海上油田大排量高保粘注聚工作筒研制與評價

陳 征，寇 磊，張 樂，王 勝，黃澤超

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

目前，國內(nèi)外還未開展過纜控智能系統(tǒng)分層注聚測調(diào)技術(shù)相關(guān)礦場試驗(yàn)，但是在渤海油田電纜纜控智能系統(tǒng)分層注水技術(shù)已趨于成熟。該系統(tǒng)主要由井下電動測調(diào)工作筒、過電纜定位密封、過電纜插入密封、鋼管電纜、地面測調(diào)控制器及配套監(jiān)控機(jī)和監(jiān)控軟件組成，在地面測調(diào)控制器的控制下，可實(shí)時監(jiān)測分層注水溫度、壓力、注入量，快速調(diào)整各注入層水嘴開度，達(dá)到分層驗(yàn)封與分層吸水指數(shù)測試的目的，大大減少了注水井常規(guī)測調(diào)成本，同時實(shí)現(xiàn)注水?dāng)?shù)據(jù)的長期動態(tài)監(jiān)測[1,2]。鑒于此，通過優(yōu)化纜控智能配水器結(jié)構(gòu)，研制了海上油田大排量高保粘智能注聚工作筒，提高測調(diào)效率和地層配注精度，降低作業(yè)成本，為提高海上油田化學(xué)驅(qū)提高采收率提供技術(shù)支撐。

1 海上油田分層注聚工藝技術(shù)現(xiàn)狀

海上油田注聚開發(fā)應(yīng)用的分層注聚工藝包括地面多管、空心集成、一投三分、單管注聚等分注工藝，一定程度上滿足了生產(chǎn)需求，但仍存在以下問題：①地面多管分注工藝管柱復(fù)雜，分注層段數(shù)受限，節(jié)流處易積垢、結(jié)垢，腐蝕；②空心集成、一投三分分注工藝采用水嘴節(jié)流控制流量，聚合物溶液通過配注器時粘度損失大，達(dá)到40%～70%，同時其測調(diào)時需要鋼絲作業(yè)配合，測調(diào)效率低；③單管注聚分注工藝保粘效果好，但測調(diào)時仍需電纜作業(yè)配合，占用平臺作業(yè)窗口，且適用井斜小于60°[3,4]。因此，有必要研發(fā)纜控智能分層注聚的配套工具，實(shí)現(xiàn)可實(shí)時、直觀、精確監(jiān)測井下參數(shù)變化，提高測控效率和地層配注效率，為海上油田化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)發(fā)展提供了新思路。

2 纜控智能測調(diào)工作筒研究

2.1 纜控智能測調(diào)工作筒設(shè)計(jì)

2.1.1 智能測調(diào)工作筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能測調(diào)工作筒是注聚井分層測調(diào)技術(shù)中關(guān)鍵的配套工具，主要由上接頭、流量測試模塊、電路系統(tǒng)、電機(jī)、減速器、摩阻管及下接頭等組成，根據(jù)地面控制器設(shè)置的層段注聚量調(diào)節(jié)智能測調(diào)工作筒摩阻管開度，達(dá)到符合層段注入量，同時將注聚量等數(shù)據(jù)上傳到地面，如圖1 所示。

圖1 注聚智能測調(diào)工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the polymer injection intelligent testing and adjustment work cylinder

2.1.2 智能測調(diào)工作筒技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

智能測調(diào)工作筒技術(shù)參數(shù)：工具采用偏心設(shè)計(jì)外徑114mm，內(nèi)徑44mm，工作筒開度≥50%條件下，保粘率≥85%，流量單層最大排量≥500m3/d，測試誤差≤5%。

2.1.3 智能測調(diào)工作筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）全部電控組件均采用二次密封，包括電源電路板、限流電路板、主控電路板（包含電機(jī)控制）、溫壓監(jiān)測板、電磁流量計(jì)電路板，儀器內(nèi)部進(jìn)液不會影響儀器的使用。

2）電纜接頭部分采用異形凹槽+異形膠墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保電纜固定，防止電纜脫出，減少電纜在接箍處被擠壓的風(fēng)險。

3）流量計(jì)探頭采用多重密封，提高可靠性。電機(jī)絲杠與摩阻管連接處增加扶正裝置，防止拉偏。

表1 井下流量計(jì)對比分析表Table 1 Comparison and analysis table of underground flowmeters

2.2 摩阻管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

摩阻管為測調(diào)工作筒的唯一可動部件，由內(nèi)外兩個摩阻管組成，最大限度地減小聚合物流經(jīng)摩阻管時造成的剪切降解，保證了聚合物分子鏈及其粘度，出口采用氧化鋯陶瓷材料，耐沖蝕，如圖2 所示。

圖2 摩阻管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of friction tube structure

2.2.2 保粘原理

當(dāng)聚合物流經(jīng)注聚智能測調(diào)工作筒內(nèi)管時，聚合物經(jīng)過內(nèi)管出口進(jìn)入摩阻管通道，同時由于環(huán)形通道連續(xù)擴(kuò)縮管環(huán)空面積較大，單位聚合物的流速低，剪切速率低，因而對聚合物溶液剪切降解率低，使得聚合物粘度得到有效保留。聚合物溶液流經(jīng)環(huán)形連續(xù)擴(kuò)縮環(huán)空后，從智能測調(diào)工作筒的出口流入當(dāng)前層位。

2.2.3 工作原理

摩阻管打開：電機(jī)帶動減速器逆時針旋轉(zhuǎn)，摩阻管的內(nèi)管隨著減速器的轉(zhuǎn)動向上運(yùn)動，與外摩阻管齒牙形成相對運(yùn)動，內(nèi)摩阻管與外摩阻管套間隙增大，聚合物劑流體阻尼降低，即調(diào)大注聚流量。

摩阻管關(guān)閉：電機(jī)帶動減速器順時針旋轉(zhuǎn)，摩阻管的內(nèi)管隨著減速器的轉(zhuǎn)動向下運(yùn)動，與外摩阻管齒牙形成相對運(yùn)動，內(nèi)摩阻管與外摩阻管套間隙減小，聚合物劑流體阻尼增加，即調(diào)小注聚流量。

2.3 流量測試模塊設(shè)計(jì)

研究的分層流量測試模塊與控制需要與總體結(jié)構(gòu)相匹配，考慮到井下工作環(huán)境惡劣，且發(fā)生故障后不易維修等問題。設(shè)計(jì)的永置式測調(diào)系統(tǒng)其總體方案包括井下流量測調(diào)裝置的設(shè)計(jì)、電纜供電與載波通信、地面控制器、多層流量快速調(diào)配算法研究等4 個方面。

2.3.1 流量計(jì)的選擇

通過對目前井下常用的流量計(jì)對比分析，優(yōu)選電磁流量計(jì)作為智能測調(diào)工作筒的流量測試模塊[5,6]。

2.3.2 電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

1）在進(jìn)行測量時，測量管非常通暢，對流體無阻礙，不會損失壓力。

2）磁場空間是感應(yīng)電壓信號生成的基本前提，在安裝傳感器時，對直管長度無特別要求。

3）在同被測流體接觸方面，有電極、內(nèi)襯，確保耐磨、耐腐蝕[7]。

3 室內(nèi)評價試驗(yàn)

聚合物經(jīng)過注聚測調(diào)工作筒、測調(diào)控制工具會產(chǎn)生剪切而粘度值降低，本次試驗(yàn)主要驗(yàn)證海上使用注聚井測調(diào)工作筒在聚合物溶液經(jīng)過后的保粘率情況。試驗(yàn)采用注聚泵，在不同流量、壓力的情況下取工具前、后的聚合物溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在不同流量和壓力情況下對工具前、后聚合物溶液粘度的變化進(jìn)行分析，同時對工作筒內(nèi)的電磁流量計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，為海上聚合物驅(qū)油測調(diào)工作筒的優(yōu)化提供參考。

3.1 試驗(yàn)工藝流程

試驗(yàn)流程主要由上水系統(tǒng)、配液撬裝設(shè)備、熟化罐、注聚泵、注聚測調(diào)工作筒、地面控制器及廢液回收罐組成。

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)聚合物采用普通聚丙烯酰胺，目標(biāo)液配制濃度1200mg/L，環(huán)境溫度為30℃，溶解熟化時間45min，測得聚合物母液粘度在40 mPa.s ～50 mPa.s。工具前取樣：從工具進(jìn)液端取樣口取樣；工具后取樣：經(jīng)過井下分注工具后，從取樣口取樣。

用30 方柱塞泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別在流量為10m3/h、15m3/h、20m3/h、25m3/h 取樣實(shí)驗(yàn)并記錄摩阻管前后壓力、粘度值數(shù)據(jù)。

1）地面控制器控制摩阻管全開，起泵，排量穩(wěn)定在10m3/h，記錄水嘴前后壓力及流量并取樣，水嘴前后各取樣3 組。

圖3 注聚保粘試驗(yàn)工藝流程Fig.3 Process flow of polymer injection and adhesive retention test

圖4 摩阻管在不同流量、開度下的保粘率Fig. 4 Viscosity retention rate of friction tube under Different flow rates and openings

2）執(zhí)行摩阻管關(guān)閉指令，摩阻管開度設(shè)置為80%，再次記錄水嘴前后壓力及流量并取樣，水嘴前后各取樣3 組。

3）繼續(xù)執(zhí)行摩阻管關(guān)閉指令，摩阻管開度設(shè)置為50%，再次記錄水嘴前后壓力及流量并取樣，水嘴前后各取樣3 組。

4）重復(fù)2）、3）操作方法，使摩阻管開度分別設(shè)置為45%、42%、40%、37%、35%、32%及30%，記錄摩阻管前后壓力及流量并取樣，摩阻管前后各取樣3 組，待摩阻管即將關(guān)閉時，泵壓若超過15MPa，則立即停泵。

5）采用1）、4）的步驟，分別完成排量在15m3/h、20m3/h、25m3/h 的試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

1）纜控智能注聚工作筒試驗(yàn)結(jié)果表明：

圖5 電磁流量計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)Fig.5 Calibration test of electromagnetic flow meter

① 注入量在10m3/h（240m3/d）時，測調(diào)工作筒水嘴開度從30%至全開，開度≥37%，粘率均在85%以上。其中，開度為37%時，保粘率為88.3%。

② 注入量在15m3/h（360m3/d）時，測調(diào)工作筒水嘴開度從32%至全開，開度≥37%，粘率均在85%以上。其中，開度為37%時，保粘率為86.1%。

③ 注入量在20m3/h（480m3/d）時，測調(diào)工作筒水嘴開度從35%至全開，開度≥42%，粘率均在85%以上。其中，開度為42%時，保粘率為85.2%。

④ 注入量在25m3/h（600m3/d）時，測調(diào)工作筒水嘴開度從37%至全開，開度≥45%，粘率均在85%以上。其中，開度為45%時，保粘率為89.8%。

纜控智能注聚在不同排量下：開度為50%以上，粘率均在85%以上，符合設(shè)計(jì)要求。

2）纜控智能注聚工作筒內(nèi)電磁流量計(jì)校驗(yàn)結(jié)果表明：

電磁流量計(jì)在聚合物溶液中標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果：不同流量下測試結(jié)果線性度較好，最大誤差為4.79%，最小為1.56%，平均誤差為2.97%。

4 結(jié)論

1）創(chuàng)新研制的纜控智能測調(diào)工作筒在整個試驗(yàn)過程中測調(diào)控制工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)注聚井流量的實(shí)時監(jiān)測及控制。

2）性能評價實(shí)驗(yàn)表明，纜控智能注聚在不同排量下：開度為50%以上，粘率均在85%以上，滿足海上油田大排量注聚井的需求。

3）電磁流量計(jì)在聚合物溶液標(biāo)定測試中，測試結(jié)果線性度較好，在≤600m3/d 條件下，誤差可控制在5%以內(nèi)。

4）纜控智能測調(diào)工作筒成果研制為海上油田化學(xué)驅(qū)提高采收率提供強(qiáng)有力技術(shù)支持，具有較高的應(yīng)用推廣價值。