渤海油田高溫智能分注裝置可靠性研究與應用

摘 要 開展了高溫智能分注技術研究，結合永置式井下儀器長效工作的特點，開發了高溫智能分注工作筒。采用高溫電機驅動、耐腐蝕結構材料、高溫耐壓密封設計等技術，實現了高溫智能分注工作筒在150 ℃高溫注水井下的長期有效穩定工作，提高了工藝可靠性，實現了井下注水流量、溫度、壓力等參數的實時監測。

關鍵詞 高溫注水井 精細分層注水 智能分注 高溫耐壓密封

中圖分類號 TH81"" 文獻標志碼 B"" 文章編號 10003932（2024）05093406

渤海油田絕大部分油藏具有儲層跨距大、小層多、非均質性突出等特點，分層注水開發是確保渤海油田長期穩產增產的重要開發方式［1］，目前有分層注水井750余口，隨著海上油田側鉆井、套管補貼井和油井轉注需求的增加，小通徑注水井勢必逐漸增多，未來將成為海上油田重要的一類分層注水井［2］。截至2021年年底，智能分注技術已在渤海20余個油田累計應用200余井次，初步解決了注水井測調效率低的問題，實現了井下流量、壓力及溫度等參數的在線監測和控制。

目前，渤海油田深井與高溫高壓井中分層注水細分程度不高，且無法適應長期高溫環境。針對渤海油田高溫油藏（120～150 ℃）未實現高效測調的問題，通過研究一種高溫智能分注技術裝置，擴大智能分注技術的適用范圍，從而實現渤海油田高溫注水井的高效測調。

1 工藝原理及裝置設計

高溫智能測調系統（圖1）主要由高溫智能分注工作筒、地面控制器、上位機軟件和配套工具組成。系統每層都安裝有高溫智能分注工作筒，層間用封隔器隔開，地面與井下高溫智能分注工作筒通過單芯電纜連接，從而進行供電與數據通信。

1.1 測調原理

高溫智能分注工作裝置長期工作于井下，可實現分層注入流量、壓力、溫度的長期實時監測，并根據預設周期與預設流量自動進行分層流量測調，當水嘴關閉時進行地層恢復壓力測試。地面控制器通過電纜連接井下高溫智能分注工作筒［3］，從而實現數據直讀、實時控制、監測及存儲等功能。

1.2 裝置設計

裝置注入液體的路徑：根據圖1中的藍色箭頭指示，注入液體從上接頭流入，經過偏心過流通道之后進入下接頭，液體在下接頭中分為兩部分，一部分液體從下接頭流出儀器，進入了下一注水層；另一部分液體則經過流量計后從水嘴流出儀器，進入了地層。其中，如圖2所示的水嘴組件主要由密封塞、高溫電機、傳動機構、密封機構及閥芯等部分組成，整個水嘴組件安裝在下接頭上。

水嘴組件技術參數如下：

最大外徑 32 mm

水嘴行程 40 mm

最大調控壓差 不小于20 MPa

閥芯直徑 18 mm

高溫智能分注工作筒的水嘴由一臺高溫電機驅動［4］，高溫電機轉動帶動傳動機構運行，將電機的轉動轉化為直線運動，從而帶動水嘴閥芯在水嘴中進行往復運動，完成水嘴開度的調節，實現注水流量調節功能［5］。

2 可靠性及適應性研究

高溫智能分注工作筒在實際應用中需要適用于高溫（150 ℃）、高壓（70 MPa）、振動等惡劣工況，同時具備耐酸腐蝕、耐微壓裂等增產增注措施［6］。因此，儀器的可靠性研究將從材料耐腐蝕性能、高溫電機可靠性分析、高溫耐壓密封可靠性分析等方面展開。

2.1 結構材料耐腐蝕性能驗證

高溫智能分注工作筒材質的耐腐蝕性能十分關鍵，筆者將普通智能分注工作筒所用的174PH材質和Inconel 718材質進行酸化對比試驗，以優選出耐腐蝕性好的材料。

174PH材質的腐蝕試驗質量損失結果匯總于表1。

Inconel 718是含有鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，Inconel 718鐵合金中含有50%以上的鎳元素、20%左右的鉻元素和3%左右的鉬元素，在650 ℃溫度以下時具有強度高和韌性好的優點，并且在高低溫環境中均具有耐腐蝕性。由于在700 ℃時具有高溫強度和優秀的耐腐蝕性能且易加工，因此被廣泛應用于各種高要求的場合，例如低溫工程、核工程及油氣行業等。Inconel 718材質腐蝕試驗前后的外觀及質量損失結果如圖3、表2所示。

結合表1、2可以看出，Inconel 718材質具有更好的耐腐蝕性。

2.2 高溫耐壓密封可靠性分析

鑒于儀器在井下長期工作，故需要對密封圈進行耐150 ℃的高壓密封性測試［7］。對密封圈樣品進行尺寸規格檢驗、高溫高壓情況下的壓縮永久變形試驗和低溫后的恢復性試驗，結果見表3。可以看出，VG109密封圈經過高溫高壓試驗后壓縮變形率在3.4%～4.9%之間，完全滿足長期高溫高壓密封要求，因此實際應用時優選VG109密封圈。

2.3 高溫電機可靠性分析

高溫智能分注工作筒涉及的關鍵零部件主要有高溫電機和高溫壓力傳感器［8］，兩者的標稱工作溫度均達到150 ℃，有力地支撐了儀器的高溫工作能力。在儀器生產和驗證的過程中，對高溫電機進行各溫度段下的扭矩測試、電機高溫存儲試驗、電機高溫帶電測試，以驗證電機的可靠性［9］。高溫智能分注工作筒選用的高溫電機為定制產品，其技術指標具體如下：

工作電壓 48 V

轉速 不小于2 r/min

最大扭矩 6 N·m

外徑 26 mm

最高工作溫度 150 ℃

將電機安裝在扭矩測試工裝上，供電后接在扭矩測試儀上，然后將電機置于烘箱內，分別設定溫度為室溫、100、125、150 ℃，保溫1 h后進行測試，記錄各扭矩下的電流值，讀取3次數值，結果取平均值（表4）。

2.4 高溫驗封組件結構可靠性設計分析

2.4.1 結構

驗封組件（圖4）由單芯密封塞、主控及限流電路、電機控制電路、傳感器組件、傳感器接頭等部分組成［10］。其中，傳感器組件選用進口高溫壓力傳感器［11］。

2.4.2 工作原理

驗封組件中的電路板可實現儀器與外部BUS線的隔離和限流保護，儀器的通信、控制、壓力、溫度、流量等參數的高精度采集，以及電機驅動等功能。驗封組件中集成了溫度傳感器和壓力傳感器組件，通過配合電路和差壓式流量傳感器裝置，實現井下數據的采集功能。

2.4.3 防腐蝕設計

高溫智能分注工作筒的關鍵零部件（包括上接頭、下接頭、中心過流管及閥芯傳動桿等）選用Inconel 718材料，對于一些非承載零件（二次密封護筒）選用的是316L不銹鋼，無需進行表面處理，可以滿足現場耐酸腐蝕、耐微壓裂等增產增注措施的要求。

2.4.4 外護管強度驗證

通過仿真，外護管加外壓70 MPa，螺紋及密封面固定，最大應力833 MPa，最大應力點為兩個內孔過渡處，如圖5所示，滿足設計要求。

3 模擬井高溫高壓試驗驗證

為驗證邊測邊調注水工藝在海上高溫油藏實現分層測調注水時的可靠性，開展150 ℃高溫和70 MPa高壓模擬井筒試驗，驗證注水工藝和工具在高溫高壓工況下的工作性能。

3.1 試驗流程

如圖6所示，先將測調工作筒連接短節后放入7 in（1 in=25.4 mm）套管工裝內，與7 in套管工裝整體置于模擬井筒內，地面打壓設備配套管線連接7 in套管工裝，儲油罐連接模擬井筒，加溫裝置連接模擬井筒。其中，打壓設備用于7 in套管工裝打壓，儲油罐連接模擬井筒用于輸入和回收導熱油，加溫裝置加熱導熱油，保證整體溫度環境。

3.2 試驗結果

試驗中，將7 in套管工裝放入模擬井筒，測試通信正常后，對7 in套管工裝進行打壓測試，逐級打壓至70 MPa后穩壓15 min，測試儀器通信正常，空轉時地面電流范圍在46～49 mA，處于正常范圍內。

加溫加壓后記錄儀器開關水嘴數據，填寫測試數據表（表5）。由表5可以看出，開關水嘴電流在75～95 mA之間，處于正常范圍內（電機正常工作電流為10～200 mA），滿足高溫分層測調注水需求，證明了邊測邊調注水工藝具備150 ℃、70 MPa環境下分層測調注水能力。

4 高溫智能分注技術現場應用

以渤海某油田的B30井為例，射孔層位于東三段Ⅰ油組和Ⅱ油組，分四段防砂。該井完井井深4 001 m，最大井斜49.27°，完井方式為7 in尾管射孔。目前，鄰井A40井和B29井均為衰竭開發階段，A40井井底流壓從23 MPa下降至19.3 MPa，B29井井底流壓下降顯著，從10.68 MPa下降至4.62 MPa，需要補充地層能量。為了補充A40井區東三段地層能量、實現分層配注，對B30井實施轉注，原采用Y型分采生產管柱，為了實現精細注水，現已更換為分層配注智能分注管柱，其工藝技術參數列于表6。現場應用結果表明，高溫智能分注工作筒取得了較好的應用效果，可靠性和適用性得到了進一步驗證。

截至目前，高溫智能分注技術在渤海油田完成現場成果轉化3井次（表7），平均運轉416 d，且持續有效。實施井中，最大井深4 001 m，最高溫度131 ℃，最大井斜48.18°，最大分注層數5層，累計實施分層調配10井次，各層段的注水量均滿足油藏配注要求，層段合格率100%。

5 結論

5.1 通過對高溫智能分注技術的研究，形成高溫纜控方案，完成高溫纜控智能分注工作筒試制、試驗井試驗，順利下管柱作業，驗證了高溫智能分注工具在實際生產環境下的可靠性。

5.2 針對對纜控智能測調工藝，開發了高溫智能分注工作筒，通過了耐150 ℃的高壓密封性設計與測試、各溫度段下的扭矩測試以及高溫電機驅動選型測試等可靠性驗證。

5.3 現場應用證明了高溫智能分注工作筒可在150 ℃左右的高溫注水井下工作，實現了井下注水流量溫度、壓力等參數的實時監測，為油藏開發決策提供了參考。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-08-14，修回日期：2024-08-05）