直讀測(cè)調(diào)偏心恒流配水器研制

肖國(guó)華，黃曉蒙，李會(huì)杰，關(guān)海峰

(1.中國(guó)石油冀東油田分公司，河北 唐山 063004；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

0 引 言

冀東南堡灘海油田主要采用陸岸平臺(tái)和人工島海油陸采的方式進(jìn)行開(kāi)采，采用大斜度定向井開(kāi)發(fā)，分注井具有井斜大(井斜為20～65 °，其中，井斜大于35 °的占62%左右)、埋深大(注水井井深為2 600～3 800 m)、分注層段多(3～6層)的特點(diǎn)[1-5]。在應(yīng)用成熟的偏心分注技術(shù)時(shí)[6-20]，堵塞器投撈難度大、測(cè)試成功率低、測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)試費(fèi)用高、配注合格率下降，難以滿(mǎn)足地質(zhì)配注要求，嚴(yán)重影響了注水開(kāi)發(fā)效果。近幾年，針對(duì)多級(jí)細(xì)分注水試驗(yàn)了電纜同心測(cè)調(diào)分注技術(shù)[21-22]，下入同心測(cè)調(diào)專(zhuān)用測(cè)調(diào)工具——測(cè)調(diào)儀與同心配水器進(jìn)行對(duì)接，根據(jù)地面控制器發(fā)出的控制信息對(duì)同心配水器注水量進(jìn)行測(cè)量與調(diào)節(jié)，測(cè)調(diào)效率和準(zhǔn)確率有所提高，但也存在同心配水器測(cè)調(diào)扭矩大、壓力波動(dòng)造成注水量頻繁變化、小流量測(cè)調(diào)精度不準(zhǔn)、配注合格率低等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，研制了偏心恒流配水器，與通用測(cè)調(diào)儀對(duì)接，形成了直讀測(cè)調(diào)偏心恒流分注技術(shù)，既能提高測(cè)調(diào)精度和測(cè)調(diào)成功率，又能實(shí)現(xiàn)恒流注水，提高配注合格率和分注效果，滿(mǎn)足深斜井多級(jí)細(xì)分注水的需要。

1 直讀測(cè)調(diào)偏心恒流分注技術(shù)

直讀測(cè)調(diào)偏心恒流分注技術(shù)是采用同心測(cè)調(diào)的方法，對(duì)各分注層段的偏心恒流配水器進(jìn)行測(cè)試與調(diào)配，從而達(dá)到分層配注的目的。測(cè)調(diào)分注管柱主要由封隔器、偏心恒流配水器、不壓井洗井閥、篩管、絲堵等組成(圖1)。

圖1 同心測(cè)調(diào)偏心恒流分注管柱示意圖(以3級(jí)3段為例)Fig.1 The concentric measurement-adjustment eccentric constant-flow separate injection pipe (take 3 stages and 3 sections as an example)

工作原理：以三級(jí)三段同心測(cè)調(diào)分注管柱為例。按照地質(zhì)分注方案設(shè)計(jì)要求，通過(guò)Φ73 mm油管將管柱下入井下，在井口打壓，坐封各級(jí)封隔器，此時(shí)，各偏心恒流配水器(簡(jiǎn)稱(chēng)配水器，下同)為關(guān)閉狀態(tài)。為了減少作業(yè)程序，一般由下至上進(jìn)行分級(jí)測(cè)調(diào)。利用電纜將測(cè)調(diào)儀下入井內(nèi)，與第3級(jí)配水器對(duì)接，此時(shí)，第3級(jí)配水器的中心管被測(cè)調(diào)儀封閉；地面控制系統(tǒng)發(fā)送指令，通過(guò)測(cè)調(diào)儀打開(kāi)配水器調(diào)節(jié)水嘴，注入水沿油管、第1級(jí)和第2級(jí)配水器的中心管和橋式通道，到達(dá)第3級(jí)配水器，經(jīng)第3級(jí)配水器的橋式通道，通過(guò)恒流水嘴對(duì)第3分注層段恒流注水(圖2a)；同時(shí)，測(cè)調(diào)儀可將注水量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)通過(guò)電纜上傳至地面控制設(shè)備，并在電腦終端實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)控注水量的目的。測(cè)調(diào)完成后，上提電纜，第3級(jí)配水器的中心管打開(kāi)，注入水通過(guò)第3級(jí)配水器的中心管和橋式通道一起注水。繼續(xù)上提電纜，測(cè)調(diào)儀與第2級(jí)配水器對(duì)接，此時(shí)，第2級(jí)配水器的中心管被測(cè)調(diào)儀封閉，注入水沿油管、第1級(jí)配水器的中心管和橋式通道、第2級(jí)配水器的橋式通道對(duì)第2分注層段進(jìn)行注水，同時(shí)，注入水通過(guò)第2級(jí)配水器的橋式通道進(jìn)入下部油層(圖2b)。通過(guò)橋式通道的設(shè)計(jì)，測(cè)調(diào)時(shí)也不會(huì)影響下部油層的注水。再次上提電纜，完成對(duì)第1分注層段的測(cè)調(diào)(圖2c)，從而實(shí)現(xiàn)3級(jí)3段同心測(cè)調(diào)注水。測(cè)調(diào)全部完成后，配水器的中心管和橋式通道共同提供注入水的流動(dòng)通道。

圖2 同心測(cè)調(diào)偏心分注管柱示意圖(以三級(jí)三段為例)Fig.2 The concentric measurement-adjustment eccentric separate injection pipe (take 3 stages and 3 sections as an example)

2 偏心恒流配水器

2.1 結(jié)構(gòu)

配水器主要由上下接頭、旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、水嘴控制機(jī)構(gòu)、主體、橋式通道、恒流控制機(jī)構(gòu)等組成(圖3)。旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由測(cè)調(diào)儀定位爪對(duì)接凹槽、調(diào)節(jié)套、大齒輪、小齒輪和絲杠組成；水嘴控制機(jī)構(gòu)主要由陶瓷閥芯、陶瓷閥套和調(diào)節(jié)水嘴組成；恒流控制機(jī)構(gòu)主要由恒流水嘴、恒流閥芯、彈簧和恒流閥套組成。配水器主通道與油管同心，調(diào)節(jié)水嘴和恒流水嘴均為偏心結(jié)構(gòu)。

圖3 偏心恒流配水器工藝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The process structure of eccentric constant-flow water distributor

2.2 工作原理

注水時(shí)，注入水從上部油管流入到配水器后進(jìn)入水嘴控制機(jī)構(gòu)，經(jīng)調(diào)節(jié)水嘴后沿著連接短套與主體形成的環(huán)形腔進(jìn)入恒流機(jī)構(gòu)(圖3a紅色箭頭所示)，經(jīng)恒流水嘴進(jìn)入地層。在測(cè)調(diào)時(shí)，因測(cè)調(diào)儀占用配水器中心通道，注入水從橋式通道偏心通孔流入到配水器和下層油管中。當(dāng)對(duì)注水量進(jìn)行測(cè)調(diào)時(shí)，通過(guò)電纜將測(cè)調(diào)儀下入井內(nèi)，地面控制設(shè)備發(fā)送指令打開(kāi)測(cè)調(diào)儀定位爪，測(cè)調(diào)儀定位爪與配水器的測(cè)調(diào)儀定位爪對(duì)接凹槽對(duì)接，測(cè)調(diào)儀卡入定位筒，測(cè)調(diào)儀的調(diào)節(jié)臂進(jìn)入調(diào)節(jié)套中。此時(shí)，地面控制設(shè)備發(fā)送信號(hào)，測(cè)調(diào)儀電機(jī)工作，測(cè)調(diào)儀調(diào)節(jié)臂帶動(dòng)調(diào)節(jié)套轉(zhuǎn)動(dòng)。由于大齒輪和調(diào)節(jié)套相連，大齒輪隨之同步運(yùn)動(dòng)。大齒輪帶動(dòng)與其嚙合的小齒輪(圖3b)，小齒輪帶動(dòng)絲杠上下運(yùn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)陶瓷閥芯上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)調(diào)節(jié)水嘴(V形水嘴)的開(kāi)閉程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)注水量。測(cè)調(diào)儀可在測(cè)調(diào)過(guò)程中對(duì)注水量進(jìn)行實(shí)時(shí)直讀測(cè)量，直至測(cè)量水量與地質(zhì)配注量一致。當(dāng)注水壓力波動(dòng)時(shí)，由于彈簧的作用，配水器的恒流閥芯能夠保持其前后的壓差維持在一定的范圍內(nèi)，恒流水嘴處注水量始終處于恒定。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1 配水器小型化偏心設(shè)計(jì)

常規(guī)同心配水器注水主通道與閥套和調(diào)節(jié)閥芯同心(圖4a)，閥套和調(diào)節(jié)閥芯配合面直徑為60.00 mm，配合間隙為0.20 mm，配合面周長(zhǎng)為188.40 mm，配合間隙的過(guò)流面積為18.87 mm2，漏失量較大，測(cè)調(diào)精度低；閥套和調(diào)節(jié)閥芯配合面間隙大，測(cè)調(diào)時(shí)二者之間的測(cè)調(diào)阻力也較大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)扭矩變大。水嘴寬度為5 mm的條形寬孔無(wú)法滿(mǎn)足小配注量精準(zhǔn)調(diào)配要求。因此，對(duì)配水器的閥套和閥芯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 配水器對(duì)比示意圖Fig.4 Comparison of water distributors

(1) 小型化偏心設(shè)計(jì)。將配水器調(diào)節(jié)閥偏心設(shè)置，閥套和閥芯設(shè)計(jì)在主通道的一邊(圖4b)，二者之間配合面直徑為12.00 mm，配合間隙為0.02 mm，配合面周長(zhǎng)為37.68 mm，配合間隙的過(guò)流面積為0.38 mm2，配合間隙過(guò)流面積產(chǎn)生的漏失流量為原來(lái)的2%。

(2)采用齒輪嚙合機(jī)構(gòu)。配水器主體設(shè)置大齒輪，在調(diào)節(jié)閥處設(shè)置小齒輪，2個(gè)齒輪相互嚙合(圖3b)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)降低調(diào)節(jié)閥扭矩，測(cè)調(diào)扭矩降低80%。

(3)閥套和閥芯采用高密度氧化鋯陶瓷材質(zhì)，二者之間的配合精度提高了50倍，消除了間隙對(duì)漏失的影響，測(cè)調(diào)更加精確。

(4)將常規(guī)同心配水器調(diào)節(jié)閥芯上的條形寬孔水嘴優(yōu)化為V形(圖5)，小注水量時(shí)調(diào)節(jié)精度更高，滿(mǎn)足小配注量調(diào)配要求。

圖5 V形開(kāi)口陶瓷水嘴Fig.5 The ceramic faucet of V-shaped opening

2.3.2 恒流控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)同心配水器閥套和調(diào)節(jié)閥芯配合面間隙大，漏失大，常規(guī)配水器易受壓力波動(dòng)影響，注水量難以恒定，影響注水井配注合格率。為解決流量難以恒定問(wèn)題，在配水器上設(shè)計(jì)了恒流控制機(jī)構(gòu)。恒流控制機(jī)構(gòu)也是偏心設(shè)計(jì)，位于偏心配水器出水孔下部，主要由恒流水嘴、恒流閥芯、彈簧和恒流閥套組成(圖3a)。當(dāng)注水壓力波動(dòng)時(shí)，恒流閥芯受彈簧力的作用，能夠保持恒流閥芯前后壓差維持在一定的范圍內(nèi)，消除了壓力波動(dòng)對(duì)注水量的影響，實(shí)現(xiàn)恒流注水。

2.3.3 橋式通道設(shè)計(jì)

利用測(cè)調(diào)儀測(cè)調(diào)時(shí)，配水器的中心通道被封閉，為保證本層和下層正常注水，在配水器上設(shè)計(jì)了橋式通道(圖3b)，在主注水通道旁邊開(kāi)通9個(gè)橋式偏心通孔，通孔直徑為9 mm。橋式偏心通孔一直是打開(kāi)狀態(tài)，測(cè)調(diào)時(shí)，可為本層和下層注入水提供水流通道；測(cè)調(diào)全部完成后，橋式偏心通孔和主通道一起為注入水提供水流通道。橋式偏心通孔上下連通，也可消除壓差，便于儀器和測(cè)試短節(jié)的順利起出。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

偏心恒流配水器外徑為110 mm，內(nèi)徑為46 mm，耐壓為50 MPa，耐溫為150 ℃；注水流量不大于60.0 m3/d時(shí),測(cè)調(diào)扭矩不大于12 N·m；壓力變化不大于10 MPa時(shí)，恒流流量誤差為±10%；適用套管尺寸為139.7、177.8 mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

截至目前，直讀測(cè)調(diào)偏心恒流配水器在冀東南堡1-1、柳中等區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)25口井，累計(jì)測(cè)調(diào)58井次。單層配注量為10.0～30.0 m3/d，測(cè)調(diào)精度由10.0 m3/d提高至0.5 m3/d。測(cè)調(diào)成功率由原來(lái)的74.0%提高至97.6%，配注合格率由70.0%提高至92.7%。測(cè)調(diào)時(shí)間由3～7 d降為1 d，測(cè)調(diào)效率提高3倍以上?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該技術(shù)可解決冀東油田大斜度井多級(jí)分注難題，提高分層調(diào)配效率和配注合格率。

NP11-233井為南堡1-1區(qū)塊1口注水井，前期采用籠統(tǒng)注水方式，日注水量為50 m3/d，注入層位為Ed1(9、10、11、12號(hào)層)。吸水剖面顯示，9號(hào)層為主吸水層，其他層吸水狀況較差。為改善吸水狀況，需實(shí)施3段分注。第1段為9號(hào)層，井段為3 341.0～3 342.4 m，配注量為10.0 m3/d；第2段為10號(hào)層，井段為3 347.4～3 351.0 m，配注量為20.0 m3/d；第3段為11、12號(hào)層，井段為3 357.0～3 398.6 m，配注量為20.0 m3/d。2018年9月順利下入3個(gè)直讀測(cè)調(diào)偏心恒流配水器，自上至下位置分別為3 324.6、3 349.4、3 373.7 m。分注段最大井斜為56.32°，最高井下溫度為100 ℃，按照配注要求進(jìn)行了5次測(cè)調(diào)，單層測(cè)調(diào)最小誤差為1.0%，最大誤差為17.0%，平均誤差為8.2%，達(dá)到了測(cè)調(diào)要求；測(cè)調(diào)成功率為100%，單層單次測(cè)調(diào)時(shí)間為6～7 h，極大提高了測(cè)調(diào)效率(表1)。

表1 NP11-233現(xiàn)場(chǎng)測(cè)調(diào)數(shù)據(jù)Table 1 The measurement-adjustment data of NP11-233 field

4 結(jié) 論

(1) 直讀測(cè)調(diào)偏心恒流配水器與測(cè)調(diào)儀同心對(duì)接測(cè)調(diào)，采用偏心配注方式，對(duì)接可靠，調(diào)節(jié)扭矩小，注水量調(diào)節(jié)精確，可滿(mǎn)足大斜度井多級(jí)細(xì)分注水要求。

(2) 為直讀測(cè)調(diào)偏心恒流配水器設(shè)計(jì)了恒流閥和橋式通道，可實(shí)現(xiàn)恒流注水和單層精準(zhǔn)測(cè)調(diào)。

(3) 測(cè)調(diào)儀一次下井能夠完成所有注水層的注水量調(diào)配，測(cè)調(diào)效率高。