海上油田小井眼分注井測調(diào)一體化工藝研究

劉義剛 孟祥海 張志熊 藍(lán)飛 陳征 張樂 陳華興

(中海石油有限公司天津分公司)

0 引 言

?177.8 mm(7 in)小井眼注水井的鉆完井成本比常規(guī)井眼降低23%以上，是低油價時代降本增效的有效措施[1-5]，部分新油田也規(guī)劃了一定數(shù)量的小井眼注水井，因此，小井眼注水井將成為海上油田未來很重要的一類注水井。截至2019年12月，渤海油田防砂完井最小內(nèi)通徑82.6 mm(3.25 in)的小井眼注水井有108口，部分待轉(zhuǎn)注油井、側(cè)鉆井和套管補貼井的防砂完井最小內(nèi)通徑也是82.6 mm。這些井目前只能采用早期開發(fā)的一投三分、同心分注、多管分注和空心集成等工藝，存在分注層數(shù)受限、調(diào)配作業(yè)占井時間長和測調(diào)效率低的問題。同時，受海上平臺時空特點及油水井集中管理等限制，大部分平臺年作業(yè)天數(shù)接近或超過年生產(chǎn)天數(shù)，作業(yè)資源優(yōu)先滿足油井需求，使得注水井的分注率、調(diào)配率和分注井層段合格率均較低，迫切需要提高注水井測調(diào)效率。智能測調(diào)分注工藝雖然實現(xiàn)了全自動測調(diào)，適用于任何井型，目前處于推廣應(yīng)用階段，但主要在最小內(nèi)通徑為120.7 mm(4.75 in)的注水井中應(yīng)用，故障率較高，文獻(xiàn)[6-7]對故障率高的問題進(jìn)行了研究。邊測邊調(diào)分注工藝雖然在測調(diào)效率上略低于智能測調(diào)工藝，但比傳統(tǒng)的鋼絲投撈分注工藝有極大提升，也只適用于最小內(nèi)通徑101.6 mm(4 in)以上常規(guī)井眼注水井[8]。鑒于此，筆者對大尺寸邊測邊調(diào)工藝技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，形成了適用于82.6 mm內(nèi)通徑的小井眼分注井測調(diào)一體化注水工作筒及配套工具。采用該工具可實現(xiàn)小井眼注水井分層測調(diào)一體化注水，達(dá)到一趟作業(yè)完成驗封和測調(diào)的目的，同時保證整個管柱內(nèi)通徑不小于44 mm，不影響后續(xù)相關(guān)測試等作業(yè)。研究成果可滿足當(dāng)前開發(fā)階段這一類注水井的高效測調(diào)需求。

1 技術(shù)分析

1.1 管柱設(shè)計

海上油田小井眼分注井測調(diào)一體化工藝管柱(見圖1)采用一個?82.6 mm測調(diào)一體化注水工作筒對應(yīng)一個注水層，每個工作筒結(jié)構(gòu)都一樣，設(shè)有定位對接機構(gòu)和可調(diào)水嘴，可與測調(diào)儀器對接定位并控制注水層水量。驗封測調(diào)儀器選擇性地去驗封和調(diào)節(jié)每個工作筒。

1.2 工藝原理及特點

該分注工藝通過插入密封與封隔器的配合完成層間密封，利用注水測調(diào)儀器檢測井底溫度、壓力和流量，地面控制設(shè)備對井底參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。通過地面控制器控制注水驗封測調(diào)一體化儀器，實現(xiàn)在線驗封并調(diào)節(jié)注水工作筒工作水嘴的大小，改變各地層注入量大小，提高分注效率。其創(chuàng)新點如下。

(1)可根據(jù)具體需求層段數(shù)下入配套插入密封(或封隔器)以及注水工作筒，注水層段數(shù)不受限制。

(2)可以一趟電纜作業(yè)完成所有層位的驗封及調(diào)配，大幅提高驗封及測調(diào)時效。

(3)在測調(diào)過程中，地面可實時監(jiān)控井下不同層位流量、壓力和溫度并控制調(diào)節(jié)井下注水工作筒水嘴大小。

(4)采用定測方式對地層注水量進(jìn)行檢測，提高流量測試精度。

(5)預(yù)留剖面測試和氧活化測試通道，滿足注水井測試需求。

1—安全閥；2—滑套；3—頂封和定位密封；4、6、8—?82.6 mm測調(diào)注水工作筒；5、7—隔離封隔器和插入密封；9—底部封隔器；10—單流閥。

2 關(guān)鍵工具設(shè)計

2.1 ?82.6 mm測調(diào)一體化注水工作筒

該工作筒整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由上接頭、外筒、活動水嘴組件、固定水嘴組件、下接頭以及其他配套密封件組成。工具整體采用同心結(jié)構(gòu)設(shè)計，上下兩端設(shè)計有73.0 mm(2in) NUB×NUP油管螺紋，依照工具連接方式進(jìn)行連接，中部設(shè)置有中心通道和橋式通道雙流道，實現(xiàn)多層測調(diào)分注，下部設(shè)置活動水嘴與固定水嘴，活動水嘴組件軸向移動實現(xiàn)水嘴開度大小的控制。

在正常注水過程中，流體從上接頭流入，一部分流體流入中心通道被注入地層；另一部分流體流入橋式通道。經(jīng)中心通道的部分流體與流經(jīng)橋式通道的流體在下接頭處匯合后一起流入下一地層。

主要技術(shù)參數(shù)：長度756 mm，最大外徑80 mm，最小內(nèi)徑46 mm，最大單層排量1 000 m3/d，耐溫-40～150 ℃，耐壓50 MPa。

1—上接頭； 2、6、8—O形密封圈；3—外筒；4—擋砂圈；5—調(diào)節(jié)軸套組件；7—固定水嘴組件；9—下接頭。

2.1.1 上接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

上接頭是?82.6 mm測調(diào)一體化注水工作筒的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如圖3所示，主要包括油管螺紋、普通螺紋、定位臺階、防轉(zhuǎn)槽、扶正筋、排砂槽、防砂槽和梯形螺紋。其中，上端油管螺紋和普通螺紋分別與油管及工作筒外筒連接；定位臺階與下入井下的測調(diào)儀對接；防轉(zhuǎn)槽也叫導(dǎo)流槽，與下入井下的測調(diào)儀防轉(zhuǎn)塊配合，防止測調(diào)過程中電纜及測調(diào)儀旋轉(zhuǎn)，同時在注水及測調(diào)過程中該防轉(zhuǎn)槽也是流體進(jìn)入橋式通道的入口，具有導(dǎo)流作用；扶正筋主要起扶正作用，上接頭與外筒螺紋連接后，上端與外筒連接，上接頭外壁與外筒內(nèi)壁形成過流旁通，下端部分無連接結(jié)構(gòu)，整個上接頭下端懸于外筒內(nèi)部，為防止上接頭下端變形，設(shè)計增加扶正結(jié)構(gòu)；擋砂圈防止井下砂子進(jìn)入梯形螺紋處，避免出現(xiàn)因砂卡導(dǎo)致水嘴無法調(diào)節(jié)；梯形螺紋是工作筒中活動水嘴組件的移動軌道，其螺距大，傳力效果好，經(jīng)QPQ強化處理后可保證工作筒順利調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)下端設(shè)計有梯形螺紋，且屬于關(guān)鍵移動軌道，為保證螺紋強度及工具的整體強度，統(tǒng)一采用17-4PH材質(zhì)。

1—油管螺紋；2—普通螺紋；3—定位臺階；4—防轉(zhuǎn)槽；5—扶正筋；6—排砂槽；7—擋砂圈；8—梯形螺紋。

該結(jié)構(gòu)可以理解為將?98.6 mm注水工作筒[8]中上接頭與導(dǎo)向筒進(jìn)行創(chuàng)新、組合形成。通過該結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅減少了原本的焊接工藝，而且還省去了?98.6 mm測調(diào)工作筒中的本體組件，使?82.6 mm測調(diào)注水工作筒結(jié)構(gòu)簡單、可靠，同時還滿足?98.6 mm注水工作筒的功能需求。

2.1.2 中心通道和橋式通道結(jié)構(gòu)設(shè)計

中心通道和橋式通道是關(guān)鍵注水流道，中心通道屬于主過流通道，可實現(xiàn)地層多層注水；橋式通道屬于分流通道，既可實現(xiàn)地層測調(diào)時多層段注水，還可平衡水嘴前后壓力。?82.6 mm測調(diào)一體化注水工作筒在中心通道與橋式通道結(jié)構(gòu)設(shè)計上98.6 mm、101.6 mm、120.7 mm及大排量測調(diào)注水工作筒不同，分為兩部分。第一部分為上接頭與外筒組成的分體式中心通道與橋式通道(見圖4)，上接頭中心通道即為該部分的整體中心通道，上接頭與外筒連接后，橋式通道由上接頭與外筒之間的環(huán)空組成，流體流經(jīng)中心通道時可由上接頭防轉(zhuǎn)槽處流入橋式通道，并由橋式通道的下端流入第二段橋式通道。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是采用軸套式結(jié)構(gòu)，不僅減小了設(shè)計尺寸，還提供了較大尺寸的橋式過流通道。第二部分為固定水嘴處一體式中心通道與橋式通道(見圖5)。該結(jié)構(gòu)位于固定水嘴組件內(nèi)部，采用月牙槽結(jié)構(gòu)設(shè)計，配套線切割加工工藝，這樣就完成了橋式主流通道設(shè)計。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點是中心通道和橋式通道為一體式結(jié)構(gòu)，減少了零件數(shù)量，提高了可靠性。

圖4 分體式中心通道與橋式通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic of split central channel and bridge channel

2.1.3 關(guān)鍵測調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計

關(guān)鍵測調(diào)結(jié)構(gòu)包含“一動一靜一密封” 3部分結(jié)構(gòu)。

活動水嘴組件為測調(diào)結(jié)構(gòu)中的“一動”部分，是整個注水工作筒的關(guān)鍵部件，由擋砂槽、調(diào)節(jié)槽、梯形轉(zhuǎn)動螺紋、通壓槽及水嘴陶瓷套等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成，如圖6所示。

圖5 一體式中心通道與橋式通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural schematic of integrated central channel and bridge channel

1—擋砂槽；2—調(diào)節(jié)槽；3—梯形轉(zhuǎn)動螺紋；4—通壓槽；5—水嘴陶瓷套。

調(diào)節(jié)槽可與下入井下的測調(diào)儀配合，測調(diào)儀調(diào)節(jié)爪插入調(diào)節(jié)槽內(nèi)。當(dāng)測調(diào)儀調(diào)節(jié)爪轉(zhuǎn)動時，帶動活動水嘴組件沿梯形轉(zhuǎn)動螺紋旋轉(zhuǎn)，帶動整體部件在軸向方向上下移動，從而改變陶瓷套與固定水嘴組件中的陶瓷水嘴配合，完成注入水嘴開度大小的控制。調(diào)節(jié)槽設(shè)計關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)槽可調(diào)節(jié)距離與注入水嘴全開至全關(guān)距離相等，防止注入水嘴已經(jīng)全開或全關(guān)，而活動水嘴組件仍在上下移動，導(dǎo)致調(diào)節(jié)位移與水嘴開度不匹配；其次，調(diào)節(jié)槽上下兩端應(yīng)設(shè)計防扭矩過載結(jié)構(gòu)，確保當(dāng)注入水嘴已全開或全關(guān)時，測調(diào)儀調(diào)節(jié)爪可在調(diào)節(jié)槽內(nèi)自動滑脫，反向轉(zhuǎn)動又可正常調(diào)節(jié)，避免扭矩過載。

梯形轉(zhuǎn)動螺紋相當(dāng)于活動水嘴裝配組件的旋轉(zhuǎn)齒輪，可沿對應(yīng)梯形螺紋旋轉(zhuǎn)并上下移動，此處梯形螺紋強度高、螺距大，表面QPQ處理后可確保水嘴調(diào)節(jié)的正常運動，有效防止粘連。

水嘴陶瓷套結(jié)構(gòu)選用氧化鋯材質(zhì)，利用激光焊接工藝固定在活動水嘴組件的本體上，具有硬度高及耐沖蝕的特點，可增加測調(diào)工藝的可靠性。

固定水嘴組件為測調(diào)結(jié)構(gòu)中的“一靜一密封”部分，主要由陶瓷水嘴、壓環(huán)、格萊圈及固定水嘴套等組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1—陶瓷水嘴；2—壓環(huán)；3—格萊圈；4—固定水嘴套。

“一靜”是指陶瓷水嘴，通過激光焊接方式與固定水嘴套連接，屬于固定水嘴，與活動水嘴組件中的陶瓷套配合，實現(xiàn)注入水嘴開度大小的控制。其設(shè)計不再采用以往的軸套式結(jié)構(gòu)，而是使陶瓷水嘴與活動水嘴組件中陶瓷套在布局方向上相互垂直，具有硬度高、耐沖蝕及可降低調(diào)節(jié)扭矩的優(yōu)點。“一密封”是指固定水嘴組件中的密封結(jié)構(gòu)，該密封部件選用格萊圈動密封，適用于軸向上往復(fù)運動密封，在高溫高壓下變形量較小，調(diào)節(jié)阻力小。

2.2 ?82.6 mm驗封測調(diào)一體化工具

?82.6 mm驗封測調(diào)一體化工具是實現(xiàn)小井眼注水井邊測邊調(diào)的關(guān)鍵配套工具，主要由超聲流量短節(jié)、測調(diào)控制短節(jié)以及驗封短節(jié)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

主要技術(shù)參數(shù)：長度2 170 mm，最大外徑42 mm，耐溫-40～150 ℃，耐壓60 MPa，定位臂每次打開/收回時間5 s，流量測量范圍10～1 000 m3/d，流量測量精度5%，單層配水調(diào)整時間8 min。

流量短節(jié)主要完成對井下參數(shù)的采集，包括流量、溫度和管柱壓力等，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至測調(diào)板；測調(diào)控制短節(jié)控制調(diào)節(jié)臂的張收、正負(fù)調(diào)動作，同時收集其他短節(jié)信息打包發(fā)送至地面控制器；驗封短節(jié)主要控制驗封電機動作，利用位置傳感器檢測電機位置，進(jìn)而完成驗封功能，同時采集地層壓力傳送至控制短節(jié)。

控制器上的正負(fù)調(diào)按鈕和上位機軟件的正負(fù)調(diào)按鍵可以進(jìn)行配水器的開度調(diào)節(jié)。上位機軟件實時測量溫度、壓力和流量，并且顯示可調(diào)水嘴的開度變化。調(diào)節(jié)至要求的流量或者要求的開度后可按停止按鈕停止本層的流量調(diào)節(jié)。

1—流量短節(jié)；2—測調(diào)控制短節(jié)；3—驗封短節(jié)。

井下驗封時，儀器在對接的情況下，通過上位機或地面控制器發(fā)送驗封命令，儀器執(zhí)行驗封控制命令，由電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，并通過絲杠傳動，擠壓儀器密封段的上下驗封皮碗，使上下皮碗張開，與配水器內(nèi)壁擠壓形成兩個密封腔，兩個密封腔中間位置與地層相通，通過測調(diào)儀上的兩個壓力傳感器測得管柱壓力與地層壓力的壓差即可驗證封隔器的密封性能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2019年3月至2020年6月，海上油田小井眼分注井測調(diào)一體化工藝技術(shù)已在PL、SZ和LD等油田11口注水井試驗應(yīng)用，單井最大分注層數(shù)達(dá)到6層，最大下入深度2 700 m，最大應(yīng)用井斜65°。從應(yīng)用井測調(diào)效果看，基于油藏需求共計驗封調(diào)配144層次，一次驗封測調(diào)成功率可達(dá)97.3%以上，平均單井測調(diào)時間在6 h以內(nèi)，分層驗封效果可達(dá)90%以上，分層流量測調(diào)誤差在10%以內(nèi)，測調(diào)精度在2%以內(nèi)，分層配水合格率在95%以上，達(dá)到了海上油田小井眼分注井高效測調(diào)的時效和技術(shù)要求。比傳統(tǒng)鋼絲投撈測調(diào)工藝測調(diào)時效每次單井節(jié)約90 h/以上，節(jié)省測調(diào)費用120余萬元，分注井測試率提高了15%以上，分層配水合格率提高了近42%，在一定程度上提高了注水開發(fā)效率，取得了較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 論

(1)針對海上油田小井眼注水井缺乏高效測調(diào)分注工藝的技術(shù)現(xiàn)狀，在現(xiàn)有大尺寸邊測邊調(diào)分注工藝基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計了高效測調(diào)分注工藝、分注管柱、注水工作筒及驗封測調(diào)一體化儀器，形成了適用于海上油田82.6 mm內(nèi)通徑的小井眼分注井測調(diào)一體化分層工藝技術(shù)，滿足了海上油田小井眼注水井現(xiàn)階段的精細(xì)化注水需求。

(2)現(xiàn)場11口應(yīng)用井的測調(diào)情況表明，該工藝一次性驗封測調(diào)成功率高，測調(diào)效率高，分層調(diào)配合格率高，測調(diào)精度高，相比傳統(tǒng)鋼絲投撈測調(diào)工藝，可大幅節(jié)約單井測調(diào)時間，從而大幅縮短占井周期，節(jié)省測調(diào)費用，可在其余小井眼分注井推廣應(yīng)用。