抗干擾液壓換層分采技術及其狀態控制規律*

賀亞維，宋顯民，楊 迪，王 芳

(1.延安大學石油工程與環境工程學院，陜西延安716000;2.中國石油冀東油田，河北唐山063004)

0 引言

采油井在多層同時射開合采時，往往存在高壓層抑制低壓層生產、高含水層抑制低含水油層生產等層間相互干擾現象，層間干擾程度是由壓力、深度、縱向分布狀況等層間差異決定的，若層間差異大則層間干擾嚴重，不易控制;若層間差異小則層間干擾程度較輕，易于控制［1-5］。

層間異差較小主要表現為層間壓力差異小、深度差異小、分布方式也較簡單(如高壓水層-低壓油層-高壓水層)等，目前不動管柱液壓換層分采等措施能夠很好地解決層間差異小所造成的層間干擾問題［6-8］。

層間差異大表現為:一是各層間壓力差異大，有的達到15 MPa以上;二是各層之間深度差異大，有的達到1 000 m以上;三是低壓油層和高壓水層縱向上交錯分布，如一些井由上到下呈現出:低壓油層-高壓水層-低壓油層-高壓水層-低壓油層等，這種情況目前在一些油田廣泛存在［9-13］。

針對這一狀況，最優分層采油理念是:一是抗干擾液壓換層操作理念，即分層采油管柱的各控制器的井口控制壓力不受層間的壓力差異和深度差異影響，在地面上可驗證開關器換向動作是否到位，多次打壓的地面操作連續高效，提高換向操作的準確性和可靠性;二是各段組合開采理念，即能夠將縱向上交錯分布的低壓油層挑出來組合起來進行開采，并全部關閉高壓水層，則可充分發揮油井潛力，避免單層單段的低效生產。但目前分采管柱不符合最優分層采油理念，主要表現為:各開關器的換向動作及井口控制壓力與層間的壓力差異和深度差異有關，當某段地層壓力高時或地層深度大時則井口需要的控制壓力高，否則所需的控制壓力低，當井口打壓后卸壓時，各開關器又不能同步恢復或同步換向;在地面上無法確認或驗證各開關器是否動作或動作到位，只是假定每一次打壓都是有效的，一次打壓后動作不到位將導致后期所有開關狀態發生混亂;各層開啟狀態較單一，一般只能各段逐層開啟或全開全閉，不能充分發揮油井的產能。每次打壓后換向，有的開關器停壓即可恢復，而有的開關器還需抽空液面操作，花費時間和操作費用較多。為此研究新型抗干擾分層采油工藝［14-18］。

1 抗干擾液壓換層分采技術原理

1.1 管柱結構

通用分層采油管柱結構為(以3段為例):絲堵+下段控制器+封隔器+中段控制器+封隔器+上段控制器+封隔器+丟手工具。分采管柱通過封隔器將地層分成若干段，每一段設置一個控制器，并在地面打壓驅動控制器進行開關動作，各種開關狀態由總打壓次數決定，從而實現對所在層段生產控制。

1.2 分采控制器結構

分采控制器結構如圖1所示，由上接頭①、上外套②、擋桿③、滑環④、滑環彈簧⑤、上滑套⑥、防砂網⑦、單向閥⑧、單向閥彈簧⑨、下滑套⑩、剪釘?、限位滑套?、定位銷釘?、支撐活塞?、復位彈簧?、下外套?、彈簧力調節套?、擋環?、下接頭?構成。其中下外套?底端帶有半圓形槽?。具體分為4部分:一是固定部分，由上接頭①、上外套②、防砂網⑦、定位銷釘?、下外套?、彈簧力調節套?、擋環?、下接頭?構成;二是滑移機構，包括示位滑移部分(位于上滑套上端面內的環形槽內，由滑環④、滑環彈簧⑤構成)和總滑移部分(由上滑套、單向閥⑧、單向閥彈簧⑨、下滑套⑩、限位滑套?、支撐活塞?構成)，三是總滑移復位機構，由復位彈簧?、彈簧力調節套?構成;四是單向進液機構，在滑移機構內部，安裝于下滑套⑥和下滑套⑩之間，由上滑套⑥下部的進液孔、單向閥⑧、單向閥彈簧⑨構成。

圖1 分采控制器開關狀態結構圖Fig.1 Diagram for the state structure of separate mining controller

1.3 打壓換向及狀態控制操作原理

控制器打壓換向原理:固定機構和滑移機構的相對位置由限位滑套?外側的長短槽和定位銷釘?(固定于下外套處)的相對位置來確定的，控制器原始狀態為開啟狀態。首先地面打壓驅動封隔器座封，同時液壓驅動滑移機構剪斷剪釘?并相對于定位銷釘?向下移動，定位銷釘?由限位滑套?外側一組豎槽的最下端移到達最上端;地面瀉壓后，復位彈簧?驅動滑移機構上移，定位銷釘?由限位滑套?外側該組豎槽的最上端移到鄰近下一組豎槽的最下端。當定位銷釘?處于長槽最下端時，上滑套⑥的入液孔對應于上外套②的開口處，控制器處于開啟狀態;當定位銷釘?處于短槽最下端時，上滑套⑥的入液孔對應于上外套②的開口處下部封閉本體處，控制器處于為關閉狀態。

分采井狀態控制原理:當多段分采時，各個分采控制器的限位滑套?外側長短槽的順序及組合配置決定了打壓次數與控制器開關狀態對應關系。根據不同分段數和開啟狀態組合，各個控制器限位滑套?外側的長短槽個數及配置是不同的，三段分采時的控制器徑向上存在8組豎槽，四段分采時的控制器徑向存在16組豎槽。以三段分采為例，為實現見表1所示的打壓次數與各段開關狀態關系，則設計的3個控制器的限位滑套外側長短槽配置及限位銷釘所處位置如圖2所示。

表1 三段分采情況下打壓次數與控制器開關狀態對應關系表Tab.1 Strike number and controller switch state under the selective mining of three segments

圖2 三段分采時的各控制器長短槽配置及限位銷釘位置的示意圖Fig.2 Diagram for the chute specification of the controller under three phase selective mining

1.4 各段壓力差異和深度差異的平衡原理

1.4.1 壓力平衡機構原理

開關器設置了地層壓力平衡機構，在地層壓力作用下，滑移機構的上部受經由防砂網⑦、上外套②的入液孔導入的地層壓力向下作用于臺階A2向下作用力，滑移機構的下部的支撐活塞?受經由下外套?的半圓形槽?進入彈簧腔的地層壓力的向上作用力作用于A3面，由于作用于滑移機構的向上和向下的力相等而互相抵消掉，因此開關器的地面操作壓力與地層壓力無關。

1.4.2 深度差異的平衡機構

開關器設置了深度差異消除機構:與油管壓力有關和上部打壓及液柱深度有關，通過彈力調節套機構來解決，彈力調節套?與擋環?通過螺紋連接，當下井之前，根據各段之間的深度差異，通過調節桿插入調節套?的外側孔并徑向轉動，使調節套的頂部相對于擋環向上或向下移動，從而壓縮或釋放彈簧，調節彈簧彈力，最終消除各段深度差異對各段開關器影響。

1.4.3 理論分析

假定:當液面低于或等于井口位置時，活動機構無位移;當液面在井口位置且井口打壓壓力大于0時，活動機構產生向下位移。

符號說明:Pkb為標準深度控制器井口控制壓力;Pki為第i分采段控制器井口控制壓力;Py為液柱壓力;Pdb為地層壓力;Nt為彈簧力;k為彈簧彈性系數;Hb為多個分采層中設計的標準深度，已知量;X0為彈簧自由長度，X1為彈簧初始壓縮長度，X2為彈簧地面打壓后的壓縮長度;X2i為第i分采段控制器彈簧地面打壓后的壓縮長度;Pdi為第i分采段地層壓力;ΔH為第i分采段距Hb值的差值，加深為正;ΔXi為處于第i分采段時，需用調節套調節的長度，即與X1的差值，伸長為正、縮短為負。

開關器總滑移機構的受力分析:受力面為四個端面(如圖1所示)，一是上滑套⑥的上環形端面A1，受力Pkb(或Pki)+Py，向下方向;二是上滑套⑥外側臺階面A2，受力Pdb(或Pdi)，向下方向;三是支撐活塞?下端面A3，受力Pdb(或Pdi)及Nt，向上方向;四是下滑套⑩的下端面A4，受力Pkb(或Pki)+Py，向上方向。

1 )對于預先設定的標準深度Hb下，對分采開關中活動機構進行受力分析:得如下關系式

在打壓換層操作之前，活動機構受力平衡，得

在打壓換層時，活動機構受力平衡，得

令Pkb×(A1-A4)為定值c，即Pkb×(A1-A4)=c得到

將式(1)與式(2)聯立得

c為定值，X1-X2的值可以通過控制器的彈簧力調節機構來設定。

2 )對第i段的分采段控制器活動機構進行受力分析，深度距Hb值為ΔH(加深為正)。

在打壓換層操作之前，活動機構受力平衡，得

在打壓換層時，活動機構受力平衡，得

由式(6)與式(11)聯立得

說明:當深度差異ΔH時，如果將式(10)調節套調節長度ΔX1時，則Pki值與ΔH無關，且等于標準深度控制器井口控制壓力。

將式(1)和式(4)聯立得式(7)

結論:相對標準段，當第i段的深度差異ΔH時，地層壓力有所差異時，通過調節相應控制器的彈簧力調節機構來調節長度為ΔXi時，可以確保Pki=Pkb，即各個控制器的井口調節壓力都是相同的值。

1.5 示位原理

控制器存在示位機構，在打壓操作過程中，示位機構所產生的示位信號可以反應控制器的滑移機構向下滑移且滑移到位。當地面打壓時，滑移機構向下滑動，當上滑套⑥上的泄壓孔運行到上外套②的入液孔位置時，則滑環④中心孔通過液體，其截流壓差將驅動滑環④壓縮滑環彈簧⑤并向下移動，在此過程中，控制器內液體經滑環④中心孔和上滑套⑥上泄壓孔流出，導致井口控制壓力降落;當滑環④向下運行至上滑套環形槽內的臺階處時，滑環④中心孔與上滑套⑥的泄壓孔不連通，導致井口控制壓力將再次上升。由此，當井口控制壓力產生上升-降落-再上升的信號時(如圖3所示)，說明該控制器的滑移機構向下運行到位。當停止打壓時，滑環彈簧⑤將驅動滑環④向上移動，并被擋桿③擋住。

圖3 示位信號典型示意圖Fig.3 Diagram for typical position signal

1.6 施工工藝

1 )反洗井，起出原井管柱;

2 )通井至油層底界，在卡點位置反復刮削，確保套管內壁干凈，無毛刺;

3 )油管試壓25 MPa;

4 )組配管柱;

5 )下入分采管柱，待管柱到位后，從油管蹩壓8，10，12，15，20 MPa，各壓力點穩壓 3 min，坐封封隔器;繼續增壓，直至壓力突然降低，實現丟手操作;

6 )起出丟手上部管柱;

7 )下泵生產;

8 )打壓換層操作，用泵車通過井口油套環形空間打壓換向，開井生產，判斷各段開關狀態。

1.7 技術指標

長度為1 200 mm;外徑為114 mm;地面操作壓力為15～35 MPa;最高工作壓力為60 MPa;有效調層時間為3 a;分采層數為2～4層。

2 實驗及應用情況

圖4 分采控制器室內實驗裝置簡圖Fig.4 Diagram for selective mining controller in indoor experimental setup

2.1 室內實驗評價

實驗裝置:分采控制器室內實驗裝置如圖4所示，其中①，②，③為封隔器;④，⑤，⑥分別為上中下段分采控制器;⑦為絲堵;⑧，⑨，⑩為注中心管打壓的泵、閘門、流量表;?為中心管回流管線閥門;?，?，?為注下段、中段、上段的泵;?，?為下段的閘門、流量表;?，?為中段的閥門、流量表;?，?為上段的閥門、流量表;?為水池;?為地面。

室內實驗步驟

1 )用油管將工具①～⑦按圖4所示順序連接并下入實驗井中，井口按圖2所示連接;

2 )啟動泵⑧為中心管打壓，從油管緩慢蹩壓20 MPa，各壓力點分別穩壓10 min，坐封封隔器;

3 )座封過程相當于第1次打壓操作，按表1所示的對應狀態應該是3個控制器全部開啟，室內檢驗實際開啟狀態是否見表1的第1次打壓后狀態，(關閉閥門⑨，打開回流閥?，啟動?，?，?泵，查看注下段、中段、上段的排量，判斷3個控制器是否開啟);

4 )進行第2次中心管打壓，并檢驗實際開啟狀態是否見表1的第2次打壓后狀態(先關閉閥?，打開閥⑨，開啟泵8打壓20 MPa，穩壓5 min;后關閉閥門⑨，打開回流閥?，依次啟動?，?，?泵，查看注下段、中段、上段的排量，判斷上段是否打開，中下段是否關閉);

5 )依次進行第3，4…8次中心管打壓，并檢驗每次實際開啟狀態是否見表1的第3，4…8次的打壓后狀態，同時做好記錄。

實驗結果:先后打壓80次，每一次打壓均產生動作到位的示位信號，進行10次循環，總共變換80個開關狀態，結果與表1符合率為100%.

2.2 現場試驗

抗干擾液壓換層分采技術于2009年5月在某油田的一口井上試驗。該井措施前生產26#～31#層，共6 層，日產液12.7 m3/d，日產油0.13 t，含水99%，動液面534 m.根據找水結果，將該井生產層位分為3段，26#～27#為第1段(2 916～2 926 m)，28#為第2段(2 934～2 938 m)，29#～31#為第3 段(2 945～2 985 m)。下入分采管柱，自下而上為:絲堵(2 990 m)+油管+3#控制器(2 960 m)+油管+φ112 mm扶正器+Y341-110卡水封隔器(2 941 m)+油管 +2#控制器(2 935 m)+油管 +Y341-110卡水封隔器(2 930 m)+油管+1#控制器(2 920 m)+油管+Y441-114卡水封隔器(2 890 m)+φ116 mm扶正器+1 m油管短節+φ112液壓丟手(不投球)+油管2根+校深短節1 m+油管至井口。管柱下到預定位置后，油管打壓10 MPa-15 MPa-18 MPa-20 MPa，每個壓力點穩壓力10 min，完成封隔器座封;之后繼續打壓，直至壓力突然降低，完成丟手施工;最后起出上部油管。施工后經過7次井口打壓換層操作，現場全部成功，控制壓力穩定在20 MPa，每一次打壓操作中都產生了動作到位的示位信號，換層后的生產效果見表2.

表2 試驗井生產情況統計表Tab.2 Statistical tables for the test well production

2.3 現場應用

該技術目前已在油田礦場已實施5口井，其中分4段的為1口井，分3段的為3口井，分2段為1口井，施工全部成功，調層20次，調層成功率100%.

3 開關狀態的控制規律

當以打壓次數為輸入信號對井下各個狀態進行控制時，現場需要查找表格判斷井下狀態，經常會造成井下狀態混亂和控制錯誤。為此需要建立起開關狀態控制規律，即輸入信號與開關狀態的數學關系。由此，現場可以預測井下各段控制器的開關狀態，也可由井下各控制器的預定開關狀態來選擇正確的輸入信號。

設x輸入變量，表示總打壓次數;n為循環次數;K為中間變量，表示循環后剩余打壓次數;y為整數，代表單段狀態數，如y(1)=y(2)=y(3)=y(4)=0代表各控制器關閉;y(1)=1代表1#控制器開啟;y(2)代表2#控制器開啟;y(3)代表3#控制器開啟;y(4)代表4#控制器開啟;j代表分段數;U表示調層狀態的判斷函數，等于各單段狀態數的累加和。將分2段、3段和4段的各種開關狀態對應關系在表3～表5列出。

表3 分2段換層時輸入變量與開關狀態的特征值對應關系Tab.3 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of two segments

表4 分3段換層時輸入變量與開關狀態的特征值對應關系Tab.4 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of three segments

表5 分4段換層時輸入變量與開關狀態的特征值對應關系Tab.5 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of four segments

在表2～表4，可歸納出如下規律

1 )總打壓次數x和循環后剩余打壓次數K的關系

2 )函數U與中間變量K和分采井的分段數j的關系

注:［ ］表示向下取整關系

3 )K值區間與各段開啟狀態的關系如表6所示。

表6 K值區間與各段開啟狀態對應關系Tab.6 Corresponding relationship of K interval and the open state

計算及判斷過程:①輸入分采井的分段數j和總打壓次數x;②根據式(14)計算循環后剩余打壓次數K和分采井的分段數j;③將K，j值代入式(15)計算出調層狀態函數U值;④依據表5第1列計算K值所處的區間，并依據表5判斷全井開啟狀態和具體開啟層段。

算例:已知一口分采井分段數為4，當現場打壓100次時，判斷具體開啟狀態:通過式(14)得出x=16n+K，求得K=4，依據式(15)求得U=3，由于K∈［2，j+1］=［2，5］，根據表6 判斷，本井為單開狀態，U值=開啟的單一開關器標號，即3#開關器開啟。當現場打壓110次時，通過式(14)得出x=16n+K，求得K=14，依據式(15)求得U=8，根據表6 可判斷:K∈?4j-4，2j」=［12，16)，則本井處于三開狀態，U值=開啟的三個開關器標號之和，則開啟的三個開關器的標號為1，3，4，即1#，3#，4#開關器開啟。

4 結論

針對層間壓力和深度差異大、油水分布復雜等層間矛盾突出、干擾嚴重的問題，提出了最優分層采油理念，即井口打壓換向操作連續高效、井下動作可驗證、控制壓力不受壓力及深度差異影響;縱向上交錯分布的低壓油層可組合起來開采，避免單層單段的低效生產。

抗干擾分采技術以總打壓次數為輸入信號控制各段配水器開關狀態，在井口可有效控制各段單獨開啟或各段開啟關閉任意組合。

抗干擾分采技術的核心工具為抗干擾控制器，它設置了一些功能機構，體現了抗干擾特點，滿足了最優分層采油理念。一是設置了打壓換向及狀態控制機構，通過限位滑套外側長短槽組合和限位銷釘定置來控制控制器的開關狀態;二是設置了壓力差異和深度差異的平衡機構，消除了各段間壓力差異和深度差異對地面打壓操作的不利影響，協調了多個控制器的動作，提高了動作可靠性;三是設置了示位機構，能夠產生示位信號，可以從地面確認開關器是否動作到位。

從抗干擾控制器結構出發，在理論上分析了任何一段控制器的井口控制壓力Pki值與深度差異ΔH和地層壓力Pdi的無關性。

各段全組合調換的分采技術在室內實驗和現場實施中顯示各段控制器安全可靠，調層準確，可有效避免油井層間矛盾帶來的不利影響，在油田具有廣闊的應用前景。

總結出了開關狀態的控制規律，建立輸入信號與開關狀態的數學關系，通過它可以預測井下的開關狀態，也可由預定的井下開關狀態來確定所需的輸入信號。

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