水平井智能分注工藝管柱研制與應用

薛 玲

（吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

吉林油田水平井的數量逐年增多，采油生產水平段經濟鉆井長度在500-700米，規模壓裂段數目前已經達到15段以上，注水補充能量是其穩產的基礎。受油藏的低滲透非均質性影響，地質上需要分注的井數和段數越來越多。而前期研究的水平井地面分注工藝技術僅能滿足水平井二段分注的需求，無法滿足水平井三段以上分注。因水平井注水管柱受重力效應和水平拐點的影響，導致水平井注水存在著“分不開注水層位、起不出注水管柱、注不清每一層段的注水量、測不準每一層段的注水量”等問題，為此，開展了水平井智能分注工藝管柱研制。該工藝具有了“分得開、起得出、注得清、測得準、調得快”的特點，同時，解決了上提管柱解封載荷過大的問題；且能夠實現四段以上分注，通過地面控制精確調節井下各段注入量，極大的提高了測調試效率與成功率。并能更全面真實的反映全井吸水剖面，有利于提高水平井最終采收率。真正地實現水平注水井多段有效分段配注。

圖1 水平井智能分注工藝管柱示意圖1-智能測

1 水平井智能分注工藝管柱結構及工藝原理

1.1 管柱結構

該分注工藝管柱主要由液壓扶正器、Y341逐級解封封隔器、智能配水器、動力傳輸電纜、地面測控儀及操作控制系統等組成，如圖1所示。

1.2 工藝原理

按施工設計要求將管柱下入井內，通過井下與地面軟硬件的配合實現，無需動用測調管柱的水平井智能分注管柱：地面測控儀安裝操作控制軟件，借助傳輸電纜，經井下電纜傳輸接頭穿過扶正器、封隔器連接井下智能配水器，實時采集井下注水壓力、溫度、注水量等參數，經傳輸和控制系統，在地面進行數據收集和分析整理，根據油藏地質分注要求，實時反饋至井下智能配水器，實時監測控制注水量，實現水平井精細控制分段配注；分注管柱通過逐級解封封隔器與液壓扶正器，保證密封與解封穩定可靠。

2 水平井智能分注工藝管柱主要配套工具

水平井智能分注工藝管柱主要包括Y341逐級解封封隔器、液壓扶正器、智能配水器。

2.1 智能配水器

通過智能配水器實現井下測調一體化。智能配水器集成壓力、溫度、流量監測傳感器與可調水嘴，借助傳輸電纜連接井下智能配水器與地面測控儀，實現井下各分注段相關數據的錄取、解析與水量控制。

2.1.1 工具結構

主要由上電纜頭、上接頭、控制電路版、流量計、水嘴電機總成、驗封短節、下接頭、下電纜頭組成，如圖2所示。

圖2 智能配水器結構示意圖

2.1.2 工作原理

智能配水器各部分相對獨立，由信號和控制線連接進行供電和通信。下層注水從過流通道流過；本層注水經流量計、可調水嘴之后注入地層。驗封壓力計可以實時監測管內注水壓力和管外地層壓力，具有驗封功能。過流通道和各個功能短節都完全密封，因此工作筒內部不受注水壓力作用，可用來作各短節連接和控制走線。

2.1.3 主要技術參數

（1）最大外徑：Φ114mm；

（2）內部過流通徑：Φ40mm；

（3）單層流量調節范圍50m3/d；

（4）本體耐壓60MPa；

（5）耐溫150℃。

2.1.4 工具特點

（1）上接頭與過流通道和流量計相連，流量計與可調水嘴相連，過流通道為本層和其它注水層提供通道。

（2）電纜通過上電纜頭進入配水器內部，為本層配水器供電，通過下電纜頭引出配水器。

（3）流量計將測量數據傳送給控制電路，控制芯片通過電纜將采集到的壓力、溫度、流量計數值傳送給地面控制器。

（4）控制芯片接收地面調控命令，控制電機轉動改變水嘴開度，完成流量調節。

（5）在每個注水層位上均裝有一個智能配水器，層間用封隔器隔開。

（6）實時監測每層注水量的大小，由微處理器根據設置調節閥門開度，將注水量控制在需要的水平上。

（7）能夠與地面雙向通訊，隨時監測地面指令，重新配置每層注水量的大小。

2.2 Y341逐級解封封隔器

水平井多級分注的實現，需要一種解封載荷小、坐封解封穩定且具有過電纜功能的封隔器。基于此，進行了Y341液壓逐級解封封隔器的設計，可實現多級穩定坐封、安全解封，過電纜接頭密封可靠。

2.2.1 工具結構

主要由上過電纜接頭、密封部分、坐封機構、解封機構、下過電纜接頭組成，如圖3所示。

圖3 Y341逐級解封封隔器結構圖

2.2.2 工作原理

坐封：將封隔器下入預定位置，先將套管灌滿水，從中心管內緩慢打壓，壓力達到12MPa時停泵憋壓5分鐘，繼續緩慢加壓至18MPa停泵，完成坐封。

解封：上提管柱（大于管柱自重30kN左右），上接頭、中心管及下接頭上行，拉動解封機構動作解卡，與此同時，釋放機構動作也完成，膠筒得到釋放恢復到自由狀態，封隔器解封。

2.2.3 主要技術參數

（1）外形尺寸：Φ110×Φ50×1214mm；

（2）坐封壓力：18MPa；

（3）最高壓力：20MPa；

（4）適應井溫：≤120℃；

（5）解封載荷：20kN～30kN；

（6）工作壓差：15MPa；

（7）適應套管：5 1/2in；

（8）連接方式：2 7/8TBG。

2.2.4 工具特點

（1）具有過電纜功能且密封可靠；

（2）具有逐級解封功能，適合多級封隔應用；

（3）采用了鋸齒鎖環和卡塊鎖緊機構，坐封可靠；

（4）采用了解封釋放機構，解封時膠筒向下滑行，膠筒能充分釋放，避免造成卡井現象。

2.3 液壓扶正器

水平井水平段由于重力作用會造成封隔器膠筒不居中，基于此，設計一種液壓可重復坐封的扶正裝置是水平井有效安全分注的重要保障。

2.3.1 工具結構

主要由上過電纜接頭、坐封液缸、扶正塊、復位液缸、下過電纜接頭組成，如圖4所示。

圖4 液壓扶正器結構圖

2.3.2 工作原理

扶正：液體通過上接頭進水閥進入，扶正塊伸出扶正體，起到擴張扶正作用。

解封：上提上接頭后，內部壓力通過上鋼套上端水孔排出，扶正塊失去擴張支撐，在彈簧彈力下復位。

重復扶正：液壓通過中心管下端水孔進入復位液缸，使扶正體及坐封液缸復位后，繼續加壓即可使扶正塊伸出工作。

2.3.3 主要技術參數

（1）長度：580mm；

（2）最大外徑：φ100mm；

（3）接頭扣型：2 7/8TBG；

（4）最小內徑：φ40mm；

（5）坐封壓力：10MPa；

（6）解封載荷：10kN；

（7）單只扶正塊變形力極限：3kN；

（8）工作溫度：≤120°C；

（9）工作井徑：φ121mm-φ127mm。

2.3.4 工具特點

（1）具有過電纜功能且密封可靠。

（2）外徑φ100mm，在下井過程中，扶正塊含在扶正體內部，只有工作時才伸出扶正體。下井過程中不易刮壞。

（3）使用儲能彈簧和液壓控制扶正塊，液壓啟動扶正時儲存能量，并輔助鎖緊扶正。解壓后，扶正塊在彈簧彈力作用下復位，防止卡井。

（4）含有鎖定裝置，泄壓后依舊對管柱起到扶正作用，提拉解封。

（5）如因扶正塊而發生卡井事故時，直接提拉，即可使鋁合金扶正塊變形，不易形成真正意義上的卡井。

（6）只要鋁合金材質的扶正塊不發生變形，就可在井下重復使用。

3 現場應用

截止2017年12月底，共施工9口井（短路1口井），均多段分注，目前可對井下設備的工作狀態進行查詢，獲取了各層的咀前、咀后壓力和流量等信息，可遠程監測與控制，井下數據精確、實時監測基本穩定。

典型井例：木XX-XX井，三段分注，封隔器驗封合格、水量測調成功，實現了注入嘴前、嘴后壓力及注入量實時監測，達到了預期目標，測調結果如圖5、圖6所示。

圖5 第二層段監測數據

圖6 第一層段水嘴堵塞成功處理

初期現場測試得知，第二、三層段注入量正常（略偏大），第一層段無流量，其節流壓差為7MPa左右，判斷為第一層段水嘴遇堵，打開第一層段水嘴開度，雜物排除，油管壓力迅速下降，嘴后壓力緩慢恢復，又進行了驗封測試，封隔器坐封合格，成功處理了水嘴堵塞問題。三段分注，智能測調、井下數據實時監測成功。

4 結論與認識

（1）對水平井智能分注工藝技術進行了國內外的技術調研，與相近技術進行對比，該技術具有領先性。對于水平井地層吸水狀況的認識，以及吉林油田水平井開發區塊的持續穩產都具有重要意義。

（2）通過預制電纜實現水平井多段分注，信號損失小、現場連接簡便、成本低廉、耐溫耐用，過工具各端部位密封可靠。在地面實時監測控制各段注水，測調免投撈、管柱自驗封，滿足水平井多段精細注水需求。

（3）從軟件與硬件兩方面對地面測控系統進行了設計研制，地面測控裝置及操控軟件可實現對井下注水信息的接收，手動或自動操作對智能配水器下達測調指令，保證了水平井多段分注整個工藝的協調運行。

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