智能無線分層測壓找水卡堵水工藝及工具設(shè)計(jì)

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(1.河南油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 南陽 473132； 2.河南油田分公司 新疆采油廠,新疆 奎屯 834032)

河南油田進(jìn)入高含水開發(fā)后期，通過剩余油監(jiān)測，河南油田稀油老區(qū)的剩余油主要分布在厚層中低滲透層層內(nèi)，油藏特點(diǎn)是層內(nèi)非均質(zhì)嚴(yán)重，滲透率級(jí)差大。監(jiān)測資料顯示，層間滲透率相差2～30倍，層內(nèi)滲透率相差26～848倍，且水淹狀況及剩余油分布復(fù)雜，因此剩余油潛力的認(rèn)識(shí)與挖潛的難度大。加上部分井開采對(duì)象不斷轉(zhuǎn)換(3～5個(gè)月)，要求對(duì)應(yīng)的分層開采工藝不斷地去適應(yīng)變化，改變生產(chǎn)層位，測試地層壓力，認(rèn)識(shí)潛力層段。

目前，井下找堵水工藝技術(shù)難以快速測壓、可靠找堵水。定期測壓和常規(guī)的堵水工藝需要頻繁的更換井下生產(chǎn)管柱，增加了施工作業(yè)費(fèi)用；研究的水平井找堵水技術(shù)，分層測壓數(shù)據(jù)只能在起出管柱后回放，無法早期獲取，而且智能開關(guān)器長期工作可靠性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證和提高；電纜起下找堵水測壓技術(shù)，屬于投撈式測壓堵水工藝，存在投撈載荷大、密封不可靠問題，影響測壓和堵水效果。為此，開展了分層無線測壓找水卡堵水技術(shù)研究。

1 分層無線測壓找水卡堵水技術(shù)方案

分層測壓找水卡堵水技術(shù)是在智能找堵水工藝的基礎(chǔ)上，增加了地層壓力和溫度等地層數(shù)據(jù)的檢測、采集數(shù)據(jù)的無線對(duì)接和發(fā)送、采集數(shù)據(jù)的移動(dòng)無線接收等系統(tǒng)。要求一次完成自動(dòng)找堵水、對(duì)任意層或多層的堵水開采、多層地層壓力的及時(shí)采集等功能。相對(duì)于普通找堵水工藝，實(shí)現(xiàn)找堵水層數(shù)更多(4層以上)，節(jié)約因調(diào)層、測壓工藝而產(chǎn)生重新動(dòng)管柱的多次作業(yè)費(fèi)用。

1.1 工藝管柱組成

分層無線測壓找水卡堵水工藝管柱如圖1所示， 由移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器、智能開關(guān)器、堵水封隔器、丟手接頭等井下工具組成。

圖1 分層無線測壓找水卡堵水工藝管柱

1) 移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器。是一種從環(huán)空下入的數(shù)據(jù)采集工具。它可以向智能開關(guān)器發(fā)送采集命令；與智能開關(guān)器通訊對(duì)接；接收并存儲(chǔ)從智能開關(guān)器發(fā)送來了的地層壓力、溫度等數(shù)據(jù)。

2) 智能開關(guān)器。是一種可自動(dòng)控制的井下開關(guān)器。功能有4個(gè)方面：①具有程控找水功能，可以自動(dòng)周期開啟和關(guān)閉，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找水；②具有接受人工控制功能，可以接收移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器發(fā)來的控制指令，根據(jù)指令完成開啟或關(guān)閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)堵水采油；③具有自動(dòng)采集、儲(chǔ)存地層壓力和溫度功能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測壓；④數(shù)據(jù)傳送功能，通過與移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器的通訊對(duì)接后，將儲(chǔ)存的地層壓力數(shù)據(jù)傳送給移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，根據(jù)地層壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步的分析。

3) 堵水封隔器。是一種逐級(jí)解封封隔器，在實(shí)現(xiàn)分層密封的基礎(chǔ)上，可解決多級(jí)堵水管柱解封困難的問題。

4) 丟手接頭。用來實(shí)現(xiàn)堵水管柱和采油管柱的分開。抽油的過程中，防止管柱蠕動(dòng)而造成堵水封隔器壽命降低的問題。

1.2 工藝過程

1) 堵水和采油管柱的下入。將如圖1所示分層卡堵水管柱下至設(shè)計(jì)位置后，從油管加液壓坐封堵水封隔器。繼續(xù)升高壓力，使丟手脫開。然后起出上部油管，下入抽油泵，安裝偏心井口，形成整個(gè)分層測壓找卡堵水工藝管柱。

2) 自動(dòng)找水。找水的過程是程序自動(dòng)控制的。下完管柱時(shí)，各級(jí)智能開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，尾部智能開關(guān)自動(dòng)打開，生產(chǎn)最下層一段時(shí)間后又自動(dòng)關(guān)閉。然后從下向上逐層打開智能開關(guān)，各生產(chǎn)一段時(shí)間。通過各層的產(chǎn)液分析即可判含油含水情況，完成自動(dòng)找水。

3) 卡堵水開采。確定需要生產(chǎn)的其中一段或多個(gè)段后，通過環(huán)空打壓或環(huán)空下入移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，向?qū)?yīng)段智能開關(guān)器發(fā)送控制指令，智能開關(guān)器的壓力傳感器接收到打開信號(hào)后，打開通道，實(shí)現(xiàn)指定一段或幾段的開采。

4) 無線測壓。井下的各級(jí)智能開關(guān)器定時(shí)將檢測地層壓力并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。在需要測試地層壓力的時(shí)，從偏心井口測試孔中下入移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，與智能開關(guān)器進(jìn)行通訊對(duì)接后，向其發(fā)送、接收數(shù)據(jù)指令，智能開關(guān)器將存儲(chǔ)的壓力數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器。全部數(shù)據(jù)接收完畢后，起出移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，地面回放數(shù)據(jù)，即可及時(shí)了解地層現(xiàn)狀，通過“堵水開采”步驟，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)層段。

5) 管柱起出。下專用撈矛于丟手內(nèi)，上提管柱解封上級(jí)堵水封隔器，下放后，再上提管柱解封下一級(jí)封隔器，直到所有封隔器全部解封，管柱順利起出。堵水封隔器逐級(jí)解封，降低了整體管柱的解封載荷，提高了多段堵水管柱解封的安全、可靠性。

2 壓力數(shù)據(jù)井下無線傳送技術(shù)設(shè)計(jì)

分層測壓找堵水技術(shù)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)技術(shù)重點(diǎn)，第1是前文所述的智能找堵水開關(guān)器，用來完成開關(guān)地層和采集地層壓力。第2是壓力數(shù)據(jù)井下無線傳送技術(shù)，利用無線通訊技術(shù)將智能找堵水開關(guān)器采集的壓力數(shù)據(jù)傳送到移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，起出至地面。對(duì)于前者，有前期智能開關(guān)器的研制經(jīng)驗(yàn)。而后者，在國內(nèi)石油行業(yè)，無相關(guān)方面的無線通訊嘗試。因此，壓力數(shù)據(jù)井下無線傳送技術(shù)的優(yōu)選和設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的研究。

2.1 無線傳送方式優(yōu)選

由于壓力數(shù)據(jù)井下無線傳送系統(tǒng)要滿足2 000 m井下無線數(shù)據(jù)的交換，傳輸介質(zhì)為油水混合物(含鹽等雜質(zhì))，具有高壓高溫的特點(diǎn)。因此，通過大量的資料查閱，對(duì)可用的3種無線傳輸方式進(jìn)行了對(duì)比分析(見表1)。

表1 3種無線傳輸方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

綜合以上幾種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的井況，射頻通信方式基本能達(dá)到所需要求，并能實(shí)現(xiàn)井下無線數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 壓力數(shù)據(jù)井下無線傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過優(yōu)選和試驗(yàn)的論證，射頻無線傳輸可滿足現(xiàn)場測試要求。利用射頻無線傳輸方式開展了壓力數(shù)據(jù)井下無線傳送技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

井下數(shù)據(jù)采集收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩部分：井下固定收發(fā)器(PDG)和移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器(TMC)。

系統(tǒng)組成原理如圖2所示。

圖2 壓力數(shù)據(jù)井下無線傳送系統(tǒng)原理

1) 井下固定收發(fā)器PDG。井下固定收發(fā)器的主要功能是將儲(chǔ)存在井下智能開關(guān)內(nèi)的信息，通過射頻模塊，發(fā)送給移動(dòng)數(shù)據(jù)采集收發(fā)器。PDG由MCU、收發(fā)芯片、存儲(chǔ)器、天線四個(gè)部分組成。MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議處理以及建立收發(fā)芯片與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)通信，整個(gè)通信呼叫、應(yīng)答、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)封裝以及收發(fā)控制的過程都由該MCU完成。收發(fā)芯片只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線信道的傳輸，實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)交換。存儲(chǔ)器作為中間器件，保存著井下智能開關(guān)在工作過程中的狀態(tài)信息。天線作為輻射或接收自由空間電磁波的裝置，使數(shù)據(jù)信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射或接收。

2) 移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器TMC。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集收發(fā)器的主要功能是通過無線射頻的方式，喚醒井下固定收發(fā)器后與之建立通信，自動(dòng)回收井下智能開關(guān)內(nèi)存儲(chǔ)的信息，并保存在存儲(chǔ)器內(nèi)或者通過電纜傳輸?shù)降孛妗MC同樣由MCU、收發(fā)芯片、存儲(chǔ)器、天線四個(gè)部分組成。它的內(nèi)部工作原理同PDG。不同的是，PDG基于降低功耗、節(jié)省電池電能的目的，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，而TMC則不停的向周圍空間發(fā)射信號(hào)，直到喚醒PDG并與之建立無線數(shù)據(jù)通信。

3 工藝管柱配套工具

3.1 分層測壓找堵水開關(guān)器

3.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理

智能開關(guān)器主要由主體、信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)PDG、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、開關(guān)閥、主體等組成(如圖3)。

圖3 智能開關(guān)器結(jié)構(gòu)示意

智能開關(guān)器采取電池供電、單板機(jī)控制微電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥。下井前設(shè)置程序，能夠定期的開啟、關(guān)閉，進(jìn)行分層找水；能夠測內(nèi)、外部壓力，通過地面液壓傳遞信號(hào)，測壓開關(guān)器接收內(nèi)部壓力信號(hào)，傳送給單板機(jī)控制系統(tǒng)，控制開關(guān)的打開與關(guān)閉；測壓開關(guān)器接收到外部壓力信號(hào)，存儲(chǔ)到單板機(jī)內(nèi)，并能夠發(fā)射無線信號(hào)，傳送給可移動(dòng)接收裝置。

3.1.2技術(shù)參數(shù)

耐溫 120 ℃

抗外壓 40 MPa

耐壓差 20 MPa

最大外徑 115 mm

壓力檢測精度 0.1 MPa

3.2 移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器TMC

3.2.1結(jié)構(gòu)和工作原理

移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，主要包括主體、電池組、控制電路板、收發(fā)天線、天線外殼(如圖4)。

圖4 移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)示意

移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器下入前打開電源，向周圍空間發(fā)射喚醒信號(hào)。當(dāng)移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器隨井下工具下入至目標(biāo)層智能開關(guān)器附近時(shí)，智能開關(guān)器的天線收到喚醒信號(hào)后，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器收到應(yīng)答信號(hào)，完成信號(hào)對(duì)接。然后向智能開關(guān)器發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)，請(qǐng)求發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，若校驗(yàn)失敗，則向固定收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)重發(fā)信號(hào)，如校驗(yàn)合格再傳輸繼續(xù)下一幀。循環(huán)這一過程，直至移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器接收到全部數(shù)據(jù)后，固定收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸終止信號(hào)，完成地層壓力數(shù)據(jù)的采集。

3.2.2技術(shù)指標(biāo)

耐溫 120 ℃

耐壓 20 MPa

最大外徑 25 mm

適應(yīng)井斜 ≤30°

通訊距離 ≤1 m

3.3 抗蠕動(dòng)逐級(jí)解封封隔器

3.3.1結(jié)構(gòu)和工作原理

抗蠕動(dòng)逐級(jí)解封封隔器為K341型，如圖5所示。

1—上接頭；2—中心管；3—鎖套；4—提掛環(huán)；5—解封銷釘；6—鎖塊；7—單流閥座；8—單流閥芯；9—密封圈；10—彈簧；11—長膠筒；12—滑動(dòng)接頭；13—開口鎖環(huán)；14—下接頭。

1) 坐封。從油管內(nèi)施加液壓，液壓經(jīng)中心管的傳液孔作用在單流閥心上，單流閥被打開，液體進(jìn)入膠筒內(nèi)部，使膠筒充分膨脹并緊貼套管，封隔油套環(huán)形空間。油管泄壓后，單流閥芯在彈簧力的作用下，向上移動(dòng)關(guān)閉單流閥，使液體無法泄漏，保證了封隔器的長久密封。

2) 解封。上提管柱，管柱帶動(dòng)上接頭、鎖套上行，在一定的拉力下剪斷解封銷釘，鎖套上行后鎖塊便可向外移動(dòng)，使中心管和單流閥座解除鎖定。繼續(xù)上提，中心管下端的縮徑段進(jìn)入滑動(dòng)接頭的內(nèi)密封位置，使密封失效，膠筒內(nèi)的液體泄出，膠筒回彈解封。

3.3.2技術(shù)指標(biāo)

耐溫 120 ℃

15 MPa(7＂套管)

最大外徑 105 mm

最小通徑 42 mm

解封載荷 40～60 kN

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年，在河南油田古城油田、王集油田等地開展現(xiàn)場應(yīng)用7口井，分別是王132、古338、王柴17、泌363、古側(cè)2707、王133、王119井，工藝成功率100%，調(diào)層12次，有效率100%。測壓資料全部合格。

5 結(jié)論

1) 分層無線測壓找水卡堵水技術(shù)是一項(xiàng)集成技術(shù)，運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，使找水過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；地面加壓即可實(shí)現(xiàn)多次調(diào)層；不動(dòng)管柱，多次接收、回放所采集的地層壓力數(shù)據(jù)。

2) 一趟管柱完成找水、堵水、測試、生產(chǎn)等過程，而且分層數(shù)量幾乎不受限制，適應(yīng)范圍寬。

3) 實(shí)現(xiàn)了井下分層壓力、溫度等參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)控存儲(chǔ)，這對(duì)于了解油藏性質(zhì)，進(jìn)行油藏精細(xì)描述具有非常重要的指導(dǎo)意義。