高壓注水井測調儀器多重柔性下入技術研究

宋祖廠，劉 揚，項 勇，賴學明，蓋旭波，鄔 楝2，胡石鋒，楊海超，韓 濤

(1.大港油田 采油工藝研究院，天津 300280； 2.大港油田 第二采油廠，河北 滄州 061100)

油田注水開發是有效保持地層能量的主要手段，也是目前國內油田開發最成熟、最經濟、最有效、最具潛力的開發方式。隨著油田開發的不斷深入，高壓深井不斷增多，如中國石油大港油田，屬于典型多層系復雜斷塊油藏，油層埋深713～4 030 m，注水壓力1～35 MPa，其中王官屯、板橋等油田近60%水井的井口注水壓力大于18 MPa，最高壓力達35 MPa[1]。

水井在利用柔性電纜下入儀器測試時，由于井口注水壓力高，經常出現儀器在防噴管內下不去或下入困難，地面無法剛性驅動。為解決高壓水井中儀器下入難題，現場主要有3種解決方式：

1) 采用預先停注、放溢流等泄壓方式，使井口注水壓力降低。由于注水壓力改變，注水精度降低。泄壓占井周期長，影響現場施工進度，且會造成地層能量損失、出砂井地層返吐、砂埋分注管柱和井口周圍環境污染等問題[2-5]。

2) 儀器上連接多段加重桿，利用重力來克服高壓水產生的上頂力。由于儀器串長度和重力增加，井口配套的防噴管長度也須相應增加。采用人工攀爬舉升方式將儀器放入防噴管中，由于采油樹一般高2 m左右，且豎立起的防噴管非常高，安全風險極大。

3) 調用大型吊車，將配套有多段加重桿的超長儀器通過近10 m測井防噴管下入井筒中。但該方式動用設備多，造成施工成本大幅上升。

天滑輪懸掛的柔性電纜與下部多自由度儀器共同構成的下入系統，屬于典型的多重柔性儀器下入系統，與連續油管剛性下入相比，具有現場占地面積小、操作輕便、投入成本低、工作效率高等優點。但是，也存在儀器無法剛性驅動等問題。國內外學者在高壓水井中的儀器多重柔性下入方面研究探討較少[6-9]。筆者基于高壓水井儀器下入難題，研究提出一種多重柔性下入技術，在不泄壓條件下，使用井口配套裝置，通過在地面液壓泵連續加壓操作，即可利用柔性電纜將帶有多級加重桿的超長、重儀器順利下入井筒中，無需水井停注泄壓，放溢流，或動用大型吊車和人工攀爬防噴管，具有操作簡便、安全可靠、工作效率高等特點，且降低施工成本和工人勞動強度，為解決高壓水井儀器下入難題提供了一種新的工程技術手段。

1 水井內儀器可下入性分析

水井在測試時，儀器多采用柔性電纜通過井口豎立的防噴管下入井筒內，如圖1。根據靜力學原理，電纜與儀器串能否從防噴管中順利下入井筒，與電纜的直徑、儀器串自身重力、配注的注水壓力及電纜與盤根間的最大靜摩擦力等因素有關。儀器串順利下入的基本條件：自重力大于儀器串受到的懸浮力與最大靜摩擦力之和，即：

(1)

式中：G為儀器串自重力，N；D0為電纜直徑，m；p0為注水壓力，Pa；F1為電纜與盤根間的最大靜摩擦力，N。

圖1 防噴管內儀器串受力示意

通過室內測得不同注水壓力下盤根對電纜摩擦力與壓力變化，可知盤根對電纜的靜摩擦力隨著井口注水壓力增加而增大，當注水壓力大于12 MPa時，儀器開始下行，摩擦力逐漸趨于穩定[7]。

2 儀器多重柔性下入技術及關鍵裝置設計

現場配套使用的防噴管、防噴頭配套的測試工具和井下儀器的相關結構參數如表1所示。實際應用中，克服懸浮力和摩擦力的方法就是增加儀器串配重[19]。假設電纜與盤根間的摩擦因數為μ，則儀器能夠順利下入井筒的基本條件是儀器串自重力大于自身所受的懸浮力和電纜與盤根間的最大靜摩擦力之和，即：

(2)

計算得到兩種標準規格電纜在不同注水壓力下儀器串配重，如表2，若使用3.5 mm鎧裝電纜，按照高空人工舉升儀器串極限重力200 N左右，儀器串長度將達到2.4 m，現有2.5 m防噴管能夠滿足工程使用要求。因此，儀器下入采用常規人工舉升方式能夠適應的極限注水壓力約為18 MPa。

表1 高壓水井常規測調裝備參數

表2 不同井口壓力時儀器串配重的最小質量

2.1 高壓水井儀器柔性下入工藝

對于注水壓力超過18 MPa的高壓水井，如何經濟、安全、可靠地使加長且超重的儀器能夠通過井口防噴管下入到井筒內是本文研究的關鍵。筆者從工藝適應性、經濟性、安全性等方面對比分析，研究提出儀器多重柔性下入技術。主要包括可傾斜液壓舉升加長防噴管裝置、頂部液壓防噴密封裝置、儀器串、鎧裝電纜和測調聯動車組等。可傾斜液壓舉升加長防噴管裝置安裝在井口，如圖2，在地面把配有加重桿的超長儀器串放入傾斜的加長防噴管內，油壓泵加壓，傾斜的防噴管豎立起來，如圖3所示，測調聯動車組利用柔性鎧裝電纜使儀器串在自身重力作用下，通過豎立的加長防噴管裝置下入到水井中，實現儀器在不泄壓情況下柔性下入。

圖2 傾斜的液壓舉升加長防噴管裝置

2.2 關鍵配套裝置結構

1) 可傾斜液壓舉升加長防噴管。

傾斜液壓缸的兩端分別固定在A、B兩點，與加長防噴管固定套C點組成一個三角關系，如圖4所示。當傾斜液壓缸加壓后，液壓缸伸長，A點以C點為中心轉動，就帶動加長防噴管固定套及安裝的加長防噴管轉動。隨著起升液壓缸不斷伸長，A點就轉動到圖5所示的位置，加長防噴管與井口固定短節在同一軸線上，達到加長防噴管豎起目的。

圖3 豎立的液壓舉升加長防噴管裝置

圖4 液壓可傾斜舉升裝置在傾倒位置

對舉升裝置的起升過程進行有限元分析，從圖6～10中的Von mises應力分布云圖看出，整個起升過程中A點和C點應力值較大，加長放噴管接近水平位置時，整個裝置的Von mises應力值達到最大，約168 MPa，后逐漸降低，滿足工程要求。

圖5 液壓可傾斜舉升裝置在豎立位置

圖6 起升角度為-20°時裝置應力分布云圖

圖7 起升角度為10°時裝置應力分布云圖

圖8 起升角度為40°時裝置應力分布云圖

圖9 起升角度為70°時裝置應力分布云圖

圖10 舉升裝置最大Von mises應力變化曲線

隨起升角度的增加，舉升驅動力變化曲線如圖11所示，可以看出，起升角度為0時(即加長放噴管處于水平位置)，舉升驅動力絕對值達到最大，約為9 584.8 N，整個舉升過程中，驅動液壓缸軸向力逐漸減小，轉到90°時，由于防噴管重力主要作用在C點上，軸向壓力變為最小。

圖11 最大舉升驅動力變化曲線

2) 頂部液壓防噴密封裝置。

頂部液壓防噴密封裝置結構如圖12。

1—上接頭；2—壓帽；3—盤根Ⅰ；4—盤根墊Ⅰ；5—活塞桿；6—限位臺階；7—盤根Ⅱ；8—盤根墊Ⅱ；9—中心孔；10—防噴基座；11—防噴接頭；12—泵接頭；13—密閉空腔；14—高壓軟管；15—斜孔。

當井內壓力高，密封盤根沒有密封住電纜，高壓水沿電纜從小堵頭處噴出時，利用液壓活塞擠壓盤根來密封電纜。手壓泵推動液壓油進入防噴盒與液壓缸的環形空間，并上行至液壓缸中部1個斜孔，因為液壓缸上端和下端分別有兩道O形圈與防噴盒密封，這樣油只能從斜孔進入活塞上端面。因為，活塞上部連接桿通過密封堵頭與液壓缸相互密封，油進入活塞上端后同時將壓力傳遞到活塞上端面。在

壓力的推動下，迫使活塞下行。下行的活塞擠壓密封盤根，使盤根收縮變形，抱死電纜，達到密封效果。在上提和下放過程中，井內的高壓水流會有部分沿電纜溢出，為了不讓這部分水從液壓防噴器上部噴出，造成環境污染。在活塞桿的上部增加溢流防噴盒，水流通過上部盤根阻擋，從溢流接頭處流出，進入回收罐。

2.3 電纜優選及技術裝備配套

注水壓力恒定時，儀器受到的懸浮力隨電纜外徑增大而增大，呈典型的非線性關系，如圖13所示。因此，從目前國內?5.6 mm和?3.5 mm兩種標準規格的鎧裝電纜中優選配套?3.5 mm鎧裝電纜。

圖13 測調儀器懸浮力與電纜外徑關系曲線

考慮加重的儀器串較長，增加防噴管有效長度至4.5 m。從上述分析可知，配套?3.5 mm鎧裝電纜時，儀器串配重≥41.3 kg時可滿足35 MPa高壓水井的儀器柔性下入需求。因此，儀器串優化為儀器(15 kg)+兩級加重桿(2 m×16 kg/m )，總長為4.4 m，即：儀器串自身質量達到47 kg，總長小于加長防噴管長度4.5 m，技術裝備配套如表3。

表3 高壓水井測調裝備的優化參數

2.4 主要技術參數

該技術主要在地面進行操作，通過地面液壓缸加壓、泄壓，即可完成傾斜加長防噴管豎立在井口位置，其主要技術參數如表4。

表4 儀器多重柔性下入技術參數

3 現場應用

現場已應用425口井，儀器安全下入，成功率95%以上。最高井口注水壓力達31 MPa。從儀器連接到下入至井口，地面操作時間20 min左右，避免了停注、泄壓，平均占井周期減少近7 d。與常規人工舉升、動用吊車等相比，顯著提高了高壓水井測試工作效率，降低了工人勞動強度和工程費用，對降低現場操作危險性、防止作業區域環境污染和減少泄壓造成的地層能量損失具有重要作用。其中，在B20-12井，井深3 921 m，關井時油壓29.8 MPa。該井采油樹為350型采油樹，井口離地高度2.3 m，儀器串配套連接2 m加重桿，使用3.5 mm電纜下井。應用該技術，儀器一次成功下入井筒。部分井的注水壓力如表5所示。現場施工情況如圖14所示。

表5 部分井現場測調時的井口油壓

圖14 儀器多重柔性下入技術現場實際應用情況

4 結論

1) 針對高壓水井中儀器下入頻繁遇阻難題，筆者研究提出一種儀器多重柔性下入技術。計算得到滿足不同注水壓力時的下入儀器串配重。通過對可傾斜液壓舉升加長防噴管裝置優化配套，防噴管有效舉升長度由常規的2.5 m提升至4.5 m，采用?3.5 mm柔性電纜，儀器下入適應井口注水壓力理論上達到35 MPa。

2) 利用有限元方法對可傾斜液壓舉升加長防噴管裝置進行了模擬分析，得到不同起升角度時結構Von mises應力分布云圖，整個起升過程中A點和C點應力值較大，最大Von mises應力約168 MPa，滿足工程要求。同時也得到舉升驅動力與防噴管起升角度的影響變化規律，最大舉升驅動力(絕對值)產生在加長放噴管處于水平位置處，約為9 584.8 N。

3) 現場應用425口高壓水井，成功率95%以上，最高井口注水壓力達31 MPa。平均占井周期減少近7 d。具有操作簡便、安全可靠等特點。避免了停注、泄壓，可以提高測試數據精度、防止環境污染和減少地層能量損失、降低施工費用。