纜控分層注水技術(shù)標準化在海上油田的應(yīng)用

陳征 張樂 張志熊 徐元德 王威 蔣少玖 張璐 黃澤超

摘 要：針對海上油田分注井常規(guī)測調(diào)技術(shù)效率低、適應(yīng)性不足等問題，結(jié)合海上注水井井況特點，攻關(guān)研發(fā)了海上分注井纜控智能測調(diào)技術(shù)，并以纜控分層注水技術(shù)規(guī)程為參考，指導(dǎo)工具優(yōu)化設(shè)計及系統(tǒng)優(yōu)化升級，確保配套工具結(jié)構(gòu)合理、管柱安全可靠、系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了海上大斜度/水平分注井的大排量高效測調(diào)，單井測調(diào)效率提高96%，有效保障了技術(shù)成果的規(guī)?；瘧?yīng)用，滿足了海上注水開發(fā)油田高效、精細分注需求，為海上油田穩(wěn)油控水和精細開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：纜控，分層注水，海上油田，智能測調(diào)，標準化

0 前 言

渤海油田以陸相沉積為主，天然能量相對較弱，主要采用人工水驅(qū)方式開發(fā)，經(jīng)過多年注水開發(fā)，目前主力油田均已進入“雙高”開發(fā)階段，層間、層內(nèi)矛盾加劇，自然遞減率控制難度日益增大。為了進一步滿足生產(chǎn)要求，實現(xiàn)注水井精細注入，以有纜智能測調(diào)、無纜智能測調(diào)為代表的海上油田智能分注技術(shù)應(yīng)運而生。由于海上油田平臺空間有限，平臺井口高度集中，受限于空間尺寸，很難采用多井同時作業(yè)的方式提高作業(yè)效率，同時，海上注水井多采用先期機械防砂完井，常規(guī)測調(diào)技術(shù)效率低、適應(yīng)性不足，因此，提高單井測試、調(diào)配、驗封作業(yè)效率及提升測調(diào)技術(shù)適應(yīng)性成為提高海上油田注水井精細注水水平的首要途徑[1-6]。針對上述問題及實際需求，渤海油田開展了分注井纜控智能測調(diào)技術(shù)研究，以電信號為媒介，通過井下預(yù)置電纜的方式，實現(xiàn)中控直接控制井下水嘴開關(guān)，實時監(jiān)測井下溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并以纜控分層注水技術(shù)規(guī)程為參考，指導(dǎo)工具優(yōu)化設(shè)計及系統(tǒng)優(yōu)化升級，確保配套工具結(jié)構(gòu)合理、管柱安全可靠、系統(tǒng)運行穩(wěn)定，以滿足海上注水開發(fā)油田高效、精細分注需求，渤海油田注水進一步向精細化、高效化、智能化方向邁進。

1 海上分注井纜控智能測調(diào)技術(shù)研究

1.1 技術(shù)組成及原理

海上分注井纜控智能測調(diào)系統(tǒng)主要由井下工藝管柱和地面控制系統(tǒng)組成，其中井下工藝管柱主要包括有纜智能分注工作筒、井下安全閥、過電纜密封工具、一體式電纜接箍保護器、鋼管電纜，地面控制系統(tǒng)包括地面控制器和控制軟件。該技術(shù)通過井下預(yù)置電纜的方式，以電信號為媒介，實現(xiàn)中控直接控制井下水嘴開關(guān)，實時監(jiān)測井下溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，技術(shù)原理如圖1所示。

1.2 有纜智能分注工作筒

有纜智能分注工作筒本體結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作筒本體主要由上接頭、外護管、過流管、流量計及下接頭組成。工作筒本體兩端出線結(jié)構(gòu)對稱，上下接頭結(jié)構(gòu)相同，在接頭上加工有油管螺紋，用于管柱連接，同時還設(shè)計有電纜頭接口，用于安裝電纜。過流管提供水流在儀器中的過流通道，承受油管內(nèi)水壓力。流量計用于計量本層注水流量，承受注水壓力。外護管是工作筒的主要承壓和承力部件，用于承受地層壓力和管柱拉力。

1.2.1 流量計設(shè)計

流量計作為有纜測調(diào)工作筒的重要組成部分，由于需要在井下長期監(jiān)測流量，設(shè)計優(yōu)選無運動部件、耐腐蝕、可靠性高和抗污能力強的流量計。無運動零部件的流量計主要有渦街流量計、電磁流量計、靶式流量計、超聲波流量計、孔板流量計等。靶式流量計、渦街和孔板流量計的量程比要比電磁流量計小，但可以實現(xiàn)小型化設(shè)計。渦街流量計、電磁流量計、超聲流量計長時間井下使用抗污能力較差。靶式流量計是通過液流對流道內(nèi)彈性結(jié)構(gòu)沖擊產(chǎn)生變形，通過測量變形量來獲得流量的，因此靶式流量計不是全開口流道，耐污能力不如具有全開口流道的流量計。故目前配水器采用孔板流量計，利用壓差法測量流量，無運動部件、不腐蝕銹蝕、抗污能力強、可靠性高。

流量計結(jié)構(gòu)如圖3所示，流量計主要由孔板、流量管和孔后壓傳感器等結(jié)構(gòu)組成。水流經(jīng)入水口，從過流管流入流量計內(nèi)。當(dāng)水流流經(jīng)節(jié)流孔板，由于孔板內(nèi)徑較小，水流將產(chǎn)生局部收縮，流束集中，流速增加，靜壓力降低，于是在孔板前后產(chǎn)生一個靜壓力差，由伯努利方程可知，該壓力差與流量存在著一定的函數(shù)關(guān)系，流量越大，壓力差就越大。經(jīng)流量計標定可確定函數(shù)的參數(shù)?？缀髩毫鞲衅饔糜趬毫Σ畹臏y量，所測得的壓力差用于流量計算。

1.2.2 一體化可調(diào)水嘴設(shè)計

一體化可調(diào)水嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示，可調(diào)水嘴主要由閥芯、格萊圈、絲杠、軸承、行程開關(guān)、螺母、電機等結(jié)構(gòu)組成。水嘴的動力由電機提供，閥芯上設(shè)計有梯形螺紋，與絲杠配合，絲杠在電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，閥芯通過梯形螺紋傳動可左右移動，閥芯與格萊圈配合，起到密封的作用。閥芯可橫向移動，隨著閥芯位移增大，出水口面積逐漸增大，起到調(diào)節(jié)流量的作用。軸承安裝在絲杠上，用于承受閥芯在壓力作用下的軸向力。絲杠上設(shè)計的螺母可與閥芯同步移動，并在螺母兩側(cè)設(shè)計了行程開關(guān)，用于控制水嘴行程，防止水嘴超行程運動造成水嘴損壞。

1.3 地面控制系統(tǒng)

1.3.1 地面控制器

地面控制器由開關(guān)電源、主控板、通訊板、驅(qū)動板、顯示板及附件構(gòu)成，通過電纜與井下有纜智能分注工作筒建立通訊，并實現(xiàn)實時監(jiān)測井下溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)。

地面控制器輸入電壓2 2 0 V ， 防爆等級DIIBT4，防護等級IP55～56，適應(yīng)工作環(huán)境溫度-40～85℃，滿足海上井口工作環(huán)境；具有手動/自動控制兩種工作模式，滿足遠程操控要求；實現(xiàn)長期、實時監(jiān)測井下流量、溫度、壓力等參數(shù)，并完成分層采油量的控制；通過一根電纜連接井下的各層位配產(chǎn)器，通訊距離不小于5000米；每臺控制器可分時控制7口井。

1.3.2 控制軟件

控制軟件系統(tǒng)與井下有纜智能分注工作筒采用數(shù)字化通訊，數(shù)據(jù)采集快，能實時顯示方便控制，設(shè)定流量或閥開度即可一鍵調(diào)整到位。同時與地面控制器實現(xiàn)無線通訊，主要包括控制系統(tǒng)和報表系統(tǒng)兩部分，其中控制系統(tǒng)完成水嘴開度的調(diào)節(jié)、過流保護及數(shù)據(jù)采集和顯示，報表系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的錄入、處理和存儲，軟件界面如圖5所示。

1.4 技術(shù)參數(shù)

適用井斜：任意井斜；完井方式：套管完井/防砂完井；防砂密封筒內(nèi)徑：4.75”、4”、3.88”、3.25”；配產(chǎn)器最大外徑：116mm；整機耐溫：120℃；整機耐壓：60MPa；流量測試范圍：10～800m3/d；壓力測試范圍：0～60MPa；溫度測試范圍：0～150℃。

2 工藝方案標準化設(shè)計

依據(jù)纜控分層注水技術(shù)規(guī)程開展工藝方案標準化設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括施工目的、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、分注井配注方案、工藝管柱設(shè)計、施工前準備、施工步驟、健康安全環(huán)保要求、井控要求等[8]，同時結(jié)合海上油田注水井井況特點，按照一井一策的設(shè)計原則進行單井工藝方案設(shè)計。

在工藝管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，結(jié)合海上油田先期機械防砂完井的井況特點，在標準化的基礎(chǔ)上，優(yōu)選配套過電纜定位/插入密封工具實現(xiàn)層間封隔，同時，按照海上油田井控安全要求，生產(chǎn)管柱配套下入井下安全閥，保障工藝管柱安全可靠。在健康安全環(huán)保要求方面，根據(jù)海上油田生產(chǎn)方式及生產(chǎn)環(huán)境的特點，增加相關(guān)的企業(yè)管理要求，確保注水安全。

3 現(xiàn)場實施標準化

3.1 管柱下入標準化

纜控分注井管柱下入按照標準化要求，下入管柱時，控制好管柱下入速度，嚴格按照管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計和配管數(shù)據(jù)組配管柱[8]，結(jié)合海上生產(chǎn)特點，管柱下入程序如下。

（1）連接最下部有纜智能測調(diào)工作筒、過電纜插入密封

1）有纜智能測調(diào)工作筒下部電纜連接口須用底堵堵死（其他層位工作筒下部連接電纜）。

2）拽動電纜自由端，剝?nèi)ル娎|保護膠皮，不銹鋼管長度為過電纜插入密封與有纜智能測調(diào)工作筒電纜接口之間的長度。

3）卸掉過電纜插入密封上、下堵頭，電纜自上而下穿越上部Swagelok接頭、過電纜插入密封電纜通道、下部Swagelok接頭。

4）在電纜自由端已經(jīng)剝開膠皮的鋼管電纜基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用割刀割掉電纜不銹鋼管，電纜末端端面平整、無毛刺，露出合適長度的電纜銅芯及絕緣層。

5）卸下有纜智能測調(diào)工作筒電纜接口上堵頭，鋼管電纜從密封接頭上端穿過，并把卡套、密封圈等密封組件裝到鋼管電纜上，然后將鋼管電纜插入3#有纜智能測調(diào)工作筒電纜接頭內(nèi)并壓緊。

6）打開地面控制器電源，檢查地面控制器和有纜智能測調(diào)工作筒之間信號傳輸是否良好，確認信號通信正常后關(guān)閉地面控制器電源輸出。

7）擰緊鋼管電纜與有纜智能測調(diào)工作筒電纜接頭之間的扣，上扣扭矩確保達到40N·m。

8）擰緊Swagelok接頭與過電纜插入密封下部接口之間NPT扣，再擰緊Swagelok的壓帽，上扣扭矩確保達到40N·m；同樣方式連接Swagelok與過電纜插入密封上部接口。

9）打開地面控制器電源，檢查地面控制器和有纜智能測調(diào)工作筒之間信號傳輸是否良好，確認信號通信正常后關(guān)閉地面控制器電源輸出。

（2）安裝一體式電纜保護器處的電纜

防砂段內(nèi)部分油管或短節(jié)接箍需替換為一體式電纜保護器（根據(jù)配長數(shù)據(jù)表），電纜通過一體式電纜保護器時，在電纜合適位置剝?nèi)ケＷo膠皮約30cm，將電纜置于一體式電纜保護器的電纜槽內(nèi)，放入擋環(huán)，膠條，擰緊壓帽，固定電纜。

（3）下入其他有纜智能測調(diào)工作筒和過電纜定位/插入密封

根據(jù)有纜智能測調(diào)管柱配長，參考前述步驟繼續(xù)下入其他有纜智能測調(diào)工作筒和過電纜定位/插入密封。

（4）下入注水管柱、滑套、安全閥

（5）井口電纜穿越及恢復(fù)

1）待有纜智能測調(diào)管柱下放到位后，管柱緩慢下探至頂部封隔器，確認到位后管柱下探3～5t。

2）進行環(huán)空驗封，先進行低壓驗封，再進行高壓驗封（注水井最大井口壓力），觀察井口套管壓力，15min壓力不降為合格。

3）根據(jù)下探油管長度配管，參考電纜穿越過電纜插入密封方式，穿越油管掛，并做好電纜穿越密封。

4）打開地面控制器電源，檢驗地面控制器和井下各級有纜智能測調(diào)工作筒的通信狀況，要求參數(shù)讀取正常、水嘴開度能夠順利調(diào)節(jié)。

5）電纜穿越井口采油樹，做好密封后恢復(fù)井口。

3.2 管柱驗封標準化

依據(jù)纜控分層注水技術(shù)驗封要求，對分注管柱進行驗封（以三段分注管柱為例）。

（1）打開地面控制器電源，啟動測調(diào)軟件，讀取井下數(shù)據(jù)，進行參數(shù)檢測，確定井下有纜智能測調(diào)工作筒狀態(tài)。

（2）由測調(diào)軟件控制地面控制器全關(guān)1#、3#有纜智能測調(diào)工作筒水嘴，全開2#有纜智能測調(diào)工作筒水嘴，保持該狀態(tài)30分鐘。

（3）在不超過井口允許的最大注入壓力下，選取3個壓力點，最高壓力點宜不低于注水流程最大工作壓力，相鄰壓力點宜相差1～3MPa，各壓力點保持15分鐘。通過測調(diào)軟件讀取1#、2#、3#有纜智能測調(diào)工作筒嘴前、嘴后壓力，并做好各項數(shù)據(jù)記錄，如果1#、3#有纜智能測調(diào)工作筒嘴后壓力不隨嘴前壓力變化而變化，則達到分層目的。

3.3 流量測調(diào)標準化

（1）由測調(diào)軟件控制地面控制器，全開第一層有纜智能測調(diào)工作筒水嘴，關(guān)閉其他有纜智能測調(diào)工作筒水嘴，以該井最大允許壓力值注水，用降壓法取5個壓力點，測試分層指示曲線，相鄰壓力點之間跨度要求大于0.5MPa，各點測30分鐘。

（2）重復(fù)上述步驟，完成其他各層的吸水指示曲線測試。

（3）根據(jù)得到的吸水指數(shù)曲線和地質(zhì)方案配注要求，確認達到配注要求的井口最大注入壓力。

（4）根據(jù)各層吸水情況，通過測調(diào)軟件設(shè)置，從下至上依次調(diào)節(jié)各有纜智能測調(diào)工作筒水嘴開度，測試各層注入量，先粗調(diào)再微調(diào)，重復(fù)此步驟，直至各層達到配注要求。

（5）完成調(diào)配后，進行視分層吸水指示曲線測試。

3.4 纜控分注井管理標準化

結(jié)合海上油田生產(chǎn)特點，并參考纜控分層注水技術(shù)規(guī)程相關(guān)做法，制定了海上油田智能分注井管理規(guī)定，對海上油田有纜智能分注井進行標準化管理[8]。

3.4.1 流量測調(diào)管理標準化

在井下管柱層間密封合格的情況下，方可進行分層流量測試和調(diào)配；測試前要對井下流量計和井口流量計進行校對，儀表測試誤差不超過規(guī)定要求時方可進行測試。分注井測調(diào)作業(yè)由生產(chǎn)單位定期組織平臺人員完成。流量測調(diào)時，在地面控制器通電之前，需對地面電纜連接情況進行檢查，電纜連接完好方可進行測調(diào)作業(yè)，若存在問題，需在問題解決后方可進行測調(diào)作業(yè)；按照要求完成測調(diào)作業(yè)后，斷開地面控制器電源。

3.4.2 地面控制系統(tǒng)管理標準化

地面控制系統(tǒng)維護包括地面控制器、電腦、地面儀表等的維護，由平臺指定專人負責(zé)智能測調(diào)地面設(shè)備維護。在無作業(yè)時，推薦斷開地面控制器電源；每個月進行一次漏電檢查。定期對電腦系統(tǒng)進行更新，保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和測調(diào)軟件的正常使用。每半年進行一次流量標定，確保流量測試準確性。

3.4.3 井下管柱管理標準化

由海上平臺負責(zé)每個月對井下管柱工作狀況進行檢查，并對檢查結(jié)果進行詳細記錄；每三年對井下管柱進行更換；井下工作筒流量計每半年進行一次標定，或當(dāng)流量測試誤差大于15%時應(yīng)進行標定；每半年對井下管柱進行驗封，對驗封不合格井及時進行原因分析及管柱更換。對具備洗井條件的智能分注井定期進行洗井，洗井周期可根據(jù)平臺生產(chǎn)運行、水質(zhì)等情況確定。

3.4.4 動態(tài)監(jiān)測與效果跟蹤分析標準化

進行注入剖面測試、地層壓力測試、井間監(jiān)測等生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測時，如需對井下工作筒工作狀態(tài)進行調(diào)整，則由平臺技術(shù)人員按要求進行操作，并在監(jiān)測結(jié)束后按配注要求恢復(fù)各層注水[7]。由研究部門負責(zé)智能分注井實施效果跟蹤及分析，包括實施井次、工藝類型、實施井基礎(chǔ)信息、故障井故障類型分類、故障原因分析、故障井解決措施等信息的統(tǒng)計，并建立智能分注技術(shù)臺賬和數(shù)據(jù)庫。由生產(chǎn)單位負責(zé)對已實施智能分注井的增油效果進行統(tǒng)計，每年統(tǒng)計一次。

4 標準化應(yīng)用效果

在《纜控分層注水技術(shù)規(guī)程》的指導(dǎo)下，分注井纜控智能測調(diào)技術(shù)已經(jīng)在渤海主力注水油田完成現(xiàn)場應(yīng)用100余井次，單井調(diào)控時間由4天縮短至4～6小時，測調(diào)效率提高96%。通過在線高效調(diào)控，油藏層間矛盾得到有效緩解，分注井層段合格率、自然遞減率、含水上升率等主要開發(fā)指標持續(xù)向好。同時，分注井纜控智能測調(diào)技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用大幅減少了海上平臺作業(yè)時間和作業(yè)費用，累計為渤海油田節(jié)約平臺作業(yè)時間6000余天，為保障油田高效注水開發(fā)提供了有力技術(shù)支撐。

5 結(jié) 論

（1）針對海上油田常規(guī)測調(diào)技術(shù)測調(diào)效率低、適應(yīng)性不足的問題，研發(fā)形成了海上油田分注井纜控智能測調(diào)技術(shù)，大幅提高了分注井的測調(diào)效率，并實現(xiàn)了大斜度/水平注水井的高效測調(diào)。

（2）結(jié)合行業(yè)標準《纜控分層注水技術(shù)規(guī)程》要求，有效指導(dǎo)了海上油田分注井纜控智能測調(diào)工藝方案的標準化設(shè)計及現(xiàn)場實施，保證纜控智能分注管柱下入、測試、調(diào)配、驗封等作業(yè)方法的合理性，確保了分注工藝的實施效果。

（3）以行業(yè)標準為指導(dǎo)，建立了海上油田智能分注井標準化管理方法，保障了技術(shù)規(guī)?；茝V，為渤海油田實現(xiàn)高效精細注水開發(fā)提供了標準保障。

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