(dǎo)線穿越復(fù)雜機(jī)構(gòu)、井下儀器狹小受限空間的實(shí)際工程難題。基于該技術(shù)申請的專利《一種驗(yàn)封短節(jié)與測調(diào)短節(jié)的連接方法及結(jié)構(gòu)（ZL201510680689.1）》獲得授權(quán)，并獲2017 ～2018 年度貴州省專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。

2.2 流量測調(diào)技術(shù)

測調(diào)是一體化測調(diào)驗(yàn)封儀器的主要功能，基本要求就是“流量測得準(zhǔn)，水量調(diào)得動(dòng)”。為適應(yīng)各油田復(fù)雜地質(zhì)情況，我們在提高流量傳感器耐壓能力、換能器延壽、高溫流量測試及提高調(diào)節(jié)扭矩等方面開展了研究工作。

（1）采用全密封流量傳感器結(jié)構(gòu)，僅換能器發(fā)聲面與井液接觸，換能器尾部、導(dǎo)線等處于常壓、密封環(huán)境，故儀器流量傳感器部分耐壓能力較原有采用PEEK 殼換能器、開放式導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)提高近一倍，達(dá)到80MPa 以上，密封可靠性、絕緣性和壽命得到大幅較高。兼顧超聲波最佳穿透效果和外殼耐壓80MPa 要求是全密封流量傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)；

（2）開展耐溫155℃高溫?fù)Q能器研究。采用耐溫等級更高的改型鈦酸鉛陶瓷晶片，晶片與不銹鋼殼體之間采用特殊耦合層粘接，避免出現(xiàn)熱脹冷縮導(dǎo)致的結(jié)合面脫離或開裂；并進(jìn)行頻率篩選、配對，盡量減小換能器溫漂導(dǎo)致的“靜水流量”影響。以上措施提高了儀器的適用溫度范圍，改善了困擾多年的“靜水流量”問題。相關(guān)產(chǎn)品在華北油田等開展試驗(yàn)，流量零位基本在3m3/d 左右，且高溫下零位基本穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場流量測試需求；

（3）采用工藝性更好、傳動(dòng)效率更高的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及進(jìn)口高溫大扭矩微型電機(jī)組合，測調(diào)時(shí)最大輸出扭矩已達(dá)到16N·m 以上。

采用上述技術(shù)方案后，儀器測調(diào)功能已能較好地滿足國內(nèi)大部分油田水井測調(diào)的要求，測調(diào)效果得到用戶認(rèn)可。

2.3 可電控泄壓的高壓差皮碗驗(yàn)封技術(shù)

皮碗是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)驗(yàn)封的關(guān)鍵密封件，需要承受不小于10MPa 驗(yàn)封壓差，鼓脹驗(yàn)封后還需要安全回收，以免造成掉卡井事故。為提高電動(dòng)驗(yàn)封技術(shù)適用性、安全性，我們開展了φ42 電動(dòng)密封、可控電動(dòng)泄壓等相關(guān)技術(shù)研究。

（1）φ42 電動(dòng)密封技術(shù)。將儀器（密封段局部）最大外徑由φ44 減小到φ42，可改善儀器通過性能，但在居中情況下皮碗密封間隙由1mm 增大為2mm，會(huì)導(dǎo)致皮碗耐壓能力大幅下降。在驗(yàn)封原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)不作大的調(diào)整前提下，我們采用高硬度皮碗方案來提高其密封耐壓能力，并成功解決高硬度與脫模工藝性的工程難題；

（2）電動(dòng)泄壓技術(shù)。皮碗脹封后，地層壓力通道建立。雙壓力傳感器分別監(jiān)測地層壓力和油管壓力變化，通過曲線走勢可直觀判斷封隔器密封情況。泄壓時(shí)，傳動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)同步打開泄壓閥芯，實(shí)現(xiàn)泄壓，皮碗兩側(cè)壓力逐漸降低至平衡，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拉伸皮碗直至行程走完。

采用φ42 電動(dòng)密封、電動(dòng)泄壓技術(shù)的儀器在現(xiàn)場驗(yàn)封效果良好，能滿足大多數(shù)井通過要求和大壓差井驗(yàn)封要求。

3 推廣應(yīng)用情況

2015 年，貴州航天凱山石油儀器有限公司在原有測調(diào)、驗(yàn)封技術(shù)基礎(chǔ)上，組織實(shí)施偏心一體化測調(diào)驗(yàn)封裝置項(xiàng)目研發(fā)，成功開發(fā)出國內(nèi)首支偏心注水井一體測調(diào)驗(yàn)封裝置，技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

產(chǎn)品將油田水井測調(diào)、驗(yàn)封時(shí)間從原來的4 ～6d 縮短到1 ～2d，提高測試效率一倍以上，水井單井測試成本降低30%，在大慶油田、遼河油田、華北油田等采油單位得到規(guī)?；茝V應(yīng)用。該系統(tǒng)已累計(jì)銷售200 余臺(tái)（套），服務(wù)水井7000 余口，為油田提高采收率、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)作出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

一體化測調(diào)驗(yàn)封技術(shù)是新興的水井測試技術(shù)，在測試效率、成本等方面較傳統(tǒng)分立測試技術(shù)有較大優(yōu)勢，目前已在國內(nèi)部分油田推廣應(yīng)用。相關(guān)單位應(yīng)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開展技術(shù)改進(jìn)和完善工作，推進(jìn)水井測試技術(shù)發(fā)展，為油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)作出更大貢獻(xiàn)。