油井自動分層測試開關工具設計及應用

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(1.德州學院，山東 德州 253000；2.德州華海石油機械股份有限公司，山東 德州 253000)

籠統注采模式已不適應高含水油井的采油，宜采取分層卡堵水作業，堵住出水層，提高采收率[1]。特別是近幾年水平井出現出水嚴重的情況，在卡堵水作業之前，需要找到各層的含水情況，因此利用分層測試開關工具，配合封隔器、丟手、絲堵等完成高含水井的分層找水作業[2-3]。自動分層測試工具可實現在生產狀態下自動找水，反復調層的功能，克服傳統機械找堵水管柱無法反復調層、調層不準確、操作工藝復雜等缺點[4-5]。在現場應用過程中，除用于找堵水外，自動分層測試工具還可用于分層注采和試油測試。文獻[6]論述了自動分層工藝用于河南油田分層注采施工中，不僅能分層采油，還能夠分層注水；文獻[7]論述了自動分層測試技術用于冀東油田的試油測試中。自動分層測試技術在油田的應用越來越廣泛。本文設計的自動分層測試開關工具由機械系統和控制系統組成，通過分析其工作過程和工作環境，確定采用地面油套環空加壓脈沖模式進行控制，一定時間內，不同壓力脈沖個數分別對應各層開關的打開或關閉動作。

1 自動分層測試開關工具機械結構

自動分層測試開關工具采用壓力平衡式活塞結構，在打開和關閉狀態下實現軸向壓力平衡，克服地層和井筒壓力對找堵水開關動作的影響。分層測試開關工具主要由上接頭、傳感器、控制電路、驅動電機、驅動螺桿、外套筒、活塞、活塞套、下接頭等組成，如圖1所示。電機安裝在活塞套上端部，驅動螺桿一端與電機軸配合，另一端通過螺紋與活塞連接。傳感器接收井口環空壓力脈沖信號，控制電路通過信號控制電機正反轉，電機通過驅動螺桿將轉動變為活塞的上下移動。電機正轉推動活塞下行，至下限位置打開該地層；電機反轉推動活塞上行，至活塞上限位置關閉該地層。推進式堵水開關采用側進液模式，活塞裝有密封圈，阻止液體流入活塞底部或頂部空間，使液體僅在活塞環形空間內流動。圖1為開關處于打開狀態，進液口與出液口連通。

下接頭連接裝有Spartek壓力計[3](耐溫150 ℃，耐壓70 MPa)的標準偏心短接，壓力計可采集分層時各層的壓力和溫度信息，判斷測試開關工具是否正常工作，為后續的注水作業提供支持。

1—電池；2—控制電路；3—傳感器；4—驅動電機；5—活塞套；6—螺桿；

2 自動分層測試開關控制系統

2.1 控制模式

測試開關與丟手、封隔器、絲堵等組成分層測試一體化管柱，封隔器隔開各個油層，每個測試開關位置對應一個油層，開關打開則該油層生產，開關關閉則該油層不生產。找堵水一體化管柱下入指定位置后，封隔器坐封、打掉丟手，起出施工管柱后，下入生產管柱，即可進行找堵水工作。借鑒封隔器、橋塞等井下工具的施工方法，通過液壓將地面信號傳至井底，測試開關上的壓力傳感器接收壓力信號。為確保信號的準確性，采用壓力脈沖次數控制模式，如圖2所示。

圖2 壓力脈沖次數控制模式

自動分層測試開關的打開和關閉分別對應一定時間內壓力脈沖次數，如測試開關從接收到第1個壓力值開始(壓力值根據不同井深設定)，統計30 min內的壓力脈沖上升沿個數，如果為4個脈沖則測試開關打開，若為5個脈沖則測試開關關閉。為真實地采集到脈沖上升沿，要求加壓時間大于60 s，脈沖間隔時間大于60 s，但沒有具體時間限制。控制系統硬件采用比較器和單片機的脈沖計數器，軟件采取去抖動程序，確保采集到每個脈沖。

2.2 控制系統

分層測試開關與封隔器、丟手、絲堵共同組成分層測試一體化管柱，采用丟手模式，控制系統采取獨立電源供電模式。控制系統由單片機(PIC16F876A)[8]、電源電路、電機驅動電路、電機過流保護電路、壓力監測電路等組成，如圖3所示。單片機作為控制系統的控制中心，除了控制電機的運行外還需采集地面壓力信號。

圖3 控制系統組成

3 現場試驗

現場試驗井為中原油田某油井，鉆完井深為1 975 m。目前采用封上采下，含水100 %。重新設計分層管柱，分為三級三段，由上至下依次為：KSD丟手+Y241型封隔器+自動分層測試開關3(對應油層3)+PHY341型封隔器+自動分層測試開關2(對應油層2)+PHY341型封隔器+自動分層測試開關1(對應油層1)+絲堵，如圖4所示。

各測試開關動作控制脈沖設定：下井前，每個測試開關的打開和關閉對應不同的脈沖個數。在30 min內，測試開關1打開需采集脈沖個數為4個，關閉需采集脈沖個數為5個；測試開關2打開和關閉動作分別對應30 min內脈沖個數為6和7個；測試開關3打開和關閉動作分別對應30 min內脈沖個數為8和9個。脈沖壓力為井口環空壓力，7～8 MPa為高壓，0～2 MPa為低壓，且高壓和低壓持續時間大于60 s。

3.1 試驗過程

2017-06-15—2017-06-27，測試開關1開啟，測試開關2、3關閉，單獨開采油層1；2017-06-27，通過井口環空壓力脈沖控制，將測試開關1處于關閉狀態，同時開啟測試開關2，單獨開采油層2，開采至2017-07-13，地面控制將測試開關2關閉；2017-07-15，再次將測試開關2開啟，采至2017-07-17，產層不出液停抽，2017-07-22復抽，仍未見產出液，分析可能因地層壓力低，地層供液不足造成出砂，阻塞測試開關2產液通道，砂堵嚴重。因擔心砂堵后會損壞壓力計，未再進行井口加壓作業，故測試開關3未工作。

圖4 完井管柱

3.2 試驗結果分析

1) 產液分析。初始狀態：關閉油層3(1 477.5～1 672.1 m)、油層2(1 685.5～1 690.0 m)，打開油層1(1 735.1～1 924.7 m )，產液量30 m3，含水100%。2017-06-27，井口環空加壓脈沖，關閉測試開關1，打開測試開關2，油層2開始生產，液量19 m3，含水100%，9 d后液量4 m3，含油2.4 m3，2 d后液量2 m3，含油1.2 m3。2017-07-13，井口環空加壓脈沖關閉油層2，2 h后液量為0 m3，說明開關2關閉。為進一步測試油層2的產能，2017-07-15，井口環空加壓脈沖，打開測試開關2，產液1.6 m3，含油1.0 m3。2017-07-17產出液為0 m3。

2) 溫度壓力分析。管柱取出后對3個分層測試開關的壓力計進行溫度和壓力曲線提取，3個分層測試工具工作性能良好。測得了3個測試層各自獨立完整的壓力、溫度曲線，3個測試層的壓力、溫度曲線互不干擾，表明各封隔器密封效果良好，在井筒中層間未發生滲漏、竄漏等情況。各測試層溫度壓力曲線如圖5所示。

a 溫度

b 壓力

油層1壓力曲線分為2個階段。第1階段(2017-06-27前)井筒內液體抽取完畢后，壓力逐漸降低，說明該層位處于生產狀態，測試開關為打開狀態；第2階段(2017-06-27后)該層位壓力逐漸積聚增大至穩定狀態，說明該層位處于非生產狀態，測試開關為關閉狀態。

油層2壓力曲線分為4個階段。第1階段(2017-06-12—2017-06-27)：因作業過程中靜液柱壓力高于該層地層壓力，測試開關2處于關閉狀態，井筒環空壓力逐漸向地層中進行擴散，由于儲層物性差，壓力擴散時間較長；第2階段(2017-06-27—2017-07-13)：測試開關2打開后井底壓力下降，前期主要產液為井筒內液體，環空壓力下降緩慢；中期該層開始供液，壓力下降速度較快；后期因為受到注水壓力的補充，壓力先急劇上升，后緩慢下降；第3階段(2017-07-13—2017-07-15)：測試開關關閉后壓力逐漸恢復；第4階段(2017-07-15后)：井筒內部砂堵，地層壓力逐漸恢復，期間受到注水井的影響有所波動。

油層3壓力曲線與臨近的明148注水井泵壓變化趨勢一致，油層3與該注水井之間存在大通道，表明測試開關3處于關閉狀態。

4 結論

1) 分層測試開關活塞采用壓力平衡機械結構，克服了機械式找堵水開關受地層壓力影響的缺點，開關動作根據固定時間內壓力脈沖個數進行，避免了因脈沖高低電平轉換時間誤差帶來的誤動作。

2) 現場試驗表明，分層測試開關機械結構和控制系統工作可靠，可對各油層溫度、壓力分別測試，結合產出液情況找出出水層，滿足油井開發后期找堵水作業的要求。