海上油田電液聯控單管分層注聚技術研究

2024-03-29 09:50:34錢欽車傳睿任從坤張雪梅李德忠石瓊

石油機械 2024年3期

錢欽車傳睿任從坤張雪梅李德忠石瓊

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院)

0 引言

埕島油田主體已經進入三次采油開發階段，受主力油藏小層多、滲透率級差大、非均質性強等因素的影響，合注易出現層間干擾、地層堵塞及層間注聚不均衡等問題，影響開發效果，因此有必要開展精細分注。目前分層注聚工藝主要有同心雙管分注和空心單管分注。同心雙管注聚只能分注2層[1-2]，應用條件受限；空心單管分層注聚技術主要包括空心投撈注聚[3]、測調注聚[4-6]及預置電纜智能注聚等[7-8]。空心投撈注聚和測調注聚存在頻繁投撈、測調儀投撈不到位、費時費力、效率低等問題；預置電纜智能注聚存在測調儀扭矩小、配聚器調配困難、井下流量長期監測困難、有效期短等問題；不適于高作業成本的海上油田，難以推廣。為此，開發了電液復合聯控單管分層注聚技術。電控液驅技術在國內外發展很快，國外哈里伯頓、沙特阿美公司都有相關的產品；中海油開發了一種電控液驅分層注采控制系統[9]，最大外徑114 mm，通徑44 mm，可用于分層采油或分層注水，其節流單元為不同開度的圓孔，對聚合物剪切大，不能用于注聚井。本文研究的電液聯控技術充分利用了電控設備快速、集成化及液壓設備穩定性好、扭矩大的特點，采用液控配聚器實現大推力差異注入，特殊節流單元設計確保聚合物黏度，電液復合分控裝置一控多簡化管線數量，非接觸流量計實現長效流量監測，最大外徑95 mm，滿足了海上油田通徑108 mm防砂管內的“保黏、細分、長效”的注聚需求。

1 技術分析

1.1 管柱組成

國內外較為先進的井下分層控制注采技術可分為液控、電控、電-液一體化控制等3類[10-14]，一般用于精細分層采油和分層注水。本文將電液控制技術與細分注聚結合，創新了電液聯控單管分層注聚技術，實現全井筒保黏注入。

電液聯控單管分層注聚管柱主要包括井下安全閥、電液復合分控裝置、液控配聚器、熱傳導流量計、液控分層封隔器、低剪切防砂管柱等，結構如圖1所示。

圖1 電液聯控單管分層注聚管柱示意圖

1.2 原理

管柱主要包括分層防砂管柱和分層注聚管柱。防砂管柱采用海上大通徑機械掛濾防砂，濾砂管采用新型低剪切注聚用濾砂管；分注管柱在防砂魚腔上部安裝有電液分配裝置，電液分配裝置下部通過液控管線和電纜控制(至多4層)液控配聚器的分級調控，用內外封隔器把各層段隔開，每一層段對應一級液控配聚器和熱傳導流量計。分層注聚時，電液分配裝置打開需要調配的液控配聚器支路，地面加壓控制配聚器上的調節機構并通過讀取熱傳導流量計傳遞的數據進行各層流量調配，如圖2所示。

圖2 電液聯控單管分注工作原理

1.3 技術特點

(1)分注4層，液控配聚器調控力同電控相比提高4～7倍，節流壓差≤9 MPa，黏度保留率90%以上。

(2)電液復合控制方式結合了電、液技術的優點，簡化管柱結構、控制準確、實時顯示井下狀態和參數。

(3)井下非接觸式熱傳導流量測試技術實現了聚合物井下流量高精度、長期在線監測。

(4)可全井筒反洗井，有利于保證測調成功率和較好的注入能力。

2 配套工具設計

2.1 液控多級配聚器

2.1.1 結構及參數

液控式多級調節配聚器主要由液控總成、活塞控制機構、彈簧復位機構、水嘴調節機構、上接頭、下接頭等組成，結構如圖3所示。主要技術參數：最大下入深度1 500 m，直推力2 355 N，最大外徑93 mm，通徑40 mm，可調級數4級。

1—上接頭；2—外套；3—活塞；4—彈簧；5—連接套；6—節流芯子；7—注聚套。

2.1.2 工作原理

液控管線連接至上接頭的轉接頭處，通過地面加壓，活塞控制機構下移，壓縮彈簧，水嘴調節機構會沿著注聚套發生上下移動，此時波紋管節流芯子與波紋管節流套筒之間的節流間隙可以隨著節流芯子的上下移動而改變，從而改變聚合物流動摩阻，進而改變聚合物流動時的節流壓差，實現聚合物流量調節的目的。芯子拉桿到達上注聚套的最上與最下端時，設置限位機構。節流芯子上下兩端都有限位機構，避免了節流芯子與節流套筒的完全貼合，增大調節摩阻。同時，節流芯子的上端都有回位彈簧，泄壓后，在回位機構輔助下，實現節流芯子的自動復位。節流單元采用流線形梭桿式，單節閥芯的流線型結構能夠最大程度降低溶液剪切，見圖4。聚合物溶液流經閥芯時，過流面積的連續變化會在局部產生渦流，表現出節流壓差。試驗結果表明，聚合物過配聚器節流壓差最高可達9 MPa，黏度保留率90%以上，如圖5所示。

圖4 流線形節流單元結構圖

圖5 聚合物過液控配聚器黏度保留率及節流壓差

2.2 電液復合分控裝置

2.2.1 結構及參數

電液復合分控裝置可以實現1根液控管路實時分控井下多個液控工具，主要由控制電路、電控開關和分配盤3大部分構成，如圖6所示。主要技術參數：最大下深1 500 m，工作壓差35 MPa，控制層數4層，最大外徑150 mm，通徑50 mm。

1—保護套；2—液壓分配盤；3—電控開關；4—外筒；5—電路固定倉；6—防轉鍵；7—上接頭；8—上保護套；9—中心管。

2.2.2 工作原理

通過對比分析國內外油田井下電控滑套、井下液控開關等相關工具的優缺點[15-16]，確定了由1根液控管線提供液壓和1根電纜實現分層控制的技術路線。電液復合分控裝置安裝在分層段上方，地面給液控管線補壓到一定值。然后給井下電纜通電，傳指令給該裝置的控制系統，給其中一件電控開關供電，該電控開關通電后打開液流通道，地面給液控管線增壓或降壓，液壓油通過電控開關液流通道進入下部多級配聚器，實現配聚器的流量通道大小的調節或換層開采。電控開關斷電后液流通道關閉，液壓油截流。控制系統可分別給4件電控開關通電打開液流通道，然后分別給下部的配聚器提供液壓油增壓或降壓，如圖7所示。

圖7 電液復合裝置試驗流程圖

模擬85 ℃環境中裝置的信號、開關、穩壓等性能。模擬試驗結果表明：電控開關電控反應時間在5.8 s以內，液路加壓30～35 MPa，液壓密封良好，滿足現場“一控多”的液路分配需求。試驗數據如表1所示。

表1 電液復合分控裝置性能試驗

2.3 非接觸熱傳導流量計

2.3.1 結構及參數

海上單管分層注聚技術需采用適合聚合物溶液的高精度、長效井下流量測試。而傳統流量計比如電磁流量計容易產生漂移；超聲波流量計測量小流量難度大；壓差類流量計存在聚合物剪切，并且會占據或縮小中心通道，不利于后期投撈測試。上述流量計都無法滿足需求，因此研制了非接觸式熱傳導流量測試技術。圖8為熱傳導流量計結構圖。熱傳導流量計主要包括轉換接頭、電纜接頭、加熱模塊、隔熱模塊及電路倉體等。熱傳導流量計總長1 768 mm，最大外徑95 mm，工作壓力60 MPa，工作溫度125 ℃，溫度測量分辨率≥0.04 ℃，流量精度±4 F.S。

1—轉換接頭；2—電纜接頭；3—左隔熱塊；4—加熱支架；5—加熱帶；6—溫度傳感器A；7—右隔熱塊；8—溫度傳感器B；9—電路倉；10—溫度傳感器C。

2.3.2 工作原理

熱傳導流量計采用熱擴散和熱脈沖相結合的方法，利用高精度溫度檢測技術，分析流體流速對熱能擴散的影響，實現井下流量在線監測與配聚器調控的技術耦合，原理見圖9。在管壁上繞制加熱帶，利用加熱帶對管壁進行加熱，產生熱能，促使管內流體溫度發生變化。其加熱模塊包括左右2個工字形隔熱塊，2個隔熱塊中間為石墨烯加熱模塊，對石墨烯帶進行加熱，加熱模塊兩邊設有隔熱保護層，防止加熱模塊的溫度迅速擴散；在加熱模塊的下游不同距離處安裝有3個高精度溫度傳感器，用于檢測不同位置的溫度，通過分析3個溫度傳感器的溫差變化，結合溫差變化的時間，可實現流體流量的精確測量。可對石墨烯加熱模塊進行恒溫加熱和脈沖加熱。通過2種方式獲得的流量值相互補充和校正，從而獲得準確的流量。實驗室測試聚合物溶液流量數據和標定流量誤差在5%以內，見表2。

表2 熱傳導流量計實測數據

圖9 熱傳導流量計測試原理

熱傳導流量計設計了井地雙向通信模塊，確保井下溫度、流量等數據能夠實時上傳，控制命令能夠準確下發。它主要包含井下監測與地面控制2部分，地面控制箱通過單心鋼管電纜將直流電送到井下監測系統，井下監測系統將井下監測的溫度、壓力、流量等信息通過單心鋼管電纜傳輸到地面控制箱。地面控制箱通過USB線與計算機相連，計算機可以實現數據的精細化處理，地面系統所用芯片均滿足-40～85 ℃的耐溫要求，防爆等級為Exd Ⅱ BT4，防護等級為IP65。

3 現場試驗

截至2023年6月，電液聯控單管分層注聚技術在現場開展了3口井的現場試驗，分注2～3層，最大單層配注量120 m3/d，測調次數達21次。3口井均按照地質配注完成了測試調配，測試準確率達85%以上，驗證了該技術的可行性。

以注聚井A為例，該井2021年10月采用液電聯控分層注聚工藝完井，分注層數2層；2023年8月對各層流量進行調配，地面通過電液復合裝置液控加壓換層調節各層配注量，井下熱傳導流量計監測配注量。測試各小層注入量分別為42、85 m3/d，總注入量127 m3/d，配注間注入量135 m3/d，計量誤差6%，符合地質配注要求，見圖10。