海上油田分層采油井纜控對接式智能配產新技術*

趙仲浩 黃新春 張成富 丁德吉

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300456)

隨著海上油田開發的深入，大斜度井和水平井亟需分層開采實現穩油控水。為了解決層間矛盾和提高采收率，目前海上油田采油井普遍采用潛油電泵Y型管柱分采測試技術，層位控制和動態監測獨立操作，均需借助鋼絲、電纜作業配合，而鋼絲、電纜作業占用頂甲板，測調時效低、成本高，只適用于井斜60°以下井[1-3]，但由于海上油田大斜度井和水平井的分層控制測調實施難度大，部分井產能無法釋放，因此油田持續增產穩產和高效開發受到制約。

目前，國內外適用于大井斜井的分采方法主要分為3類：①井下液壓開關調層分采技術[4-6]，在下入含有壓控開關器的分層開采管柱后，由地面泵壓控制井下開關動作，不動管柱遠程操控，但壓控開關器使用壽命受高溫電池續航能力限制，且不具備實時監測功能；②井下液力控制分采技術[7-9]，下入井下流量控制閥配合液壓解碼器實現分層開采，機械液壓控制組件不含電子元器件，工具穩定性高，但線纜穿越、保護與密封技術復雜，整體管柱結構集成多，現場作業難度大；③井下電控在線測調分采技術，類似于電纜永置測調注水技術[10-11]，每一層段下入電控配產器并通過數據電纜與地面工控機連接，地面在線實時參數錄取和層位調控，Y型管柱限制電泵選型，且檢泵作業需將管柱提出，提高工具故障風險。

基于上述技術現狀和需求，在分析現有分采技術不足的基礎上，本文介紹適用于海上油田分層采油井纜控對接式智能配產新技術的原理、裝置及其現場應用，為海上油田分層采油技術發展提供了新思路，同時也為海上油田智能完井技術發展奠定了基礎。

1 纜控對接式智能配產新技術原理與特點

1.1 管柱組成

纜控對接式智能配產新技術管柱主要由地面控制和井下管柱2部分組成，其中井下管柱又包括電泵生產管柱和丟手分層管柱(圖1)。井下管柱可在井下電纜濕對接裝置作用下，實現井下高溫、高壓、高濕環境的管柱硬連接和電纜密封絕緣導電軟連接。地面控制部分包括地面控制器和監控電腦，地面控制器通過電纜與井下各層電控配產器建立聯系，其技術參數為：套管φ177.8 mm及以上，防砂內通徑76.2 mm及以上，井斜不限，整體耐壓60 MPa，耐溫150 ℃，單層最大排量500 m3/d，壓力測量量程(0～60±0.2)MPa，溫度測量量程(0～150±0.2)℃，最大可調分層數8層。

圖1 纜控對接式智能配產新技術管柱組成

1.2 技術原理

纜控對接式智能配產新技術管柱作業時，首先下入丟手分層管柱丟手并甩鉆，然后下入電泵生產管柱到位后進行管柱二次對接，對接完成后設置在每層的電控配產器通過電纜與地面控制器連接，實現供電、通信與數據傳輸。

電控配產器可實時監測各生產層段的狀態參數，監測數據借助電纜實時傳輸到地面控制器并由監控電腦讀取顯示。當需要控制某層產液時，監控電腦給地面控制器發出控制指令并由電纜最終傳輸到某層的電控配產器，電控配產器根據指令要求執行油嘴調節從而實現分層產液自動配產。當需要分層措施作業時，監控電腦發出指令控制目的層段對應電控配產器油嘴打開、其余層段對應電控配產器油嘴關閉即可。

1.3 技術特點

1)井況適應性好。纜控對接式智能配產技術借助井下電纜濕對接技術可以很好地適應大斜度井和水平井，可以避免一趟管柱遇阻、遇卡而帶來的大修作業問題，管柱作業安全性好，此外可適用于各種套管類型和完井通徑尺寸，井況適應性和通用性好。

2)電泵匹配性好。電泵機組底端懸掛管串，不占用電泵徑向空間，電泵選型設計范圍寬，可以根據套管尺寸及產量要求進行最優化舉升設計，避免了Y型管柱或罐裝系統帶來的電泵選型受限問題，提高電泵運行壽命，而且檢泵作業時僅將電泵生產管柱起出，避免了丟手分層管柱作業帶來的工具可靠性降低的潛在風險。

3)技術集成少、可靠度高。新技術下入單根電纜最多可控制8層的電控配產器，電纜地面供電直接驅動方式較井下高溫電池組穩定性強、壽命長，此外電控配產器集成油嘴調控和參數(壓力、溫度)監測功能，省去了流量調節和參數監測2套獨立系統，因而較其他分采工藝集成少、可靠度高。

2 纜控對接式智能配產新技術配套工具設計

2.1 電控配產器

電控配產器是纜控對接式智能配產新技術的核心工具，其結構如圖2所示，主要包括電路控制、油嘴調節、溫壓測試和電纜密封4個模塊，通過電纜載波方式與地面控制系統建立供電與通訊，其主要技術參數為：長度1 100 mm，外徑114 mm，內通徑44 mm，耐壓60 MPa，耐溫150 ℃，單層最大產量500 m3/d。

圖2 電控配產器結構示意圖

電控配產器的工作原理為：當地面控制終端發布指令后，電控配產器內電機減速器總成轉動并帶動絲杠傳動組件運動，實現油嘴陶瓷閥動作，實現油嘴開度調節。電控配產器一次下井可長期工作，可根據需要對不同層段進行間歇性的層位產液調節和參數實時監測，實現對油井生產的測調一體化。

1)電路控制模塊。電路控制模塊是電控配產器實現信息化自動化的控制中樞，主要包括單片機(含測控程序)、信號調制/解調單元、電機控制單元和電源管理模塊等(圖3)。為了保證電控配產器在井下高溫環境工作的長期可靠性，所使用的電子元器件的耐溫級別均在150 ℃以上；焊接前通過二次篩選，同時線路板采用環氧樹脂材質的雙層結構，降低高溫條件使用故障率；此外成型線路板在焊接完成后進行高溫老化性能試驗，以驗證高溫工作可靠性。

圖3 電控配產器電路控制模塊組成

2)油嘴調節模塊。油嘴調節模塊是電控配產器的動作執行機構，主要包括電機減速器總成、絲杠傳動組件、油嘴閥、行程開關、霍爾傳感器、磁鋼等。由于進口直流電機工作電流較國產直流電機低20%，且扭矩增加25%，因此采用進口直流電機替代國產直流電機，有效提高電機工作穩定性和可靠性；油嘴閥采用三通結構設計，可以實現流量-壓力線性指征關系，同時設置壓力平衡結構，保證了油嘴閥25 MPa開啟壓差；閥套、閥芯選擇氮化硅陶瓷材質，耐酸蝕性能好，提高油井酸化可靠性；內置霍爾傳感器和行程開關，可通過測量減速器轉動圈數而計算油嘴開度，配合控制電路的限流和短路保護，最大程度保證油嘴調節的長期可靠性。經過結構設計和理論計算，油嘴調節模塊技術參數為：流量調節0～500 m3/d，最大開啟壓差25 MPa，最大開度φ16 mm，最大行程32 mm。

2.2 地面控制器

地面控制器是纜控對接式智能配產新技術的主要地面終端，包括電源供電、數據通信傳輸和單片機測控3部分，起到井下供電、數據通信傳輸和與監控電腦通信的作用。地面控制器向上通過RS-485協議與監控電腦通信，向下通過直流單纜變頻載波技術與電控配產器進行供電與通信，在接收到監控電腦工作指令后，根據指令要求設定井下供電電壓并向下發送相應工作指令，接收井下上傳數據并轉發至監控電腦。

地面控制器安置于海上平臺井口位置，外部機殼采用不銹鋼材質并涂覆防護清漆，適用于海洋鹽霧腐蝕環境；內部線路采用全隔離設計，消除了現場電磁輻射干擾通信問題；采用耐高低溫設計，以及防腐隔爆滿足海上惡劣工作環境。地面控制器的主要技術參數為：外形尺寸500 mm×500 mm×250 mm，輸入電源50～220 V AC，輸出電源50～220 V DC，防爆等級Exd II BT 4，防護等級IP 55～56，工作環境溫度-40～65 ℃。

2.3 井下電纜濕對接裝置

井下電纜濕對接裝置是纜控對接式智能配產新技術的關鍵工具，包括母接頭和公接頭，其中母接頭連接在丟手分層管柱的最上端，管柱到位后可實現脫手，并預留對接模塊；公接頭連接在電泵生產管柱的最底端，并最終與已丟手的母接頭實現濕式對接。

1)母接頭主要由丟手、打撈、濕對接母和電纜出線4個模塊組成(圖4)。丟手模塊內置球座，投球后液壓打掉球座實現脫手；打撈模塊預留打撈筒；濕對接母模塊位于打撈模塊下部，內部設置有導電體和絕緣體，導電體通過引線連接至電纜出線模塊內部；電纜出線模塊外部與丟手分層管柱外側的電纜密封連接。母接頭的技術參數為：長度1 422 mm，外徑150 mm，丟手壓力12～14 MPa，耐壓35 MPa，耐溫150 ℃，連接扣型73.025 mm UP TBG。

圖4 井下電纜濕對接裝置母接頭結構示意圖

2)公接頭主要由導向扶正、電纜出線和濕對接公3個模塊組成(圖5)。導向扶正模塊能夠保證管柱作業過程中濕對接公模塊的居中性，避免濕對接公模塊與管壁接觸摩擦造成密封損壞；濕對接公模塊設置有導電體和絕緣體，到位后可分別與母接頭的濕對接母模塊導電體、絕緣體形成導電密封絕緣；導電體通過引線連接至電纜出線模塊內部，電纜出線模塊外部與電泵生產管柱外側的電纜密封連接。公接頭的技術參數為：長度1 667 mm，外徑150 mm，耐壓35 MPa，耐溫150 ℃，連接扣型73.025 mm UP TBG。

圖5 井下電纜濕對接裝置公接頭結構示意圖

在井下高溫、高壓、高濕的環境條件下，井下電纜濕對接裝置實現了丟手分層管柱和電泵生產管柱的硬對接與電纜軟連接，建立了電控配產器與地面控制器之間供電與通信橋梁，其對接狀態主要技術參數為：最大導電電壓200 V DC，最大導電電流2 A，壓力35 MPa的絕緣阻值不小于50 MΩ。

3 現場應用

纜控對接式智能配產新技術是對電控配產器、地面控制器、井下電纜濕對接裝置等3個關鍵核心工具的創新設計。截至2022年7月，該技術已在渤海油田成功應用4井次，最大分層數4層，最大井斜65.44°，最大井深2 025 m。這里以渤海某油田A井為例，介紹纜控對接式智能配產技術的現場應用。

渤海某油田A井為三段礫石充填防砂完井，于2019年應用纜控對接式智能配產新技術。該井為三段礫石充填防砂完井，最大井斜61°，最大井深1 950 m，設計泵掛深度1 484.5 m，丟手對接位置1 550 m。

1)施工過程。丟手分層管柱下到預定位置后投球入座，正打壓13.4 MPa完成丟手；然后下入電泵生產管柱，管柱下至距離對接點10 m以上位置時，緩慢下探4.5 t后判定管柱已對接到位，此時地面控制器上電，已入井的各層段電控配產器可實現通信及參數測試；配長坐掛后安裝采油樹，井口電纜通過防爆線連接至地面控制器，此時地面控制器再次上電與電控配產器亦通信正常，各項電器參數正常，說明管柱已對接成功。

2)應用效果。為檢驗新技術應用效果，對該井進行了生產測試、壓力恢復測試和分層配產測試。測試發現：啟泵前后電控配產器可實時監測各層位地層壓力和溫度數據；在關閉不同層位電控配產器油嘴后，電控配產器能夠監測管外壓力變化；該井含水體積分數由92.5%下降到85.0%，達到了分層控水配產的目的。

4 結束語

纜控對接式智能配產新技術是針對海上油田大井斜井分層開采而提出的，其創新研制的井下電纜濕對接裝置可實現丟手分層管柱和電泵生產管柱在井下復雜環境的二次對接，從而建立井下電控配產器和地面控制器的供電與通信，實現遠程層位調節和生產測試。該技術已在渤海油田現場取得成功應用，對接后遠程通信、分層配產及生產測試正常，成為海上油田大斜度井和水平井分層控水采油的新手段，也為海上油田分層采油技術發展提供了新思路，具有較好的推廣應用價值。