同心智能分層配水工藝在海上油田的技術(shù)應(yīng)用

陳建竹

（中國海洋石油渤海有限公司天津濱海高新區(qū)服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

國內(nèi)海上油田注水井基本上在采用機(jī)械式注水方式，需要通過鋼絲作業(yè)對配水器反復(fù)投撈，進(jìn)行流量測試及水嘴調(diào)節(jié)，工作量大，作業(yè)周期長。智能分層配水工藝改變了目前油田增注配水模式，可以通過下井電纜在地面直讀井下分層流量，同時進(jìn)行水嘴調(diào)整。

對于國內(nèi)此項技術(shù)，偏心配水工藝在陸地油田應(yīng)用較為成熟， 考慮海上斜井居多，偏心投撈成功率很低，開發(fā)一套適合海上油田井筒條件的同心智能配水工藝，將國內(nèi)領(lǐng)先的分層注水技術(shù)優(yōu)化并應(yīng)用到海上，來滿足海上油田“注好水，注夠水”的作業(yè)需求。

1 同心智能分層配水技術(shù)總體結(jié)構(gòu)

同心智能分層配水技術(shù)總體結(jié)構(gòu)包括井下分層注水測調(diào)儀器及其同心測調(diào)工作筒和地面控制器、三個組成部分，其中井下分層注水測調(diào)儀器是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，具有流量、壓力、溫度測量功能和對可調(diào)水嘴的調(diào)節(jié)功能；地面控制器對井下分層注水測調(diào)儀器進(jìn)行控制，形成了同心測調(diào)一體化系統(tǒng)。

2 分層注水測調(diào)儀器及其同心測調(diào)工作筒的開發(fā)

在陸地油田的偏心配注工藝中，井下測調(diào)儀器多使用雙電機(jī)控制，即一個電機(jī)用于調(diào)節(jié)臂的控制，另一個電機(jī)用于井下水嘴的注水量調(diào)控,通過該電機(jī)的正/反控制可實現(xiàn)注水流量的增大/減小[1]。

針對海上油田的同心配水的注水工藝、井況、操作方法和使用環(huán)境設(shè)計的同心智能配水測調(diào)系統(tǒng)，在儀器結(jié)構(gòu)和控制方法上，有針對性的進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 同心智能配水測調(diào)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)的同心測調(diào)儀采用單電機(jī)結(jié)構(gòu)，即用一個電機(jī)同時控制支撐臂的開收和調(diào)節(jié)頭的正負(fù)調(diào)節(jié)。所以對與工作筒的長壽命設(shè)計，主要考慮三方面因素：

（1）調(diào)節(jié)水嘴采用陶瓷結(jié)構(gòu)，耐沖蝕，而且表面特性由于硬質(zhì)合金；

（2）結(jié)構(gòu)上考慮壓力平衡，高壓下不會因為面積差產(chǎn)生阻力；

（3）材質(zhì)上選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼保證可活動部分不生銹；

根據(jù)以上的思路，結(jié)合海上分層注水防砂后通徑為4.75″、4″、3.88″的實際情況，設(shè)計了Φ97和Φ114兩種規(guī)格測調(diào)工作筒，其中Φ97測調(diào)工作筒適用于4″、3.88″防砂內(nèi)通徑，Φ114測調(diào)工作筒適用于4.75″防砂管柱內(nèi)通徑。

圖1 同心智能配水測調(diào)儀結(jié)構(gòu)圖

圖2 為同心智能配水測調(diào)儀結(jié)構(gòu)示意圖， “①”為流量信號處理電路部分；“②”為流量測量部分；“③”為電機(jī)和電機(jī)控制部分；“④”為儀器支撐臂和限位部分；“⑤”為調(diào)節(jié)頭（帶伸縮塊）部分。

流量測量部分為較為成熟的超聲流量測量技術(shù)；為保證測調(diào)儀與工作筒的結(jié)合率，需保證支撐臂張開的可靠性以及限位塊的強(qiáng)度；井下測調(diào)儀調(diào)節(jié)頭上的伸縮塊與同心工作筒里的可轉(zhuǎn)水嘴密切配合的同時，要滿足一定的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，當(dāng)電機(jī)正傳或反轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)頭同步正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而帶動工作筒里可轉(zhuǎn)水嘴部分的正傳或反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時可調(diào)水嘴的內(nèi)心陶瓷向上移動，水嘴開度增大，對應(yīng)配水增大，反轉(zhuǎn)同理。

2.2 電氣設(shè)計

同心智能配水測調(diào)井下儀電氣部分由超聲流量部分和調(diào)節(jié)器部分兩個模塊組成。超聲流量部分與同心智能配水測調(diào)儀的調(diào)節(jié)器配合使用，用于實時測量流量，檢驗水嘴配水量的大小。該儀器采用單芯電纜供電，使用ST編碼格式，與地面控制系統(tǒng)采用單向通信模式，可同時測量流量、壓力、溫度三種參數(shù)。

3 地面測調(diào)控制器技術(shù)研究

針對使用環(huán)境為海上采油平臺，地面測調(diào)控制器要求達(dá)到海洋作業(yè)用電防爆及防腐要求，且電氣設(shè)計具備以下功能[2]：

（1）控制器能給測調(diào)儀供電，實時顯示電流電壓狀態(tài)。

（2）控制器能與測調(diào)儀通信，顯示解碼狀態(tài)。

（3）控制器能對測調(diào)儀進(jìn)行控制，操作解碼為觸摸式控制。

（4）控制器能對測調(diào)儀上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析、處理、保存等。

（5）控制軟件圖形界面，操作簡單，能夠輸出圖形曲線。

同心智能配水測調(diào)系統(tǒng)地面控制器由工控機(jī)、LCD顯示器、觸摸屏、控制模塊、編解碼模塊及程控直流電源、電源電流顯示等模塊組成，控制軟件是基于Windiws圖形化控制軟件。地面設(shè)備將220V供電電壓引入控制器，并將地面控制信號傳輸?shù)骄聹y調(diào)儀器中，信號傳輸電纜使用專業(yè)測井Φ5.6mm鎧裝電纜[3]。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

渤海油田某井分4段防砂，防砂段最小內(nèi)徑4.75”，原井注水管柱為空心集成式，需對管柱更換為同心智能分層配水管柱。在提出原井管柱后，進(jìn)行同心智能分層配水管柱，其主體結(jié)構(gòu)為定位密封總成以下4個Φ114測調(diào)一體化工作筒與2-7/8”油管相連，每個工作共通過插入密封隔離且正對注水層位，定位密封總成以上為3-1/2”油管，循環(huán)滑套關(guān)閉式下入。

4.1 配注管柱下井要求

丈量下井工具，根據(jù)頂部封隔器以及第一、第二、第三封隔器深度位置，配接下井管柱，使4.75″定位密封總成定位于頂部隔器， 4.75″插入密封分別位于第一、二、三隔離封隔器密封筒中部；環(huán)空試壓10 MPa, 觀察井口套管壓力, 10分鐘壓力不降為合格。座油管掛并接測試三通和試注管線。

4.2 鋼絲作業(yè)層間驗封

鋼絲驗封入井工具串組合為：驗封專用工具＋機(jī)械震擊器＋萬向節(jié)＋加重桿＋鋼絲繩帽。鋼絲工具串下過末端工作筒后上提，使定位爪張開，依次定位坐落在每一級的測調(diào)工作筒上，通過泥漿泵向該井每層依次試注，每個注水層泥漿泵打壓兩個壓力臺階，進(jìn)行層間驗封[4]。

4.3 電纜測調(diào)分層配注

同心智能配水測調(diào)儀與電纜絞車配接，電纜送入下井，工具串組合為：測調(diào)儀＋扶正器＋萬向節(jié)＋加重桿＋電纜馬籠頭；電纜帶測調(diào)儀下過4#工作筒，在第4#、3#、2#、1#測調(diào)工作筒位置，自下而上分別測試第四、三、二、一層吸水指數(shù)，擬合計算各層達(dá)到配注要求各層注水壓力；測試儀器在4#工作筒以上位置打開支撐臂，座入4#工作筒中，通過地面控制器，在擬合注水壓力條件下，調(diào)節(jié)工作筒水嘴大小；分別上提測試儀器通過3#、2#、1#工作筒，下放測調(diào)儀器，定位在各層測調(diào)工作筒上，通過地面控制器，調(diào)節(jié)工作筒水嘴大小，在擬合注水壓力條件下，滿足各層配注要求。回收儀器，恢復(fù)注水12小時后，同心測調(diào)儀在地質(zhì)配注單井注水量及擬合壓力下自下而上分別測試第四、三、二、一吸水量，驗證調(diào)配結(jié)果[5]。

5 結(jié)語

在設(shè)計過程中，針對測調(diào)儀支撐臂和調(diào)節(jié)頭強(qiáng)度實驗及電機(jī)扭矩力和傳動軸強(qiáng)度等這幾個重點問題做了大量的分析計算和驗證試驗，確定了各個部分的機(jī)械參數(shù)和零件材料，在技術(shù)上有了重點突破；經(jīng)過大量理論計算、電源及信號通訊研究，模擬井實驗及分析改進(jìn)，TPC-200同心智能配水測調(diào)系統(tǒng)的研制已經(jīng)取得階段性成果，穩(wěn)定性和可靠性等方面得到認(rèn)證，已在海上油田大規(guī)模推廣；同心智能分層配水工藝，在從機(jī)械式注水方式到有纜及無纜測調(diào)注水方式技術(shù)過度中起著承上啟下的作用。