渤海油田分層注水井電纜永置智能測調關鍵技術

劉義剛， 陳 征， 孟祥海， 張 樂， 藍 飛， 宋 鑫

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

目前，渤海油田有45個油田正在生產，其中35個油田以人工水驅為主要開發模式。截至2018年底，渤海油田共有注水井787口，其中分層注水井742口，占比超過90%。國內對分層注水技術進行很多研究，并取得較好的現場應用效果[1-10]。渤海油田常用的分層注水技術有空心集成分層注水技術、同心分層注水技術、邊測邊調分層注水技術等，但在測調、驗封時均需要鋼絲或電纜作業配合，單井測調占用平臺時間長。由于海上平臺作業任務重，無法為鋼絲、電纜調配作業提供足夠的作業時間以及作業空間，同時大斜度井、水平注水井的井斜角超過60°，鋼絲、電纜作業測調實施難度較大，導致近年來渤海油田分注井測試率和分注井層段合格率偏低，影響了分層注水開發效果。針對常規分層注水技術存在的問題，自2015年起渤海油田開始進行海上油田智能測調技術攻關，研制了三通結構帶自鎖無級調節的大排量測調工作筒，通過預置電纜的方式，實現了海上油田大排量遠程電控直讀注水，配套了適用于先期防砂完井方式下分層注水的分層密封工具，設計了防砂段內一體化電纜保護方案，形成了適用于海上油田先期防砂完井方式下分層注水的電纜永置智能測調關鍵技術[11-13]。現場應用表明，該技術可明顯提高分層注水井測調效率和測調頻次，為渤海油田高效開發提供了技術支持和保障。

1 電纜永置智能測調技術原理

電纜永置智能測調分層注水技術，其井下工藝管柱主要由智能測調工作筒、過電纜插入密封、井下鋼管電纜、過電纜定位密封、安全閥、滑套等組成，地面設備主要由地面控制器及控制計算機組成，如圖1所示。空心集成分層注水技術等渤海油田常規分層注水技術中工作筒與配水器各自獨立，調配時需通過鋼絲作業逐級投放、打撈配水器并更換水嘴。電纜永置智能測調分層注水技術將工作筒與配水器合二為一，并將溫度、壓力、流量等測試單元集成于工作筒中隨管柱一同下入井內，通過鋼管電纜與地面控制器相連，地面控制器再通過無線或電纜等方式與平臺中控室的控制計算機相連。采用電纜永置智能測調技術進行測調時，僅需通過控制計算機發送所需命令，地面控制器便會進行相應的編碼、解碼，并通過井下鋼管電纜將信號傳至井下智能測調工作筒，智能測調工作筒接到命令后進行相應動作并反向返回數據信息，經由地面控制器解碼后反饋至控制計算機，實現遠程智能測調。

圖1 電纜永置智能測調技術原理示意Fig.1 Schematic diagram of the cable implanted intelligent injection technology

電纜永置智能測調技術適用于套管射孔完井及先期防砂完井的分層注水井，不受井斜限制，單層最大注入量800 m3/d，最大工作壓力60 MPa，最高工作溫度125 ℃，適用最大井深3 000.00 m。

2 關鍵井下工具的研制

電纜永置智能測調分層注水的關鍵井下工具包括智能測調工作筒、過電纜密封工具和一體式電纜保護器，均為渤海油田自主研制。

2.1 智能測調工作筒

智能測調工作筒位于分層配水層段，其上部通過油管連接分層工具，是電纜永置智能測調技術的核心工具，其基本結構如圖2所示。

圖2 智能測調工作筒結構示意Fig.2 Schematic diagram of the intelligent monitoring/adjusting cylinder

與常規分層注水工具相比，該智能測調工作筒內部元件繁多，在有限的空間里要集成測試、水嘴調節、線路控制、供電等功能，要實現工作筒與配水器的合二為一，需對該工具內部結構進行科學合理布局。

智能測調工作筒上接頭下部與過流通道、上流量計相連。該工作筒采用高精度雙電磁流量計，注入流體通過過流通道時由上流量計計量流入總流量，下流量計計量流出總流量，兩者相減得到該層的實際注入流量。智能測調工作筒上部電纜插接于上接頭，為智能測調工作筒供電，并于下接頭處接出。該工作筒采用雙壓力計，壓力計與上流量計下部相連，對稱分布，分別負責測試管內壓力和管外壓力，驗封時可根據管內外壓力變化實現直讀驗封。管內壓力計下部與一體化可調水嘴相連。一體化可調水嘴的結構如圖3所示。

圖3 一體化可調水嘴結構示意Fig.3 Schematic diagram of the integrated adjustable nozzle

一體化可調水嘴為智能測調工作筒的唯一可動部件，為提高穩定性及耐久性，在其中設置了行程開關，水嘴全開或全關狀態下能夠自鎖斷電。中心過流通道在水嘴處分出支流通道，流體通過水嘴后進入地層，水嘴采用三通結構設計，選擇耐沖蝕、耐震動和抗沖擊性能好的氧化鋯陶瓷材料，最大排量可達800 m3/d，且嘴損不超過1 MPa。為確定水嘴開度，在該水嘴磁鋼下部設有一霍爾傳感器。調節注水量時，電機帶動絲杠轉動，霍爾傳感器通過計算減速器轉動圈數確定水嘴開度，絲杠通過絲杠螺母副帶動連桿進行直線運動，連桿帶動陶瓷水嘴運動，從而改變出水孔漏出面積，最終實現注水量連續無級調節。一體化可調水嘴采用平衡壓設計，試驗證明在20 MPa壓差下可順利開啟。線路控制部位于智能測調工作筒下流量計上部，負責數據存儲和數據傳輸過程中的編碼、解碼等；同時，溫度計集成于線路板上，負責環境溫度測試。除可以手動測調外，智能測調工作筒還具有自動測調功能，現場應用時可根據實際需求進行選擇。使用自動測調功能時，線路控制部接收地面命令確定需要的注入量，并與目前實際注入量進行比較，如超過設定的允許誤差，線路控制部將控制電機轉動調節一體化水嘴開度以使實際注入量符合要求，實現智能測調。

通過結構優化與材料優選，確定智能測調工作筒的外徑116.0 mm，最大內通徑44.0 mm，可進行氧活化等現場測試，最大單層排量800 m3/d，最大耐溫125 ℃，耐壓60 MPa，最大輸出扭矩為8 N·m。

2.2 過電纜密封工具

與陸地油田不同，渤海油田分層注水井多為先期防砂完井，封隔器密封筒預置于防砂段內，通過配合使用定位密封和插入密封實現層間封隔。電纜作為電能和數據的傳輸介質需隨智能測調工作筒下至防砂段內，為保證電纜順利下入且不造成分層密封失效，必須研制開發具有穿越通道的過電纜密封工具。

過電纜密封工具主要由φ 158.5 mm過電纜定位密封工具和φ 120.7 mm過電纜插入密封工具組成，如圖4所示。

圖4 過電纜密封工具結構示意Fig.4 Schematic diagram of the cable-through sealing tool

過電纜定位密封工具的上接頭、下接頭分別與上、下端油管連接，定位體上設計有定位臺階，與頂部封隔器配合實現管柱定位，密封模塊通過與頂部封隔器密封筒的過盈配合實現密封，隔環在密封模塊之間起分隔作用，帶固定螺釘的下接頭用于固定定位密封本體上的密封模塊組和隔環。在過電纜定位密封本體側壁軸向設有供電纜穿過的過電纜通道，與常規定位密封不同，電纜可直接由密封本體側壁穿過，電纜通道上、下兩端分別設有NPT螺紋，與NPT扣配合可緊固電纜。設計的φ158.5 mm過電纜定位密封工具長1 441.00 mm，最大外徑158.5 mm，最小內徑76.0 mm，耐壓30 MPa，上接頭螺紋為φ88.9 mm UP TBG，下接頭螺紋為φ73.0 mm TBG。

過電纜插入密封工具的結構與過電纜定位密封工具相似，不同之處在于其沒有定位體，其他各部件的作用與過電纜定位密封工具相同。設計的φ120.7 mm過電纜插入密封工具長1 448.00 mm，最大外徑120.7 mm，最小內徑58.0 mm，耐壓30 MPa，上接頭螺紋為φ73.0 mm TBG，下接頭螺紋為φ73.0 mm TBG。

2.3 一體式電纜保護器

防砂段內通徑較小，電纜在隨管柱下入過程中在油管接箍處可能會發生磕碰導致電纜損壞，同時還可能與井壁發生摩擦，導致電纜被刮傷。為了保證電纜在下入過程中可靠、安全，設計了防砂段油管一體式電纜接箍保護器，其組成如圖5所示。

圖5 一體式電纜接箍保護器Fig.5 Integrated cable coupling protector

一體式電纜保護器在本體上開有4個對稱的U形槽，在使用時該接箍保護器上、下端分別與油管連接，電纜在保護槽內通過，電纜通過時需剝除電纜外膠皮并將電纜塞入U形槽內，然后在U形槽旁的圓槽內塞入銅墊固定過盈膠條，再塞入2根過盈膠條，最后擰緊螺釘壓帽擠壓過盈膠條使其膨脹貼緊電纜以到達固定電纜的目的。設計的一體式電纜保護器最大外徑116.0 mm，內徑62.0 mm，長度235.0 mm，上下扣型為φ73.0 mm TBG，U形槽直徑6.5 mm，適用于剝去膠皮后φ6.0 mm的鋼管電纜。

3 電纜永置智能測調工具性能試驗

渤海油田單井增產增注措施實施頻繁，對電纜永置智能測調工具整體的耐酸、耐壓性能和水嘴的耐壓差、耐卡性能要求較高。為了驗證研制的電纜永置智能測調工具的相關性能，進行了地面性能試驗。

3.1 耐酸試驗

現場實踐發現，電磁流量計電極在酸環境中會被腐蝕，造成井下工作筒短路，從而導致電纜永置智能測調工具出現故障。為此，對研制的智能測調工作筒進行了耐酸試驗。

試驗方法：按配方12.0%HCl+3.0%HF+0.5%緩蝕劑配制酸液，在模擬井內充滿甘油（用于加熱后油浴），將智能測調工作筒置于充滿酸液的密封短節中并放入模擬井中；通過高壓管線將泵與密封短節相連，用于維持系統壓力；通過電纜將電源與電加熱裝置相連，用于維持系統溫度；通過電纜將計算機與智能測調工作筒相連，用于實時監測工作筒的工作狀態；做好上述工作后，保持密封短節內的壓力為40 MPa，逐漸升高系統溫度，對裝有不同材質電極的智能測調工作筒進行耐酸試驗。試驗裝置如圖6所示，試驗結果見表1。

由表1可知：原用純鈦材質電極在酸環境中容易損壞；當采用哈氏不銹鋼B作為電極材料時，在酸環境中不通電，智能測調工作筒的電極不會損壞；當采用哈氏不銹鋼C作為電極材料時，在酸環境中通電測試、調節，智能測調工作筒的電極不會損壞。因此，現場應用時，電磁流量計電極的材料建議改用哈氏不銹鋼C。

圖6 智能測調工作筒耐酸試驗裝置Fig.6 Acid resistance test device for intelligent measuring and adjusting cylinder

表1 智能測調工作筒耐酸試驗結果Table 1 Acid resistance test results of intelligent measuring/adjusting cylinder

3.2 耐微壓裂試驗

微壓裂增注是渤海油田主要增注技術之一，分層微壓裂作業過程中非作業層需要保持水嘴全關狀態，此時工作筒內外壓差高達30 MPa，在這種狀態下智能測調工作筒存在進液短路風險，同時也有損壞陶瓷水嘴的風險。因此，需要進行耐微壓裂性能試驗，來驗證智能測調工作筒在微壓裂作業過程中的可靠性。試驗方法：關閉智能測調工作筒水嘴，通過泵注水使密封短節兩端產生壓差，在此期間持續通電進行監測，將壓差穩定在45.0 MPa持續4 h以上時間后調節水嘴測試水嘴的開啟情況。試驗裝置如圖7所示，試驗結果見表2。

由表2可知：將注入壓力持續升至45.4 MPa，保持45.0 MPa壓差250 min后，調節水嘴并測試水嘴功能，水嘴能夠正常打開并能進行正向、反向調節；智能測調工作筒在45.0 MPa壓差下，持續通電測試4 h以上時間后系統穩定、正常。試驗后水嘴無損壞，可正常調節開度。由此可見，智能測調工作筒可滿足渤海油田微壓裂作業需求。

3.3 耐調剖試驗

調剖是渤海油田提高采收率的主要增產措施之一，常用的凝膠型調剖劑黏度較大且具有彈性，通過水嘴時易堵塞水嘴造成憋壓。因此，需要進行耐調剖性能試驗，來驗證智能測調工作筒在調剖作業過程中的可靠性。試驗方法：將智能測調工作筒水嘴調至全開狀態，向工作筒中持續泵注調剖劑，期間逐漸關小水嘴至30%開度，并監測智能測調工作筒電機電流是否出現異常（正常為25～40 mA，遇卡時電機電流增大），關小水嘴開度至20.0%后繼續持續注入4 h以上時間，停注后測試水嘴開啟情況。試驗裝置如圖7所示，試驗結果見表3。

由表3可知，注入過程中水嘴動作靈敏正常，持續注入超過4 h后未出現卡堵現象，水嘴可正常動作，各測試模塊工作狀態正常。由此可見，智能測調工作筒可滿足渤海油田調剖作業需求。

4 現場應用效果

圖7 智能測調工作筒耐微壓裂、耐調剖性能試驗裝置Fig.7 Mini-fracturing and profile control resistance test device for intelligent measuring/adjusting cylinder

表2 智能測調工作筒耐微壓裂試驗結果Table 2 Results of micro-fracturing resistance test of intelligent measuring/adjusting cylinder

表3 智能測調工作筒耐微調剖性能試驗結果Table 3 Results of fine profile control resistance test of intelligent measuring/adjusting cylinder

截至2019年2月下旬，電纜永置智能測調技術在渤海油田累計應用38口井，最大分層數6層，最大下入深度3 333.00 m，最大井斜角87.62°，最大單層流量800 m3/d。已實施井應用電纜永置智能測調技術后，與應用常規分層注水技術相比，平均單井測調費用由十余萬元降至0元，平均單井測調時間由4 d縮短至4 h，平均測調頻次由不足1.0次/年提高至2.1次/年，達到了渤海油田分層注水井測試率指標要求，累計縮短平臺占用時間300 d以上，節省測調費用900余萬元。

以某油田A井為例，該井所在平臺作業量大，無法為A井測調作業提供足夠的作業時間及作業空間，2017年該井采用常規分層注水技術注水，未進行測調。2018年1月下入電纜永置智能測調管柱后，當年完成測調4次，節省測調費用50余萬元，受益油井流壓回升0.11 MPa，平均含水率下降2%，取得了很好的應用效果。

5 結論與建議

1）相較于渤海油田常規分層注水技術，電纜永置智能測調技術無需鋼絲或電纜作業配合，即可通過地面控制器進行遠程操作來實現井下數據實時監測和井下流量實時控制，減少了測調作業時對平臺時間、空間的占用，平均單井測調時間可縮短至4 h/井次。

2）通過持續的優化改進，電纜永置智能測調技術目前可滿足渤海油田酸化、微壓裂、調剖等增產增注作業需求，具有良好的適應性，為渤海油田穩油控水、改善水驅效果提供了技術保障。

3）穩定性與可靠性是電纜永置智能測調技術的關鍵，建議通過持續的應用、優化和改進，使該技術的穩定性及可靠性進一步提高，并形成多尺寸系列化智能測調工具，從而實現渤海油田分層注水井全覆蓋。