大慶油田纜控智能分注技術工藝優化

金振東 佟音 王鳳山 高光磊 李井慧 王潔春

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室

隨著油田細分井數及細分層段數的逐年增多，測試工作量大與測試隊伍有限之間的矛盾日益突出。為了能為精細油藏描述提供連續、詳實的數據，大慶油田自2000年初開始了智能分層注水技術的探索性研究，主要包括非接觸式智能分注、波碼通訊分注、地面智能分注、纜控智能分注等，解決了常規分注技術存在的問題，實現分層注水精細化、有效化、智能化的長期實時控制［1-5］。其中，纜控智能分注工藝在技術成熟度、測調效率、測試精準度、適應范圍等方面具有優勢，實現了井下參數的連續監測和實時測調，測調效率得到了大幅度提高，有助于特高含水后期剩余油的挖潛；但由于井下工具涉及參數采集系統、電源管理系統、通訊系統及自動控制系統等多系統組合、多學科應用，且完井作業涉及電纜連接及保護等，工藝復雜［6-8］，可靠性相對較低，工藝成本較高，2012-2017年現場試驗54口井，運行2年以上井數占比僅為51.9%，工藝穩定性和可靠性均無法滿足規模應用的需求。

通過對26口故障井進行分析可知：(1)故障原因主要為電纜與智能配水器連接處密封失效、流量控制閥故障、過電纜封隔器洗井閥失效；其中，電纜與智能配水器連接處密封失效12口井，占比46.2%；流量控制閥故障7口井，占比26.9%；過電纜封隔器洗井閥失效4口井，占比15.4%；其他因素占比11.5%；(2)出現故障的時間主要集中在下井后的前6個月，故障井數為23口井，占總故障井數的88.5%；第7個月至第24個月出現故障井數為3口井，占總故障井數的11.5%。為了進一步完善纜控分層注水工藝技術，優化了纜控智能配水器的流量控制閥、過電纜封隔器等工具，完善了電纜與纜控智能配水器的連接密封，延長了工具使用壽命，提高了纜控智能分注工藝的可靠性。

1 纜控智能分注工藝的完善優化

1.1 智能配水器流量控制閥的優化

流量控制閥是智能配水器調節注入量的執行機構，是確保注水合格率的關鍵組件。前期試驗發現，流量控制閥主要存在的問題有：(1)注入水含有大顆粒雜質，流量控制閥易堵；(2)流量控制閥全開或全關后出現倒扣現象；(3)前后壓差超過3 MPa時，易出現傳動軸斷裂。

為此對流量控制閥進行優化：(1)擴大流量控制閥陶瓷閥芯外徑，由?10 mm擴大到?14 mm，增加了閥體最大過流面積，降低流量控制閥堵塞幾率；(2)在流量控制閥陶瓷閥芯后端設計平衡孔，實現陶瓷閥芯前后端壓力平衡，減小了開關過程中由于壓差產生的阻力，防止流量控制閥無法正常開關的現象出現；(3)對傳動軸進行應力分析，優化了傳動軸尺寸，閥芯內徑由?3 mm增大到?5 mm，傳動軸連接螺紋由M2調整為M4，提高了抗拉和抗剪切強度。優化后流量控制閥結構如圖1所示。

圖1 流量控制閥結構Fig.1 Structure of flow control valve

優化后流量控制閥水嘴開度當量0～14 mm連續可調，扭矩8 N · m，10 MPa壓差下漏失量小于1 m3/d且壓差條件下可以順利開關。流量控制閥運行過程中，電機的工作電流始終低于其保護電流數值150 mA，具體實驗數據如表1所示。

表1 流量控制閥試驗數據表Table 1 Data of flow control valve test

1.2 電纜連接工藝的優化

原有的纜控智能配水器兩端各預留一段電纜，現場施工時，用電纜連接器將預留的電纜與管柱上的電纜連接起來。在配水器外預留的電纜在存放、運輸過程中有被損壞的風險；在現場施工時，需要使用電纜連接器對2段電纜進行密封，以5層段井為例，需要9個電纜連接器做電纜密封接頭，增加工藝成本的同時存在密封失效的風險。任何一處密封失效都會導致整個工藝失敗。為此，對智能配水器與電纜的連接方式進行了優化：(1)取消了在配水器外預留電纜的設計，在配水器外設計接線母座，現場施工時，將電纜直接鎖定到接線母座上，規避了配水器外電纜損壞的風險；(2)設計了電纜接頭及其配套膠帽，同時密封了電纜外鎧與絕緣層，實現了雙重保護。優化后電纜連接工藝如圖2所示。

圖2 優化后電纜連接工藝Fig.2 Optimized cable connection process

1.3 過電纜封隔器的優化

纜控智能分注工藝在施工時，在過電纜封隔器內襯管留出電纜通道，電纜穿越多級封隔器時不占用主通道，以避免影響注水井吸水剖面等其他測試工藝［9-10］。前期試驗發現，過電纜封隔器存在的問題有：(1)當洗井壓力高或停注狀態時洗井閥自動打開，當恢復注水工況時洗井閥不自動關閉，造成上下層連通，封隔器密封失效；(2)針對復雜工藝管柱，比如兩封隔器間是光管的管柱，為減少使用電纜連接器，將電纜從封隔器穿過是最佳選擇，這就要求過電纜封隔器可以從上接頭和下接頭都可以穿過電纜。為此對過電纜封隔器進行以下優化設計。

(1)洗井閥結構優化。洗井閥是用于控制洗井通道開啟或關閉的裝置，原洗井閥為整體式結構，優化后的洗井閥為分體式結構，只有2部分結構同時動作才能打開洗井通道。當上層套壓高于下層套壓時2部分閥體一起動作打開洗井通道；當下層套壓高于上層套壓時，只有分體式結構中的上半段動作，下半段保持在關閉位置，洗井通道保持關閉狀態，從而避免了停注時地層壓力高引起的第1級封隔器失效的問題。

(2)電纜穿越方式優化。為使電纜從封隔器內部通過，需要在封隔器上設計電纜通道，由封隔器上、下接頭上的引導通道、內襯管上的通道主體組成。在原有的設計中，電纜只能從封隔器的上端向下端方向穿越封隔器。當施工設計中出現封堵層時則會出現2級封隔器中沒有配水器，僅有普通油管的情況，要求封隔器的上端和下端都能穿過電纜。為此，通過降低引導通道角度、在引導通道末端增加15°倒角、擴大電纜通道主體直徑的設計，并優化各零部件的尺寸結構(圖3)，實現了電纜既能從封隔器的上端向下端穿越封隔器，也能從封隔器的下端向上端穿越封隔器，提高了封隔器對智能配水器及管柱的適應性。

圖3 優化后過電纜封隔器Fig.3 Optimized cable-through packer

2 現場應用

2018年12 月-2022年4月，優化后的纜控智能分注工藝現場試驗223口井，統計現場施工及測調實驗記錄發現，運行2年以上井數占比由原來的56.1%提高到91.9%。其中先期投產的59口井，平均運行時長1 150 d；后期投產的164口井，平均運行時長749 d。與優化前相比，工藝可靠性和工具使用壽命大幅度提升。

2.1 優化后性能分析

現場試驗的223口井，共900余層段，在測調過程中，纜控智能配水器流量控制閥未出現斷軸的現象。優化后流量控制閥連接軸強度和電機扭矩能夠適應井下工況的要求。截至2021年12月，900余層段的纜控智能配水器平均運行時長已達到855 d，根據分析故障井數與運行時長的關系可知，這個數據還會進一步增加，與優化前的600 d相比，提高了42.5%。

在施工過程中，電纜穿越封隔器時，可從上接頭向下接頭穿出，也可從下接頭向上接頭穿出。優化后的過電纜封隔器，適應復雜工藝管柱施工的要求；同時在停注狀態或者下層套壓高時洗井閥不打開，坐封后井口沒有溢流，洗井閥分體式結構的設計解決了洗井閥不自動歸位的問題。

2.2 應用效果分析

優化后纜控智能分注工藝穩定，井下設備運行正常，注水合格率長期保持在90%以上，通過高滲層注水精準控制，連通油井產油量基本保持不變，有效控制了含水上升率和自然遞減率，改善了薄差層動用程度低的狀況，砂巖吸水厚度提高4.3個百分點，其中表外儲層吸水厚度提高5.8個百分點，累計增油4.03萬t。現場試驗區塊油層吸水狀況變化數據見表2。

表2 油層吸水狀況變化Table 2 Changes of reservoir water absorption

3 結論

(1)通過優化纜控智能配水器、過電纜封隔器等配套工具，優化電纜與纜控智能配水器的連接工藝，工具使用壽命由優化前的600 d提高到855 d，提高了纜控智能分注工藝可靠性，為解決此類問題提供了技術方案。(2)纜控智能分注技術可靠性的提升，為下一步2 000口井規模的試驗區建設奠定基礎，有助于特高含水后期剩余油的挖潛，指導區塊開發，提高開發效果和效益。(3)為了進一步提高工藝可靠性，下步建議開展纜控智能配水器鋼體及內部密封組件耐酸、耐堿性能分析，研制在pH值為6～8內可應用的纜控配水器，提高工藝適應性。