小尺寸高溫電纜測調系統研究

陳 征，劉長龍，張 樂，徐元德，王 威，蔣少玖，張志熊

（中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459）

0 引言

分層注水是保證油田長期穩產和高產的主要手段[1-3]。常規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，這些工藝在測調、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[4-9]。小尺寸高溫電纜測調系統針對以上問題，在井下集成配水器，采用機電一體化設計，集分層驗封、分層吸水量測試、分層水嘴無極調控功能于一體，在地面測調控制器的控制下，可實時監測分層注水狀態，快速調整分層水嘴開度，達到分層驗封與分層吸水指數測試的目的[10,11]，與現有技術相比具有無需鋼絲電纜與井口作業，操作方便，測試效率高等特點[12]。同時，針對目前井下高溫環境工作需求，選用耐溫≥150℃的高溫關鍵部件、高溫密封工藝、耐高溫電子元器件，全面提升電纜測調工作筒的高溫工作性能和可靠性，使整套工藝可應用于深井、高溫高壓井分層注水，有效解決長期高溫高壓工作問題。

圖1 小尺寸高溫電纜測調系統Fig.1 Small size high temperature cable measurement and adjustment system

1 小尺寸高溫電纜測調系統

小尺寸高溫電纜測調系統包含：小尺寸高溫電纜測調工作筒、地面控制器、上位機軟件（遠程終端）、鋼管電纜、過電纜插入密封、過電纜定位密封[13]，系統如圖1。

每層安裝高溫電纜測調工作筒，層間用封隔器隔開，地面與井下高溫電纜測調工作筒之間，各層工作桶之間通過一根鋼管電纜連接，進行供電與數據通信。

地面控制器連接PC 監控軟件或遠程控制終端，實時監測高溫電纜測調工作筒采集的分層注入流量、壓力、溫度、水嘴開度等數據，并根據預設流量控制各層高溫電纜測調工作筒的水嘴開度，即可實現不進行鋼絲電纜作業，不動井口采油樹的井下分層驗封、分層吸水測試與分注量的調配。

高溫電纜測調工作筒采用小尺寸設計，適用于防砂段最小內通徑大于3.25 in 的直井、定向井和水平井。為配合測調工作筒在海上長期高溫高壓工作需要，對電纜測調工作筒進行了高溫化設計，選用耐溫≥150 ℃的高溫關鍵部件、高溫密封工藝、耐高溫電子元器件，全面提升電纜智能測調工作筒的高溫工作性能和可靠性，使升級后的整套工藝可應用于深井、高溫高壓井分層注水，有效解決長期高溫高壓工作問題。

圖2 地面控制器電氣框圖Fig.2 Electrical block diagram of ground controller

2 地面控制系統

地面控制器通過電纜連接井下高溫電纜測調工作筒，為高溫電纜測調工作筒提供可靠電源，可對井下單層注水量、注水壓力、溫度、工作電壓、電機工作電流、閥開度等生產參數進行連續監測，實現數據直讀、實時控制、監測及存儲等功能。

地面控制器通過有線或無線網絡，將井口數據傳輸到數據處理器，數據處理器對采集的數據進行實時顯示，并對井下儀的水嘴進行控制，實現打開、關閉、精細配注等功能。

地面控制器由以下部件組成：控制主機外殼、主測控電路板、電力載波數據通信組件、數據顯示組件等。

地面控制器電路模塊電氣框圖如圖2，包含外部電源、電源模塊、數據顯示模塊、電源開關控制模塊、過壓過流保護電路、存儲模塊、時鐘模塊、電力載波通信、通用接口等。

其中電源開關控制模塊，通過控制繼電器實現井下儀的供電與斷電，同時具備過流、過壓、短路等保護電路。電力載波通信組件包含發碼電路、解碼電路，實現與井下儀器的雙向通信。存儲模塊可以對連續采樣數據及地面發送的指令進行存儲。通用接口包含RS485、RJ45 等接口，實現地面控制器與其他設備連接與通信，或通過網線、無線方式與計算機、遠程中心進行數據通信與命令控制。

3 高溫電纜測調工作筒結構設計

3.1 儀器結構和工作原理

高溫電纜測調工作筒整個儀器采用機電一體化結構設計，集成數據測試與流量調節于一體。儀器包含上下接頭、過流通道、一體化可調水嘴組件（包括水嘴、傳動機構和電機等）、主控電路短節、信息采集短節（管內壓力、管外壓力、溫度、流量）和流量計短節等幾個部分組成，流量計集成于下接頭體內[14]。

儀器注入液體路徑如下：注入液體從上接頭流入，經過偏心過流通道進入下接頭。液體在下接頭中分為兩部分，其中一部分液體從下接頭流出儀器，進入下一注水層；另一部分液體經過流量計后，從水嘴流出儀器，進入地層。

儀器上下接頭實現注水工藝管柱的連接，同時集成了過線和安裝其他組件的功能；水嘴組件中集成了電機、傳動機構和無極可調水嘴；驗封組件集成了控制電路板、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器。

儀器采用孔板式流量計進行流量測量，無運動部件，穩定性好，抗污能力強；水嘴組件采用平衡壓結構，避免井下高壓對水嘴調節的影響；水嘴結構采用直通式設計，降低壓損的同時，能有效防止流道堵塞的情況發生。各部分相對獨立，由信號和控制線連接進行供電和通信。

3.2 儀器特點

1）適用3.25 in 小直徑井

本儀器采用小尺寸設計，最大外徑80 mm，適用于防砂段最小內通徑大于3.25 in 的直井、定向井和水平井，采用快速插入式電纜連接。

2）作業方式簡單高效

高溫電纜測調工作筒電纜連接采用快速插入式連接方式，現場施工簡單高效。

3）具備內部所有部件的二次密封機構設計，實現內部電路、電機等所有部件的密封性能達到耐壓≥50 MPa，且在此滲漏壓力下內部各部件均可實現正常工作。

4）高溫電纜測調工作筒可以實時測量注入流量、油管內壓力、配注層段壓力（嘴后壓力）、地層溫度、水嘴閥開度，把測試的數據實時傳輸地面控制柜，并能夠識別地面控制柜發送的命令，以及按配注要求進行水嘴開度調節，完成配注流量調整。

5）高溫電纜測調工作筒通過環空外壓力的實時監測，實現了封隔器的在線驗封。

6）高溫電纜測調工作筒的可調水嘴，采用平衡壓結構設計，工作力矩更小。電動執行機構水嘴（注水閥）采用陶瓷材料，能有效應對沖蝕和結垢影響，實現0%～100%的線性調節，并能實現水嘴完全關死（零漏失量）。

7）電路設計中，具有電壓過壓、電流過流保護功能，防止誤操作、電壓沖擊導致井下儀電路、電機損壞，所有芯片溫度等級均≥150℃，滿足井下長期高溫工作需求。

8）高溫電纜測調工作筒單井支持最大7 層數據連接，采用總線尋找方式，并確保無相互信號干擾問題。

4 流量計選型

4.1 流量測量方式的選擇

常規井下流量計多采用電磁流量計、超聲流量計、渦街流量計、浮子流量計、差壓流量計等主流的流量測量方式。

電磁流量計和超聲流量計的量程比大，壓力損失小，測量精度高，但具有探頭易結垢、沾污、電路復雜，高溫高壓下長期可靠性差等缺點。

渦街流量計安裝簡單，量程比大，但對管道機械振動較敏感，且不適用于小口徑，低流速情況。

浮子流量計的量程比高，但具有運動部件，電路較復雜，長期工作不穩定，容易卡死。

差壓流量計具有體積小，結構簡單，無運動部件，耐腐蝕銹蝕，電路簡單等特點，可以在注水應用中滿足進行長期使用的要求，所以本儀器的流量測量方式選擇差壓式流量計。

差壓式流量計由流體管道、節流孔板、孔前壓和孔后壓取壓孔、孔前壓和孔后壓傳感器組成[15]。

4.2 差壓流量計工作原理

儀器的注入液體經過流體管道進入儀器下接頭，其中一部分經過孔板和孔板后面的穩流通道后，流出水嘴注入目標地層。在流體管道和節流孔板的后面，分別設計有孔前壓和孔后壓傳感器組件，電路通過兩個壓力傳感器采集到孔前壓力和孔后壓力，經過流量算法即可計算出當前注入目標地層的實時流量。

更換不同尺寸的標準節流孔板，可實現不同流量的測量。

孔板式流量計的工作原理屬于差壓流量計的一種方式，在流體管道上兩段具有等直徑的圓形橫截面的直管段之間裝有一個節流裝置，其內部裝有一個孔板，流體流過孔板時由于孔徑變小，截面積收縮，速度加快，在孔板前后產生壓力降落即差壓。通過測量孔板前后的壓差，而計算取得流量數據的方法。差壓流量計結構如圖3，其流量計算公式為

其中， ΔP：孔口前后差壓（Pa）；A：孔口面積（m2）；ρ：流體的密度（kg/m3）；Cd：流量系數；qv：流量（m3/s）。

5 自動在線驗封

該小尺寸高溫電纜測調系統具有自動在線驗封的功能，能夠根據需要隨時進行驗封，無需增加任何生產成本。

使用上位機軟件通過地面控制器分別向高溫電纜測調工作筒發送測調指令，控制水嘴開關，保持井口注水壓力不變，在上位機軟件上監測儀器采集的油套環空外壓力。水嘴全關時，當前注水層環空外壓力保持不變；水嘴全開時，當前注水層環空外壓力會隨井口注水壓力的不同而變化。在井口注水壓力保持不變時，相鄰兩層環空外壓力不同，差值保持不變。以此來判斷層間密封合格，否則密封不合格[12]。

圖3 流量計原理圖Fig.3 Schematic diagram of the flowmeter

6 流量自動測調

自動測調功能是由地面控制系統自動控制高溫電纜測調工作筒進行水嘴開度調節，從而實現流量自動調節功能。

地面控制器根據預設的自動測調時間，逐層監測流量數據，與各層目標流量調節值進行比對，配注精度在10%以內，認為流量數據正常。否則進行當前層流量自動調節，單層調節時間不超過5 min。逐層進行調節，每次系統自動調節功能最多進行3 次循環。如存在個別層流量不滿足要求，發出報警提示，需人工干預或采取其他措施。

自動測調流程圖如圖4。

7 結論

1）高溫電纜測調工作筒采用小尺寸設計，適用于防砂段最小內通徑大于3.25 in 的直井、定向井和水平井。

2）為配合測調工作筒在海上長期高溫高壓工作需要，對電纜測調工作筒進行了高溫化設計，滿足井下長期高溫工作需求。

3）高溫電纜測調工作筒通過環空外壓力的實時監測，實現了封隔器的在線驗封。

圖4 自動測調Fig.4 Automatic test and adjustment

4）高溫電纜測調工作筒可以實時測量注入流量、油管內壓力、配注層段壓力（嘴后壓力）、地層溫度、水嘴閥開度，把測試的數據實時傳輸地面控制柜，并能夠識別地面控制柜發送的命令，以及按配注要求進行水嘴開度調節，完成配注流量調整。