海上油田大排量高保粘注聚工作筒研制與評價

陳 征，寇 磊，張 樂，王 勝，黃澤超

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

目前，國內外還未開展過纜控智能系統分層注聚測調技術相關礦場試驗，但是在渤海油田電纜纜控智能系統分層注水技術已趨于成熟。該系統主要由井下電動測調工作筒、過電纜定位密封、過電纜插入密封、鋼管電纜、地面測調控制器及配套監控機和監控軟件組成，在地面測調控制器的控制下，可實時監測分層注水溫度、壓力、注入量，快速調整各注入層水嘴開度，達到分層驗封與分層吸水指數測試的目的，大大減少了注水井常規測調成本，同時實現注水數據的長期動態監測[1,2]。鑒于此，通過優化纜控智能配水器結構，研制了海上油田大排量高保粘智能注聚工作筒，提高測調效率和地層配注精度，降低作業成本，為提高海上油田化學驅提高采收率提供技術支撐。

1 海上油田分層注聚工藝技術現狀

海上油田注聚開發應用的分層注聚工藝包括地面多管、空心集成、一投三分、單管注聚等分注工藝，一定程度上滿足了生產需求，但仍存在以下問題：①地面多管分注工藝管柱復雜，分注層段數受限，節流處易積垢、結垢，腐蝕；②空心集成、一投三分分注工藝采用水嘴節流控制流量，聚合物溶液通過配注器時粘度損失大，達到40%～70%，同時其測調時需要鋼絲作業配合，測調效率低；③單管注聚分注工藝保粘效果好，但測調時仍需電纜作業配合，占用平臺作業窗口，且適用井斜小于60°[3,4]。因此，有必要研發纜控智能分層注聚的配套工具，實現可實時、直觀、精確監測井下參數變化，提高測控效率和地層配注效率，為海上油田化學驅提高采收率技術發展提供了新思路。

2 纜控智能測調工作筒研究

2.1 纜控智能測調工作筒設計

2.1.1 智能測調工作筒結構設計

智能測調工作筒是注聚井分層測調技術中關鍵的配套工具，主要由上接頭、流量測試模塊、電路系統、電機、減速器、摩阻管及下接頭等組成，根據地面控制器設置的層段注聚量調節智能測調工作筒摩阻管開度，達到符合層段注入量，同時將注聚量等數據上傳到地面，如圖1 所示。

圖1 注聚智能測調工作筒結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the polymer injection intelligent testing and adjustment work cylinder

2.1.2 智能測調工作筒技術參數設計

智能測調工作筒技術參數：工具采用偏心設計外徑114mm，內徑44mm，工作筒開度≥50%條件下，保粘率≥85%，流量單層最大排量≥500m3/d，測試誤差≤5%。

2.1.3 智能測調工作筒結構特點

1）全部電控組件均采用二次密封，包括電源電路板、限流電路板、主控電路板（包含電機控制）、溫壓監測板、電磁流量計電路板，儀器內部進液不會影響儀器的使用。

2）電纜接頭部分采用異形凹槽+異形膠墊結構設計，確保電纜固定，防止電纜脫出，減少電纜在接箍處被擠壓的風險。

3）流量計探頭采用多重密封，提高可靠性。電機絲杠與摩阻管連接處增加扶正裝置，防止拉偏。

表1 井下流量計對比分析表Table 1 Comparison and analysis table of underground flowmeters

2.2 摩阻管結構設計

2.2.1 結構組成

摩阻管為測調工作筒的唯一可動部件，由內外兩個摩阻管組成，最大限度地減小聚合物流經摩阻管時造成的剪切降解，保證了聚合物分子鏈及其粘度，出口采用氧化鋯陶瓷材料，耐沖蝕，如圖2 所示。

圖2 摩阻管結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of friction tube structure

2.2.2 保粘原理

當聚合物流經注聚智能測調工作筒內管時，聚合物經過內管出口進入摩阻管通道，同時由于環形通道連續擴縮管環空面積較大，單位聚合物的流速低，剪切速率低，因而對聚合物溶液剪切降解率低，使得聚合物粘度得到有效保留。聚合物溶液流經環形連續擴縮環空后，從智能測調工作筒的出口流入當前層位。

2.2.3 工作原理

摩阻管打開：電機帶動減速器逆時針旋轉，摩阻管的內管隨著減速器的轉動向上運動，與外摩阻管齒牙形成相對運動，內摩阻管與外摩阻管套間隙增大，聚合物劑流體阻尼降低，即調大注聚流量。

摩阻管關閉：電機帶動減速器順時針旋轉，摩阻管的內管隨著減速器的轉動向下運動，與外摩阻管齒牙形成相對運動，內摩阻管與外摩阻管套間隙減小，聚合物劑流體阻尼增加，即調小注聚流量。

2.3 流量測試模塊設計

研究的分層流量測試模塊與控制需要與總體結構相匹配，考慮到井下工作環境惡劣，且發生故障后不易維修等問題。設計的永置式測調系統其總體方案包括井下流量測調裝置的設計、電纜供電與載波通信、地面控制器、多層流量快速調配算法研究等4 個方面。

2.3.1 流量計的選擇

通過對目前井下常用的流量計對比分析，優選電磁流量計作為智能測調工作筒的流量測試模塊[5,6]。

2.3.2 電磁流量計的優點

1）在進行測量時，測量管非常通暢，對流體無阻礙，不會損失壓力。

2）磁場空間是感應電壓信號生成的基本前提，在安裝傳感器時，對直管長度無特別要求。

3）在同被測流體接觸方面，有電極、內襯，確保耐磨、耐腐蝕[7]。

3 室內評價試驗

聚合物經過注聚測調工作筒、測調控制工具會產生剪切而粘度值降低，本次試驗主要驗證海上使用注聚井測調工作筒在聚合物溶液經過后的保粘率情況。試驗采用注聚泵，在不同流量、壓力的情況下取工具前、后的聚合物溶液進行實驗，并在不同流量和壓力情況下對工具前、后聚合物溶液粘度的變化進行分析，同時對工作筒內的電磁流量計進行校驗，為海上聚合物驅油測調工作筒的優化提供參考。

3.1 試驗工藝流程

試驗流程主要由上水系統、配液撬裝設備、熟化罐、注聚泵、注聚測調工作筒、地面控制器及廢液回收罐組成。

3.2 試驗方案

試驗聚合物采用普通聚丙烯酰胺，目標液配制濃度1200mg/L，環境溫度為30℃，溶解熟化時間45min，測得聚合物母液粘度在40 mPa.s ～50 mPa.s。工具前取樣：從工具進液端取樣口取樣；工具后取樣：經過井下分注工具后，從取樣口取樣。

用30 方柱塞泵進行實驗，分別在流量為10m3/h、15m3/h、20m3/h、25m3/h 取樣實驗并記錄摩阻管前后壓力、粘度值數據。

1）地面控制器控制摩阻管全開，起泵，排量穩定在10m3/h，記錄水嘴前后壓力及流量并取樣，水嘴前后各取樣3 組。

圖3 注聚保粘試驗工藝流程Fig.3 Process flow of polymer injection and adhesive retention test

圖4 摩阻管在不同流量、開度下的保粘率Fig. 4 Viscosity retention rate of friction tube under Different flow rates and openings

2）執行摩阻管關閉指令，摩阻管開度設置為80%，再次記錄水嘴前后壓力及流量并取樣，水嘴前后各取樣3 組。

3）繼續執行摩阻管關閉指令，摩阻管開度設置為50%，再次記錄水嘴前后壓力及流量并取樣，水嘴前后各取樣3 組。

4）重復2）、3）操作方法，使摩阻管開度分別設置為45%、42%、40%、37%、35%、32%及30%，記錄摩阻管前后壓力及流量并取樣，摩阻管前后各取樣3 組，待摩阻管即將關閉時，泵壓若超過15MPa，則立即停泵。

5）采用1）、4）的步驟，分別完成排量在15m3/h、20m3/h、25m3/h 的試驗。

3.3 試驗結果

1）纜控智能注聚工作筒試驗結果表明：

圖5 電磁流量計標定試驗Fig.5 Calibration test of electromagnetic flow meter

① 注入量在10m3/h（240m3/d）時，測調工作筒水嘴開度從30%至全開，開度≥37%，粘率均在85%以上。其中，開度為37%時，保粘率為88.3%。

② 注入量在15m3/h（360m3/d）時，測調工作筒水嘴開度從32%至全開，開度≥37%，粘率均在85%以上。其中，開度為37%時，保粘率為86.1%。

③ 注入量在20m3/h（480m3/d）時，測調工作筒水嘴開度從35%至全開，開度≥42%，粘率均在85%以上。其中，開度為42%時，保粘率為85.2%。

④ 注入量在25m3/h（600m3/d）時，測調工作筒水嘴開度從37%至全開，開度≥45%，粘率均在85%以上。其中，開度為45%時，保粘率為89.8%。

纜控智能注聚在不同排量下：開度為50%以上，粘率均在85%以上，符合設計要求。

2）纜控智能注聚工作筒內電磁流量計校驗結果表明：

電磁流量計在聚合物溶液中標定實驗結果：不同流量下測試結果線性度較好，最大誤差為4.79%，最小為1.56%，平均誤差為2.97%。

4 結論

1）創新研制的纜控智能測調工作筒在整個試驗過程中測調控制工作穩定，可實現注聚井流量的實時監測及控制。

2）性能評價實驗表明，纜控智能注聚在不同排量下：開度為50%以上，粘率均在85%以上，滿足海上油田大排量注聚井的需求。

3）電磁流量計在聚合物溶液標定測試中，測試結果線性度較好，在≤600m3/d 條件下，誤差可控制在5%以內。

4）纜控智能測調工作筒成果研制為海上油田化學驅提高采收率提供強有力技術支持，具有較高的應用推廣價值。