海上油田電控智能控水采油工具研制及性能評(píng)價(jià)

楊樹坤，郭宏峰，郝 濤，趙廣淵，杜曉霞，李 翔

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

渤海油田大多為河流相沉積，所含油層多，層間差異大。油田開發(fā)初期，為迅速提高油田產(chǎn)量，往往采用多層合采、提高采油速度的方式上產(chǎn)[1-3]。但隨著油田持續(xù)開采，渤海主力油田大多已進(jìn)入開采中后期，油井層間矛盾凸顯，表現(xiàn)為層間干擾、動(dòng)用程度低和含水率上升快，老油田產(chǎn)量遞減率逐漸加大[4-7]，對(duì)渤海油田的穩(wěn)產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)?；诙鄬雍喜砷_發(fā)帶來的問題，渤海油田主要采用機(jī)械開關(guān)滑套進(jìn)行分層開采[8-9]，但該方式只能實(shí)現(xiàn)開、關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，無法有效控制生產(chǎn)壓差，進(jìn)行產(chǎn)量的精細(xì)控制，且對(duì)于大斜度井，通過鋼絲進(jìn)行滑套開關(guān)這種方式也難以應(yīng)用[10-12]。為此，渤海油田近幾年開始嘗試無纜智能分采控水技術(shù)，該技術(shù)可以應(yīng)用于大斜度生產(chǎn)井，利用分層輪采地面計(jì)量的方式判斷井下各層含水情況，通過地面程序預(yù)設(shè)、井口發(fā)送壓力載波信號(hào)的方式調(diào)整井下智能配產(chǎn)器開度，控制分層產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)控水采油，但該類儀器只能實(shí)現(xiàn)地面到井下單向通訊，井下測(cè)試數(shù)據(jù)無法上傳，輪采測(cè)試需要停泵發(fā)碼作業(yè)，影響作業(yè)時(shí)效，適應(yīng)性較差[13-14]。

針對(duì)以上問題，研制了集井下分層生產(chǎn)實(shí)時(shí)測(cè)試和產(chǎn)液量精細(xì)控制為一體的電控智能控水采油工具，該控水采油工具具有測(cè)量井下含水率、流量的功能，可提供井下分層生產(chǎn)數(shù)據(jù)，及時(shí)判斷高含水層位及獲得各層生產(chǎn)參數(shù)，從而指導(dǎo)制定有效的控水措施[15-16]，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油嘴開度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)配產(chǎn)，并通過系列性能試驗(yàn)驗(yàn)證了該工具的可靠性，研究成果可有效解決目前渤海油田大斜度油井分層開采控水難題。

1 電控智能控水采油技術(shù)

電控智能控水采油技術(shù)利用永置在井下的鋼管單芯電纜進(jìn)行井下測(cè)控工具供電和通訊，通過地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工具測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精細(xì)調(diào)控。油井正常生產(chǎn)時(shí)井下各層測(cè)控工具實(shí)時(shí)測(cè)試生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至地面控制系統(tǒng)，也可上傳至平臺(tái)中控，控制系統(tǒng)根據(jù)各層含水情況，按照配產(chǎn)方案調(diào)節(jié)井下測(cè)控工具開度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)液量精細(xì)控制，控水穩(wěn)油。電控智能控水采油技術(shù)原理圖如圖1所示。

考慮生產(chǎn)井況的復(fù)雜性，現(xiàn)階段確定分層產(chǎn)液量時(shí)主要采取通過人工決策、地面調(diào)節(jié)測(cè)控工具開度逐次逼近設(shè)計(jì)值的方法，對(duì)于層間差異小、分層數(shù)少（不大于2層）的井，可以通過設(shè)定每個(gè)產(chǎn)層的流量、含水率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式來滿足配產(chǎn)要求；對(duì)于層間差異大、分層數(shù)多（大于2層）的井，由于存在嚴(yán)重的層間干擾、測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性等因素，使用設(shè)定分層流量井下自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式時(shí)，容易導(dǎo)致程序陷入無效的循環(huán)調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)分層配產(chǎn)要求，也容易導(dǎo)致工具出現(xiàn)故障。

圖1 電控智能控水采油技術(shù)原理Fig.1 Principle of the electrically controlled intelligent water control and oil recovery technology

電控智能控水采油技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1）地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各層壓力、溫度、流量和含水率等生產(chǎn)參數(shù)；2）通過測(cè)量封隔器內(nèi)外壓力，進(jìn)行封隔器在線驗(yàn)封；3）根據(jù)各層產(chǎn)液量， 地面實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油嘴開度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)配產(chǎn)；4）監(jiān)測(cè)各層含水情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油嘴開度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水。

2 電控智能控水采油工具設(shè)計(jì)

2.1 工具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)渤海油田φ120.6 mm防砂內(nèi)通徑生產(chǎn)井井眼尺寸和Y型生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)，結(jié)合海上油田電動(dòng)潛油泵高產(chǎn)液生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了外徑114.0 mm的電控智能控水采油工具。該工具集成了測(cè)試流量、含水率、溫度、壓力等參數(shù)的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)層間封隔器驗(yàn)封，分層產(chǎn)液量、含水率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。工具整體結(jié)構(gòu)由測(cè)控主體、外筒、連接管、上接頭、電路倉和電纜穿越通道等組成（見圖2）。測(cè)控主體包括流量調(diào)節(jié)模塊、含水率測(cè)量模塊、流量測(cè)量模塊和主通道等，傳感器不占用測(cè)試通道（測(cè)試通道最小通徑分別為44.0 mm和26.0 mm），節(jié)流壓差小，且具有液流雙向通過能力，既能滿足采液能力，又具備注入酸化、化學(xué)防砂、化學(xué)堵水等油井措工作液的能力。圖2中D-D剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電控智能控水采油工具外徑114.0 mm，最小內(nèi)通徑44.0 mm；壓力測(cè)試范圍0～60 MPa，溫度測(cè)試范圍0～120 ℃，流量測(cè)試范圍10～300 m3/d，含水率測(cè)試范圍0～100%，最大流量時(shí)嘴損壓力0.7 MPa。

圖2 電控智能控水采油工具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the electrically controlled intelligent water control and oil recovery tool

圖3 電控智能控水采油工具D-D剖面結(jié)構(gòu)Fig.3 D-D profile structure of the electrically controlled intelligent water control and oil recovery tool

2.2 并列式多通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通道結(jié)構(gòu)采用多通道并列的方式，流量測(cè)試通道、含水率測(cè)試通道并列設(shè)計(jì)，工具整體偏心布局，總體結(jié)構(gòu)緊湊，最大程度縮短了工具長(zhǎng)度；工具保留φ44.0 mm主過流通道，在滿足φ120.6 mm防砂井眼應(yīng)用要求的情況下，通過配套特制過渡短節(jié)，解決了控水采油工具內(nèi)偏心導(dǎo)致的測(cè)試工具的起下問題，實(shí)現(xiàn)了通過主過流通道下入測(cè)試工具的要求，滿足生產(chǎn)測(cè)試要求。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，長(zhǎng)9.00 m的測(cè)試工具可以順利下入。

2.3 電纜穿越機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

工具采用鋼管單芯電纜整體穿越接線方式，工具組裝時(shí)將電纜提前預(yù)制在工具內(nèi)部，并采用世偉洛克接頭+多級(jí)密封塞的密封方式，可以提高電纜連接抗拉強(qiáng)度及密封性。另外，工具入井前可以將電纜同時(shí)預(yù)制在可穿越封隔器和電控智能控水采油工具內(nèi)，以減少電纜接頭數(shù)量，提高工具的整體可靠性。

電纜穿越機(jī)構(gòu)由卡套接頭、電纜穿越通道、密封塞和壓緊環(huán)組成（見圖4）。穿越機(jī)構(gòu)采用φ6.35 mm鋼管單芯電纜整體穿越的方式，首先將鋼管電纜沿著測(cè)試主體預(yù)置通道整體穿越，鋼管電纜靠近電路倉端穿過密封塞，密封塞上設(shè)計(jì)有多道內(nèi)、外密封圈，實(shí)現(xiàn)鋼管電纜與密封塞本體，以及密封塞本體與測(cè)試主體預(yù)置通道的密封，壓緊環(huán)頂住密封塞，防止密封塞脫離密封通道，并可根據(jù)需要設(shè)計(jì)多組密封塞，進(jìn)一步加強(qiáng)密封性；鋼管電纜另一端采用卡套接頭（世偉洛克接頭+NPT接頭）連接，在保證電纜連接抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，再增加一級(jí)密封。

圖4 電纜穿越機(jī)構(gòu)Fig.4 Cable crossing structure

2.4 流量控制機(jī)構(gòu)

流量控制機(jī)構(gòu)由高溫電機(jī)、電機(jī)固定座、連軸套、限位開關(guān)、絲杠、固定塊、連接套和調(diào)節(jié)閥組成（見圖5）。高溫電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過絲杠和連接套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥軸向線性運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)；考慮工具井下復(fù)雜工況長(zhǎng)期工作的可靠性，調(diào)節(jié)閥表面鍍氧化鋯涂層，提高調(diào)節(jié)閥耐溫、耐酸堿腐蝕和耐氧化等性能，同時(shí)，增強(qiáng)調(diào)節(jié)閥開關(guān)的密封性能；限位開關(guān)用于調(diào)節(jié)閥順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測(cè)，以保證調(diào)節(jié)閥正常工作。

電機(jī)直徑32.0 mm，匹配工具設(shè)計(jì)空間，電機(jī)扭矩25 N·m，可滿足絲杠克服摩阻實(shí)現(xiàn)正常旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，絲杠螺距2.0 mm，調(diào)節(jié)壓差40 MPa，可在6 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的全開或全關(guān)。

2.5 含水率測(cè)量機(jī)構(gòu)

考慮工具結(jié)構(gòu)布局，為最大程度地減小測(cè)控系統(tǒng)占用空間，設(shè)計(jì)采用射頻法含水率測(cè)量機(jī)構(gòu)，測(cè)量原理是基于介質(zhì)的射頻阻抗理論，將含水原油作為電介質(zhì)，通過測(cè)定油水混和液對(duì)射頻信號(hào)表現(xiàn)出的阻抗特性變化情況，計(jì)算原油中的含水率。

圖5 流量控制機(jī)構(gòu)Fig.5 Flow rate control mechanism

含水率測(cè)量機(jī)構(gòu)由扶正塊、射頻傳感器（射頻天線、天線座）、連接桿和壓緊環(huán)組成（見圖6）。射頻傳感器主要由射頻天線和天線座組成，2根射頻天線固定在天線座上，一根用于發(fā)射，一根用于接收，通過天線密封圈、天線座密封圈實(shí)現(xiàn)密封（各4道密封圈），避免高壓液體進(jìn)入電路倉；連接桿一端頂住天線座，一端連接壓緊環(huán)，用于限位天線座。另外，由于射頻天線一端位于通道進(jìn)液口，為了減緩高速液體對(duì)天線的沖擊，設(shè)計(jì)了扶正塊，以提高天線的抗沖擊性能，確保測(cè)量精度。

圖6 含水率測(cè)量機(jī)構(gòu)Fig.6 Water cut test mechanism

射頻天線材質(zhì)選用耐腐蝕性能好的哈氏合金；天線座采用PEEK材質(zhì)，增強(qiáng)耐磨性。另外，天線表面涂有納米層，以防止油品粘結(jié)和結(jié)蠟。

2.6 流量測(cè)量機(jī)構(gòu)

流量測(cè)量采用超聲波時(shí)差測(cè)量方法，為盡量簡(jiǎn)化工具結(jié)構(gòu)，將2個(gè)超聲波流量傳感器內(nèi)嵌在測(cè)試主體的主過流通道上，采用“Z”法安裝（見圖7）。上游和下游2個(gè)傳感器交替發(fā)射和接收信號(hào)，可以測(cè)量順流和逆流所用時(shí)間，并根據(jù)時(shí)間差計(jì)算出流量，再利用遞減法計(jì)算出分層流量。

圖7 流量測(cè)量機(jī)構(gòu)Fig.7 Flow rate test mechanism

為保證流量測(cè)量的可靠性，流量測(cè)量采用了冗余設(shè)計(jì)，根據(jù)上接頭嘴前壓力和嘴后壓力的差值，結(jié)合含水率測(cè)量結(jié)果，利用差壓流量計(jì)算方程計(jì)算流量。流量冗余設(shè)計(jì)提高了流量測(cè)量的可靠性，當(dāng)一套流量測(cè)量系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可采用另一套測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

式中：Q為管道流量，m3；C為流量系數(shù)；B為管道調(diào)節(jié)閥出口處的橫截面積，m2；Δp為調(diào)節(jié)閥入口和出口的壓差，Pa；αw為含水率；αo為含油率；ρw為水的密度，kg/m3；ρo為油的密度，kg/m3。

3 工具性能測(cè)試

電控智能控水采油工具屬于井下生產(chǎn)工具，需滿足井下高溫高壓復(fù)雜工況長(zhǎng)期工作要求，為保證工具的可靠性，進(jìn)行了工具的性能測(cè)試。

3.1 高溫高壓性能

將裝配好的工具樣機(jī)放入高溫高壓試驗(yàn)裝置中，外接控制計(jì)算機(jī)，建立通訊，裝置逐漸加溫至120 ℃、加壓至60 MPa，通過計(jì)算機(jī)控制軟件實(shí)時(shí)觀察工具壓力、溫度變化情況，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，開始階段壓力下降并穩(wěn)定在57 MPa左右，測(cè)試溫度一直穩(wěn)定在120 ℃左右，測(cè)量過程中工具通訊正常，傳感器工作正常，說明工具在高溫120 ℃條件下的高壓密封性能滿足要求。

圖8 試驗(yàn)溫度、壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Variation curves of temperature and pressure with time in the test environment

3.2 流量、含水率測(cè)量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

試驗(yàn)包含油水兩相，試驗(yàn)難度大、環(huán)保要求高，為此搭建了流量、含水率測(cè)量試驗(yàn)裝置，主要由注入罐、注入泵、回收罐和排放罐組成（見圖9）。注入罐用于配置油水混合液，具有攪拌功能；回收罐用于存放和處理試驗(yàn)后的油水混合液，具有加熱功能，可以實(shí)現(xiàn)油水分離；排放罐用于收集分離后的油、水。

圖9 流量、含水率測(cè)量試驗(yàn)裝置Fig.9 Test device for flow rate and water cut testing

將一定比例的柴油、水加入注入罐，充分?jǐn)嚢枰后w，分別配制含水率為20%和90%的油水混合液，啟動(dòng)螺桿泵，控制流量由低至高，分別測(cè)量含水率20%和90%油水混合液的流量，驗(yàn)證工具測(cè)量流量的精度，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 流量測(cè)量結(jié)果Table 1 Test results of flow rate

從表1可以看出，低排量下測(cè)量流量較實(shí)際流量偏差較大；隨著流量增大，測(cè)量流量準(zhǔn)確度逐漸提高，這主要與超聲波時(shí)差流量測(cè)量原理有關(guān)?？紤]海上油井產(chǎn)液量高的特點(diǎn)，選用超聲波測(cè)量流量，從測(cè)量結(jié)果看，不同含水率的油水混合液在高產(chǎn)液段的測(cè)量準(zhǔn)確性較好。

分別配制含水率為20%，50%，70%，80%，85%，90%和95%的油水混合液，保持排量300 m3/d，測(cè)量不同油水混合液的含水率，驗(yàn)證工具測(cè)量含水率的準(zhǔn)確性，結(jié)果如表2所示。由表2可看出，工具含水率測(cè)量范圍0～100%，測(cè)量精度滿足要求。

表2 含水率測(cè)量結(jié)果Table 2 Test results of water cut

4 結(jié)論與建議

1）電控智能控水采油技術(shù)可以滿足海上油田大斜度生產(chǎn)井分層開采控水需求，通過井下分層生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)試和產(chǎn)液量精細(xì)控制，改善油井穩(wěn)油控水開發(fā)效果。

2）研制的電控智能控水采油工具集分層流量、含水率、溫度、壓力測(cè)試及產(chǎn)液量精細(xì)控制于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)井下層間封隔器在線驗(yàn)封、分層含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分層流量控制，為海上油田穩(wěn)油控水開發(fā)提供了新的技術(shù)途徑。

3）電控智能控水采油工具可靠及測(cè)試性能試驗(yàn)結(jié)果表明，工具在60 MPa壓力下密封性能可靠，在120 ℃溫度下運(yùn)行正常，含水率和流量的測(cè)量精度滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

4）為提高電控智能控水采油工具對(duì)超高溫高壓井的適應(yīng)性，建議從機(jī)械結(jié)構(gòu)、密封材質(zhì)、密封方法和電子元器件耐溫性能等方面開展研究，提高其整體耐溫耐壓性能。