趙仲浩 黃新春 張成富 丁德吉

(中海油能源發(fā)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(fā)的深入，大斜度井和水平井亟需分層開采實現(xiàn)穩(wěn)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(tài)監(jiān)測獨立操作，均需借助鋼絲、電纜作業(yè)配合，而鋼絲、電纜作業(yè)占用頂甲板，測調(diào)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(diào)實施難度大，部分井產(chǎn)能無法釋放，因此油田持續(xù)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和高效開發(fā)受到制約。

目前，國內(nèi)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(diào)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(xù)航能力限制，且不具備實時監(jiān)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(xiàn)分層開采，機械液壓控制組件不含電子元器件，工具穩(wěn)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(xiàn)場作業(yè)難度大；③井下電控在線測調(diào)分采技術，類似于電纜永置測調(diào)注水技術[10-11]，每一層段下入電控配產(chǎn)器并通過數(shù)據(jù)電纜與地面工控機連接，地面在線實時參數(shù)錄取和層位調(diào)控，Y型管柱限制電泵選型，且檢泵作業(yè)需將管柱提出，提高工具故障風險。

基于上述技術現(xiàn)狀和需求，在分析現(xiàn)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(chǎn)新技術的原理、裝置及其現(xiàn)場應用，為海上油田分層采油技術發(fā)展提供了新思路，同時也為海上油田智能完井技術發(fā)展奠定了基礎。

1 纜控對接式智能配產(chǎn)新技術原理與特點

1.1 管柱組成

纜控對接式智能配產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)井下高溫、高壓、高濕環(huán)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(jiān)控電腦，地面控制器通過電纜與井下各層電控配產(chǎn)器建立聯(lián)系，其技術參數(shù)為：套管φ177.8 mm及以上，防砂內(nèi)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(diào)分層數(shù)8層。

圖1 纜控對接式智能配產(chǎn)新技術管柱組成

1.2 技術原理

纜控對接式智能配產(chǎn)新技術管柱作業(yè)時，首先下入丟手分層管柱丟手并甩鉆，然后下入電泵生產(chǎn)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(chǎn)器通過電纜與地面控制器連接，實現(xiàn)供電、通信與數(shù)據(jù)傳輸。

電控配產(chǎn)器可實時監(jiān)測各生產(chǎn)層段的狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)借助電纜實時傳輸?shù)降孛婵刂破鞑⒂杀O(jiān)控電腦讀取顯示。當需要控制某層產(chǎn)液時，監(jiān)控電腦給地面控制器發(fā)出控制指令并由電纜最終傳輸?shù)侥硨拥碾娍嘏洚a(chǎn)器，電控配產(chǎn)器根據(jù)指令要求執(zhí)行油嘴調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)分層產(chǎn)液自動配產(chǎn)。當需要分層措施作業(yè)時，監(jiān)控電腦發(fā)出指令控制目的層段對應電控配產(chǎn)器油嘴打開、其余層段對應電控配產(chǎn)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(chǎn)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(yè)問題，管柱作業(yè)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(jù)套管尺寸及產(chǎn)量要求進行最優(yōu)化舉升設計，避免了Y型管柱或罐裝系統(tǒng)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(yè)時僅將電泵生產(chǎn)管柱起出，避免了丟手分層管柱作業(yè)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(chǎn)器，電纜地面供電直接驅動方式較井下高溫電池組穩(wěn)定性強、壽命長，此外電控配產(chǎn)器集成油嘴調(diào)控和參數(shù)(壓力、溫度)監(jiān)測功能，省去了流量調(diào)節(jié)和參數(shù)監(jiān)測2套獨立系統(tǒng)，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(chǎn)新技術配套工具設計

2.1 電控配產(chǎn)器

電控配產(chǎn)器是纜控對接式智能配產(chǎn)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(diào)節(jié)、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(tǒng)建立供電與通訊，其主要技術參數(shù)為：長度1 100 mm，外徑114 mm，內(nèi)通徑44 mm，耐壓60 MPa，耐溫150 ℃，單層最大產(chǎn)量500 m3/d。

圖2 電控配產(chǎn)器結構示意圖

電控配產(chǎn)器的工作原理為：當?shù)孛婵刂平K端發(fā)布指令后，電控配產(chǎn)器內(nèi)電機減速器總成轉動并帶動絲杠傳動組件運動，實現(xiàn)油嘴陶瓷閥動作，實現(xiàn)油嘴開度調(diào)節(jié)。電控配產(chǎn)器一次下井可長期工作，可根據(jù)需要對不同層段進行間歇性的層位產(chǎn)液調(diào)節(jié)和參數(shù)實時監(jiān)測，實現(xiàn)對油井生產(chǎn)的測調(diào)一體化。

1)電路控制模塊。電路控制模塊是電控配產(chǎn)器實現(xiàn)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(diào)制/解調(diào)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(chǎn)器在井下高溫環(huán)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(huán)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(chǎn)器電路控制模塊組成

2)油嘴調(diào)節(jié)模塊。油嘴調(diào)節(jié)模塊是電控配產(chǎn)器的動作執(zhí)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(chǎn)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(chǎn)直流電機，有效提高電機工作穩(wěn)定性和可靠性；油嘴閥采用三通結構設計，可以實現(xiàn)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(nèi)置霍爾傳感器和行程開關，可通過測量減速器轉動圈數(shù)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(diào)節(jié)的長期可靠性。經(jīng)過結構設計和理論計算，油嘴調(diào)節(jié)模塊技術參數(shù)為：流量調(diào)節(jié)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(chǎn)新技術的主要地面終端，包括電源供電、數(shù)據(jù)通信傳輸和單片機測控3部分，起到井下供電、數(shù)據(jù)通信傳輸和與監(jiān)控電腦通信的作用。地面控制器向上通過RS-485協(xié)議與監(jiān)控電腦通信，向下通過直流單纜變頻載波技術與電控配產(chǎn)器進行供電與通信，在接收到監(jiān)控電腦工作指令后，根據(jù)指令要求設定井下供電電壓并向下發(fā)送相應工作指令，接收井下上傳數(shù)據(jù)并轉發(fā)至監(jiān)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(huán)境；內(nèi)部線路采用全隔離設計，消除了現(xiàn)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(huán)境。地面控制器的主要技術參數(shù)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(huán)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(chǎn)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(xiàn)脫手，并預留對接模塊；公接頭連接在電泵生產(chǎn)管柱的最底端，并最終與已丟手的母接頭實現(xiàn)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(nèi)置球座，投球后液壓打掉球座實現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(shù)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(yè)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(nèi)部，電纜出線模塊外部與電泵生產(chǎn)管柱外側的電纜密封連接。公接頭的技術參數(shù)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(huán)境條件下，井下電纜濕對接裝置實現(xiàn)了丟手分層管柱和電泵生產(chǎn)管柱的硬對接與電纜軟連接，建立了電控配產(chǎn)器與地面控制器之間供電與通信橋梁，其對接狀態(tài)主要技術參數(shù)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(xiàn)場應用

纜控對接式智能配產(chǎn)新技術是對電控配產(chǎn)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(chuàng)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(shù)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(chǎn)技術的現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)器可實現(xiàn)通信及參數(shù)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(chǎn)器亦通信正常，各項電器參數(shù)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(chǎn)測試、壓力恢復測試和分層配產(chǎn)測試。測試發(fā)現(xiàn)：啟泵前后電控配產(chǎn)器可實時監(jiān)測各層位地層壓力和溫度數(shù)據(jù)；在關閉不同層位電控配產(chǎn)器油嘴后，電控配產(chǎn)器能夠監(jiān)測管外壓力變化；該井含水體積分數(shù)由92.5%下降到85.0%，達到了分層控水配產(chǎn)的目的。

4 結束語

纜控對接式智能配產(chǎn)新技術是針對海上油田大井斜井分層開采而提出的，其創(chuàng)新研制的井下電纜濕對接裝置可實現(xiàn)丟手分層管柱和電泵生產(chǎn)管柱在井下復雜環(huán)境的二次對接，從而建立井下電控配產(chǎn)器和地面控制器的供電與通信，實現(xiàn)遠程層位調(diào)節(jié)和生產(chǎn)測試。該技術已在渤海油田現(xiàn)場取得成功應用，對接后遠程通信、分層配產(chǎn)及生產(chǎn)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(fā)展提供了新思路，具有較好的推廣應用價值。