同心智能分層配水工藝在海上油田的技術應用

陳建竹

（中國海洋石油渤海有限公司天津濱海高新區服務分公司，天津 300452）

0 引言

國內海上油田注水井基本上在采用機械式注水方式，需要通過鋼絲作業對配水器反復投撈，進行流量測試及水嘴調節，工作量大，作業周期長。智能分層配水工藝改變了目前油田增注配水模式，可以通過下井電纜在地面直讀井下分層流量，同時進行水嘴調整。

對于國內此項技術，偏心配水工藝在陸地油田應用較為成熟， 考慮海上斜井居多，偏心投撈成功率很低，開發一套適合海上油田井筒條件的同心智能配水工藝，將國內領先的分層注水技術優化并應用到海上，來滿足海上油田“注好水，注夠水”的作業需求。

1 同心智能分層配水技術總體結構

同心智能分層配水技術總體結構包括井下分層注水測調儀器及其同心測調工作筒和地面控制器、三個組成部分，其中井下分層注水測調儀器是整個系統的關鍵，具有流量、壓力、溫度測量功能和對可調水嘴的調節功能；地面控制器對井下分層注水測調儀器進行控制，形成了同心測調一體化系統。

2 分層注水測調儀器及其同心測調工作筒的開發

在陸地油田的偏心配注工藝中，井下測調儀器多使用雙電機控制，即一個電機用于調節臂的控制，另一個電機用于井下水嘴的注水量調控,通過該電機的正/反控制可實現注水流量的增大/減小[1]。

針對海上油田的同心配水的注水工藝、井況、操作方法和使用環境設計的同心智能配水測調系統，在儀器結構和控制方法上，有針對性的進行了技術改進，其主要技術指標見表1。

表1 同心智能配水測調系統主要技術指標

2.1 機械結構設計

該系統的同心測調儀采用單電機結構，即用一個電機同時控制支撐臂的開收和調節頭的正負調節。所以對與工作筒的長壽命設計，主要考慮三方面因素：

（1）調節水嘴采用陶瓷結構，耐沖蝕，而且表面特性由于硬質合金；

（2）結構上考慮壓力平衡，高壓下不會因為面積差產生阻力；

（3）材質上選用優質不銹鋼保證可活動部分不生銹；

根據以上的思路，結合海上分層注水防砂后通徑為4.75″、4″、3.88″的實際情況，設計了Φ97和Φ114兩種規格測調工作筒，其中Φ97測調工作筒適用于4″、3.88″防砂內通徑，Φ114測調工作筒適用于4.75″防砂管柱內通徑。

圖1 同心智能配水測調儀結構圖

圖2 為同心智能配水測調儀結構示意圖， “①”為流量信號處理電路部分；“②”為流量測量部分；“③”為電機和電機控制部分；“④”為儀器支撐臂和限位部分；“⑤”為調節頭（帶伸縮塊）部分。

流量測量部分為較為成熟的超聲流量測量技術；為保證測調儀與工作筒的結合率，需保證支撐臂張開的可靠性以及限位塊的強度；井下測調儀調節頭上的伸縮塊與同心工作筒里的可轉水嘴密切配合的同時，要滿足一定的旋轉強度，當電機正傳或反轉時，調節頭同步正轉或反轉，從而帶動工作筒里可轉水嘴部分的正傳或反轉，正轉時可調水嘴的內心陶瓷向上移動，水嘴開度增大，對應配水增大，反轉同理。

2.2 電氣設計

同心智能配水測調井下儀電氣部分由超聲流量部分和調節器部分兩個模塊組成。超聲流量部分與同心智能配水測調儀的調節器配合使用，用于實時測量流量，檢驗水嘴配水量的大小。該儀器采用單芯電纜供電，使用ST編碼格式，與地面控制系統采用單向通信模式，可同時測量流量、壓力、溫度三種參數。

3 地面測調控制器技術研究

針對使用環境為海上采油平臺，地面測調控制器要求達到海洋作業用電防爆及防腐要求，且電氣設計具備以下功能[2]：

（1）控制器能給測調儀供電，實時顯示電流電壓狀態。

（2）控制器能與測調儀通信，顯示解碼狀態。

（3）控制器能對測調儀進行控制，操作解碼為觸摸式控制。

（4）控制器能對測調儀上傳的數據進行顯示、分析、處理、保存等。

（5）控制軟件圖形界面，操作簡單，能夠輸出圖形曲線。

同心智能配水測調系統地面控制器由工控機、LCD顯示器、觸摸屏、控制模塊、編解碼模塊及程控直流電源、電源電流顯示等模塊組成，控制軟件是基于Windiws圖形化控制軟件。地面設備將220V供電電壓引入控制器，并將地面控制信號傳輸到井下測調儀器中，信號傳輸電纜使用專業測井Φ5.6mm鎧裝電纜[3]。

4 現場應用

渤海油田某井分4段防砂，防砂段最小內徑4.75”，原井注水管柱為空心集成式，需對管柱更換為同心智能分層配水管柱。在提出原井管柱后，進行同心智能分層配水管柱，其主體結構為定位密封總成以下4個Φ114測調一體化工作筒與2-7/8”油管相連，每個工作共通過插入密封隔離且正對注水層位，定位密封總成以上為3-1/2”油管，循環滑套關閉式下入。

4.1 配注管柱下井要求

丈量下井工具，根據頂部封隔器以及第一、第二、第三封隔器深度位置，配接下井管柱，使4.75″定位密封總成定位于頂部隔器， 4.75″插入密封分別位于第一、二、三隔離封隔器密封筒中部；環空試壓10 MPa, 觀察井口套管壓力, 10分鐘壓力不降為合格。座油管掛并接測試三通和試注管線。

4.2 鋼絲作業層間驗封

鋼絲驗封入井工具串組合為：驗封專用工具＋機械震擊器＋萬向節＋加重桿＋鋼絲繩帽。鋼絲工具串下過末端工作筒后上提，使定位爪張開，依次定位坐落在每一級的測調工作筒上，通過泥漿泵向該井每層依次試注，每個注水層泥漿泵打壓兩個壓力臺階，進行層間驗封[4]。

4.3 電纜測調分層配注

同心智能配水測調儀與電纜絞車配接，電纜送入下井，工具串組合為：測調儀＋扶正器＋萬向節＋加重桿＋電纜馬籠頭；電纜帶測調儀下過4#工作筒，在第4#、3#、2#、1#測調工作筒位置，自下而上分別測試第四、三、二、一層吸水指數，擬合計算各層達到配注要求各層注水壓力；測試儀器在4#工作筒以上位置打開支撐臂，座入4#工作筒中，通過地面控制器，在擬合注水壓力條件下，調節工作筒水嘴大小；分別上提測試儀器通過3#、2#、1#工作筒，下放測調儀器，定位在各層測調工作筒上，通過地面控制器，調節工作筒水嘴大小，在擬合注水壓力條件下，滿足各層配注要求。回收儀器，恢復注水12小時后，同心測調儀在地質配注單井注水量及擬合壓力下自下而上分別測試第四、三、二、一吸水量，驗證調配結果[5]。

5 結語

在設計過程中，針對測調儀支撐臂和調節頭強度實驗及電機扭矩力和傳動軸強度等這幾個重點問題做了大量的分析計算和驗證試驗，確定了各個部分的機械參數和零件材料，在技術上有了重點突破；經過大量理論計算、電源及信號通訊研究，模擬井實驗及分析改進，TPC-200同心智能配水測調系統的研制已經取得階段性成果，穩定性和可靠性等方面得到認證，已在海上油田大規模推廣；同心智能分層配水工藝，在從機械式注水方式到有纜及無纜測調注水方式技術過度中起著承上啟下的作用。