賀亞維，宋顯民，楊 迪，王 芳

(1.延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安716000;2.中國石油冀東油田，河北唐山063004)

0 引言

采油井在多層同時射開合采時，往往存在高壓層抑制低壓層生產(chǎn)、高含水層抑制低含水油層生產(chǎn)等層間相互干擾現(xiàn)象，層間干擾程度是由壓力、深度、縱向分布狀況等層間差異決定的，若層間差異大則層間干擾嚴重，不易控制;若層間差異小則層間干擾程度較輕，易于控制［1-5］。

層間異差較小主要表現(xiàn)為層間壓力差異小、深度差異小、分布方式也較簡單(如高壓水層-低壓油層-高壓水層)等，目前不動管柱液壓換層分采等措施能夠很好地解決層間差異小所造成的層間干擾問題［6-8］。

層間差異大表現(xiàn)為:一是各層間壓力差異大，有的達到15 MPa以上;二是各層之間深度差異大，有的達到1 000 m以上;三是低壓油層和高壓水層縱向上交錯分布，如一些井由上到下呈現(xiàn)出:低壓油層-高壓水層-低壓油層-高壓水層-低壓油層等，這種情況目前在一些油田廣泛存在［9-13］。

針對這一狀況，最優(yōu)分層采油理念是:一是抗干擾液壓換層操作理念，即分層采油管柱的各控制器的井口控制壓力不受層間的壓力差異和深度差異影響，在地面上可驗證開關(guān)器換向動作是否到位，多次打壓的地面操作連續(xù)高效，提高換向操作的準確性和可靠性;二是各段組合開采理念，即能夠?qū)⒖v向上交錯分布的低壓油層挑出來組合起來進行開采，并全部關(guān)閉高壓水層，則可充分發(fā)揮油井潛力，避免單層單段的低效生產(chǎn)。但目前分采管柱不符合最優(yōu)分層采油理念，主要表現(xiàn)為:各開關(guān)器的換向動作及井口控制壓力與層間的壓力差異和深度差異有關(guān)，當(dāng)某段地層壓力高時或地層深度大時則井口需要的控制壓力高，否則所需的控制壓力低，當(dāng)井口打壓后卸壓時，各開關(guān)器又不能同步恢復(fù)或同步換向;在地面上無法確認或驗證各開關(guān)器是否動作或動作到位，只是假定每一次打壓都是有效的，一次打壓后動作不到位將導(dǎo)致后期所有開關(guān)狀態(tài)發(fā)生混亂;各層開啟狀態(tài)較單一，一般只能各段逐層開啟或全開全閉，不能充分發(fā)揮油井的產(chǎn)能。每次打壓后換向，有的開關(guān)器停壓即可恢復(fù)，而有的開關(guān)器還需抽空液面操作，花費時間和操作費用較多。為此研究新型抗干擾分層采油工藝［14-18］。

1 抗干擾液壓換層分采技術(shù)原理

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

通用分層采油管柱結(jié)構(gòu)為(以3段為例):絲堵+下段控制器+封隔器+中段控制器+封隔器+上段控制器+封隔器+丟手工具。分采管柱通過封隔器將地層分成若干段，每一段設(shè)置一個控制器，并在地面打壓驅(qū)動控制器進行開關(guān)動作，各種開關(guān)狀態(tài)由總打壓次數(shù)決定，從而實現(xiàn)對所在層段生產(chǎn)控制。

1.2 分采控制器結(jié)構(gòu)

分采控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上接頭①、上外套②、擋桿③、滑環(huán)④、滑環(huán)彈簧⑤、上滑套⑥、防砂網(wǎng)⑦、單向閥⑧、單向閥彈簧⑨、下滑套⑩、剪釘?、限位滑套?、定位銷釘?、支撐活塞?、復(fù)位彈簧?、下外套?、彈簧力調(diào)節(jié)套?、擋環(huán)?、下接頭?構(gòu)成。其中下外套?底端帶有半圓形槽?。具體分為4部分:一是固定部分，由上接頭①、上外套②、防砂網(wǎng)⑦、定位銷釘?、下外套?、彈簧力調(diào)節(jié)套?、擋環(huán)?、下接頭?構(gòu)成;二是滑移機構(gòu)，包括示位滑移部分(位于上滑套上端面內(nèi)的環(huán)形槽內(nèi)，由滑環(huán)④、滑環(huán)彈簧⑤構(gòu)成)和總滑移部分(由上滑套、單向閥⑧、單向閥彈簧⑨、下滑套⑩、限位滑套?、支撐活塞?構(gòu)成)，三是總滑移復(fù)位機構(gòu)，由復(fù)位彈簧?、彈簧力調(diào)節(jié)套?構(gòu)成;四是單向進液機構(gòu)，在滑移機構(gòu)內(nèi)部，安裝于下滑套⑥和下滑套⑩之間，由上滑套⑥下部的進液孔、單向閥⑧、單向閥彈簧⑨構(gòu)成。

圖1 分采控制器開關(guān)狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram for the state structure of separate mining controller

1.3 打壓換向及狀態(tài)控制操作原理

控制器打壓換向原理:固定機構(gòu)和滑移機構(gòu)的相對位置由限位滑套?外側(cè)的長短槽和定位銷釘?(固定于下外套處)的相對位置來確定的，控制器原始狀態(tài)為開啟狀態(tài)。首先地面打壓驅(qū)動封隔器座封，同時液壓驅(qū)動滑移機構(gòu)剪斷剪釘?并相對于定位銷釘?向下移動，定位銷釘?由限位滑套?外側(cè)一組豎槽的最下端移到達最上端;地面瀉壓后，復(fù)位彈簧?驅(qū)動滑移機構(gòu)上移，定位銷釘?由限位滑套?外側(cè)該組豎槽的最上端移到鄰近下一組豎槽的最下端。當(dāng)定位銷釘?處于長槽最下端時，上滑套⑥的入液孔對應(yīng)于上外套②的開口處，控制器處于開啟狀態(tài);當(dāng)定位銷釘?處于短槽最下端時，上滑套⑥的入液孔對應(yīng)于上外套②的開口處下部封閉本體處，控制器處于為關(guān)閉狀態(tài)。

分采井狀態(tài)控制原理:當(dāng)多段分采時，各個分采控制器的限位滑套?外側(cè)長短槽的順序及組合配置決定了打壓次數(shù)與控制器開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)不同分段數(shù)和開啟狀態(tài)組合，各個控制器限位滑套?外側(cè)的長短槽個數(shù)及配置是不同的，三段分采時的控制器徑向上存在8組豎槽，四段分采時的控制器徑向存在16組豎槽。以三段分采為例，為實現(xiàn)見表1所示的打壓次數(shù)與各段開關(guān)狀態(tài)關(guān)系，則設(shè)計的3個控制器的限位滑套外側(cè)長短槽配置及限位銷釘所處位置如圖2所示。

表1 三段分采情況下打壓次數(shù)與控制器開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Strike number and controller switch state under the selective mining of three segments

圖2 三段分采時的各控制器長短槽配置及限位銷釘位置的示意圖Fig.2 Diagram for the chute specification of the controller under three phase selective mining

1.4 各段壓力差異和深度差異的平衡原理

1.4.1 壓力平衡機構(gòu)原理

開關(guān)器設(shè)置了地層壓力平衡機構(gòu)，在地層壓力作用下，滑移機構(gòu)的上部受經(jīng)由防砂網(wǎng)⑦、上外套②的入液孔導(dǎo)入的地層壓力向下作用于臺階A2向下作用力，滑移機構(gòu)的下部的支撐活塞?受經(jīng)由下外套?的半圓形槽?進入彈簧腔的地層壓力的向上作用力作用于A3面，由于作用于滑移機構(gòu)的向上和向下的力相等而互相抵消掉，因此開關(guān)器的地面操作壓力與地層壓力無關(guān)。

1.4.2 深度差異的平衡機構(gòu)

開關(guān)器設(shè)置了深度差異消除機構(gòu):與油管壓力有關(guān)和上部打壓及液柱深度有關(guān)，通過彈力調(diào)節(jié)套機構(gòu)來解決，彈力調(diào)節(jié)套?與擋環(huán)?通過螺紋連接，當(dāng)下井之前，根據(jù)各段之間的深度差異，通過調(diào)節(jié)桿插入調(diào)節(jié)套?的外側(cè)孔并徑向轉(zhuǎn)動，使調(diào)節(jié)套的頂部相對于擋環(huán)向上或向下移動，從而壓縮或釋放彈簧，調(diào)節(jié)彈簧彈力，最終消除各段深度差異對各段開關(guān)器影響。

1.4.3 理論分析

假定:當(dāng)液面低于或等于井口位置時，活動機構(gòu)無位移;當(dāng)液面在井口位置且井口打壓壓力大于0時，活動機構(gòu)產(chǎn)生向下位移。

符號說明:Pkb為標準深度控制器井口控制壓力;Pki為第i分采段控制器井口控制壓力;Py為液柱壓力;Pdb為地層壓力;Nt為彈簧力;k為彈簧彈性系數(shù);Hb為多個分采層中設(shè)計的標準深度，已知量;X0為彈簧自由長度，X1為彈簧初始壓縮長度，X2為彈簧地面打壓后的壓縮長度;X2i為第i分采段控制器彈簧地面打壓后的壓縮長度;Pdi為第i分采段地層壓力;ΔH為第i分采段距Hb值的差值，加深為正;ΔXi為處于第i分采段時，需用調(diào)節(jié)套調(diào)節(jié)的長度，即與X1的差值，伸長為正、縮短為負。

開關(guān)器總滑移機構(gòu)的受力分析:受力面為四個端面(如圖1所示)，一是上滑套⑥的上環(huán)形端面A1，受力Pkb(或Pki)+Py，向下方向;二是上滑套⑥外側(cè)臺階面A2，受力Pdb(或Pdi)，向下方向;三是支撐活塞?下端面A3，受力Pdb(或Pdi)及Nt，向上方向;四是下滑套⑩的下端面A4，受力Pkb(或Pki)+Py，向上方向。

1 )對于預(yù)先設(shè)定的標準深度Hb下，對分采開關(guān)中活動機構(gòu)進行受力分析:得如下關(guān)系式

在打壓換層操作之前，活動機構(gòu)受力平衡，得

在打壓換層時，活動機構(gòu)受力平衡，得

令Pkb×(A1-A4)為定值c，即Pkb×(A1-A4)=c得到

將式(1)與式(2)聯(lián)立得

c為定值，X1-X2的值可以通過控制器的彈簧力調(diào)節(jié)機構(gòu)來設(shè)定。

2 )對第i段的分采段控制器活動機構(gòu)進行受力分析，深度距Hb值為ΔH(加深為正)。

在打壓換層操作之前，活動機構(gòu)受力平衡，得

在打壓換層時，活動機構(gòu)受力平衡，得

由式(6)與式(11)聯(lián)立得

說明:當(dāng)深度差異ΔH時，如果將式(10)調(diào)節(jié)套調(diào)節(jié)長度ΔX1時，則Pki值與ΔH無關(guān)，且等于標準深度控制器井口控制壓力。

將式(1)和式(4)聯(lián)立得式(7)

結(jié)論:相對標準段，當(dāng)?shù)趇段的深度差異ΔH時，地層壓力有所差異時，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)控制器的彈簧力調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)節(jié)長度為ΔXi時，可以確保Pki=Pkb，即各個控制器的井口調(diào)節(jié)壓力都是相同的值。

1.5 示位原理

控制器存在示位機構(gòu)，在打壓操作過程中，示位機構(gòu)所產(chǎn)生的示位信號可以反應(yīng)控制器的滑移機構(gòu)向下滑移且滑移到位。當(dāng)?shù)孛娲驂簳r，滑移機構(gòu)向下滑動，當(dāng)上滑套⑥上的泄壓孔運行到上外套②的入液孔位置時，則滑環(huán)④中心孔通過液體，其截流壓差將驅(qū)動滑環(huán)④壓縮滑環(huán)彈簧⑤并向下移動，在此過程中，控制器內(nèi)液體經(jīng)滑環(huán)④中心孔和上滑套⑥上泄壓孔流出，導(dǎo)致井口控制壓力降落;當(dāng)滑環(huán)④向下運行至上滑套環(huán)形槽內(nèi)的臺階處時，滑環(huán)④中心孔與上滑套⑥的泄壓孔不連通，導(dǎo)致井口控制壓力將再次上升。由此，當(dāng)井口控制壓力產(chǎn)生上升-降落-再上升的信號時(如圖3所示)，說明該控制器的滑移機構(gòu)向下運行到位。當(dāng)停止打壓時，滑環(huán)彈簧⑤將驅(qū)動滑環(huán)④向上移動，并被擋桿③擋住。

圖3 示位信號典型示意圖Fig.3 Diagram for typical position signal

1.6 施工工藝

1 )反洗井，起出原井管柱;

2 )通井至油層底界，在卡點位置反復(fù)刮削，確保套管內(nèi)壁干凈，無毛刺;

3 )油管試壓25 MPa;

4 )組配管柱;

5 )下入分采管柱，待管柱到位后，從油管蹩壓8，10，12，15，20 MPa，各壓力點穩(wěn)壓 3 min，坐封封隔器;繼續(xù)增壓，直至壓力突然降低，實現(xiàn)丟手操作;

6 )起出丟手上部管柱;

7 )下泵生產(chǎn);

8 )打壓換層操作，用泵車通過井口油套環(huán)形空間打壓換向，開井生產(chǎn)，判斷各段開關(guān)狀態(tài)。

1.7 技術(shù)指標

長度為1 200 mm;外徑為114 mm;地面操作壓力為15～35 MPa;最高工作壓力為60 MPa;有效調(diào)層時間為3 a;分采層數(shù)為2～4層。

2 實驗及應(yīng)用情況

圖4 分采控制器室內(nèi)實驗裝置簡圖Fig.4 Diagram for selective mining controller in indoor experimental setup

2.1 室內(nèi)實驗評價

實驗裝置:分采控制器室內(nèi)實驗裝置如圖4所示，其中①，②，③為封隔器;④，⑤，⑥分別為上中下段分采控制器;⑦為絲堵;⑧，⑨，⑩為注中心管打壓的泵、閘門、流量表;?為中心管回流管線閥門;?，?，?為注下段、中段、上段的泵;?，?為下段的閘門、流量表;?，?為中段的閥門、流量表;?，?為上段的閥門、流量表;?為水池;?為地面。

室內(nèi)實驗步驟

1 )用油管將工具①～⑦按圖4所示順序連接并下入實驗井中，井口按圖2所示連接;

2 )啟動泵⑧為中心管打壓，從油管緩慢蹩壓20 MPa，各壓力點分別穩(wěn)壓10 min，坐封封隔器;

3 )座封過程相當(dāng)于第1次打壓操作，按表1所示的對應(yīng)狀態(tài)應(yīng)該是3個控制器全部開啟，室內(nèi)檢驗實際開啟狀態(tài)是否見表1的第1次打壓后狀態(tài)，(關(guān)閉閥門⑨，打開回流閥?，啟動?，?，?泵，查看注下段、中段、上段的排量，判斷3個控制器是否開啟);

4 )進行第2次中心管打壓，并檢驗實際開啟狀態(tài)是否見表1的第2次打壓后狀態(tài)(先關(guān)閉閥?，打開閥⑨，開啟泵8打壓20 MPa，穩(wěn)壓5 min;后關(guān)閉閥門⑨，打開回流閥?，依次啟動?，?，?泵，查看注下段、中段、上段的排量，判斷上段是否打開，中下段是否關(guān)閉);

5 )依次進行第3，4…8次中心管打壓，并檢驗每次實際開啟狀態(tài)是否見表1的第3，4…8次的打壓后狀態(tài)，同時做好記錄。

實驗結(jié)果:先后打壓80次，每一次打壓均產(chǎn)生動作到位的示位信號，進行10次循環(huán)，總共變換80個開關(guān)狀態(tài)，結(jié)果與表1符合率為100%.

2.2 現(xiàn)場試驗

抗干擾液壓換層分采技術(shù)于2009年5月在某油田的一口井上試驗。該井措施前生產(chǎn)26#～31#層，共6 層，日產(chǎn)液12.7 m3/d，日產(chǎn)油0.13 t，含水99%，動液面534 m.根據(jù)找水結(jié)果，將該井生產(chǎn)層位分為3段，26#～27#為第1段(2 916～2 926 m)，28#為第2段(2 934～2 938 m)，29#～31#為第3 段(2 945～2 985 m)。下入分采管柱，自下而上為:絲堵(2 990 m)+油管+3#控制器(2 960 m)+油管+φ112 mm扶正器+Y341-110卡水封隔器(2 941 m)+油管 +2#控制器(2 935 m)+油管 +Y341-110卡水封隔器(2 930 m)+油管+1#控制器(2 920 m)+油管+Y441-114卡水封隔器(2 890 m)+φ116 mm扶正器+1 m油管短節(jié)+φ112液壓丟手(不投球)+油管2根+校深短節(jié)1 m+油管至井口。管柱下到預(yù)定位置后，油管打壓10 MPa-15 MPa-18 MPa-20 MPa，每個壓力點穩(wěn)壓力10 min，完成封隔器座封;之后繼續(xù)打壓，直至壓力突然降低，完成丟手施工;最后起出上部油管。施工后經(jīng)過7次井口打壓換層操作，現(xiàn)場全部成功，控制壓力穩(wěn)定在20 MPa，每一次打壓操作中都產(chǎn)生了動作到位的示位信號，換層后的生產(chǎn)效果見表2.

表2 試驗井生產(chǎn)情況統(tǒng)計表Tab.2 Statistical tables for the test well production

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

該技術(shù)目前已在油田礦場已實施5口井，其中分4段的為1口井，分3段的為3口井，分2段為1口井，施工全部成功，調(diào)層20次，調(diào)層成功率100%.

3 開關(guān)狀態(tài)的控制規(guī)律

當(dāng)以打壓次數(shù)為輸入信號對井下各個狀態(tài)進行控制時，現(xiàn)場需要查找表格判斷井下狀態(tài)，經(jīng)常會造成井下狀態(tài)混亂和控制錯誤。為此需要建立起開關(guān)狀態(tài)控制規(guī)律，即輸入信號與開關(guān)狀態(tài)的數(shù)學(xué)關(guān)系。由此，現(xiàn)場可以預(yù)測井下各段控制器的開關(guān)狀態(tài)，也可由井下各控制器的預(yù)定開關(guān)狀態(tài)來選擇正確的輸入信號。

設(shè)x輸入變量，表示總打壓次數(shù);n為循環(huán)次數(shù);K為中間變量，表示循環(huán)后剩余打壓次數(shù);y為整數(shù)，代表單段狀態(tài)數(shù)，如y(1)=y(2)=y(3)=y(4)=0代表各控制器關(guān)閉;y(1)=1代表1#控制器開啟;y(2)代表2#控制器開啟;y(3)代表3#控制器開啟;y(4)代表4#控制器開啟;j代表分段數(shù);U表示調(diào)層狀態(tài)的判斷函數(shù)，等于各單段狀態(tài)數(shù)的累加和。將分2段、3段和4段的各種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系在表3～表5列出。

表3 分2段換層時輸入變量與開關(guān)狀態(tài)的特征值對應(yīng)關(guān)系Tab.3 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of two segments

表4 分3段換層時輸入變量與開關(guān)狀態(tài)的特征值對應(yīng)關(guān)系Tab.4 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of three segments

表5 分4段換層時輸入變量與開關(guān)狀態(tài)的特征值對應(yīng)關(guān)系Tab.5 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of four segments

在表2～表4，可歸納出如下規(guī)律

1 )總打壓次數(shù)x和循環(huán)后剩余打壓次數(shù)K的關(guān)系

2 )函數(shù)U與中間變量K和分采井的分段數(shù)j的關(guān)系

注:［ ］表示向下取整關(guān)系

3 )K值區(qū)間與各段開啟狀態(tài)的關(guān)系如表6所示。

表6 K值區(qū)間與各段開啟狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系Tab.6 Corresponding relationship of K interval and the open state

計算及判斷過程:①輸入分采井的分段數(shù)j和總打壓次數(shù)x;②根據(jù)式(14)計算循環(huán)后剩余打壓次數(shù)K和分采井的分段數(shù)j;③將K，j值代入式(15)計算出調(diào)層狀態(tài)函數(shù)U值;④依據(jù)表5第1列計算K值所處的區(qū)間，并依據(jù)表5判斷全井開啟狀態(tài)和具體開啟層段。

算例:已知一口分采井分段數(shù)為4，當(dāng)現(xiàn)場打壓100次時，判斷具體開啟狀態(tài):通過式(14)得出x=16n+K，求得K=4，依據(jù)式(15)求得U=3，由于K∈［2，j+1］=［2，5］，根據(jù)表6 判斷，本井為單開狀態(tài)，U值=開啟的單一開關(guān)器標號，即3#開關(guān)器開啟。當(dāng)現(xiàn)場打壓110次時，通過式(14)得出x=16n+K，求得K=14，依據(jù)式(15)求得U=8，根據(jù)表6 可判斷:K∈?4j-4，2j」=［12，16)，則本井處于三開狀態(tài)，U值=開啟的三個開關(guān)器標號之和，則開啟的三個開關(guān)器的標號為1，3，4，即1#，3#，4#開關(guān)器開啟。

4 結(jié)論

針對層間壓力和深度差異大、油水分布復(fù)雜等層間矛盾突出、干擾嚴重的問題，提出了最優(yōu)分層采油理念，即井口打壓換向操作連續(xù)高效、井下動作可驗證、控制壓力不受壓力及深度差異影響;縱向上交錯分布的低壓油層可組合起來開采，避免單層單段的低效生產(chǎn)。

抗干擾分采技術(shù)以總打壓次數(shù)為輸入信號控制各段配水器開關(guān)狀態(tài)，在井口可有效控制各段單獨開啟或各段開啟關(guān)閉任意組合。

抗干擾分采技術(shù)的核心工具為抗干擾控制器，它設(shè)置了一些功能機構(gòu)，體現(xiàn)了抗干擾特點，滿足了最優(yōu)分層采油理念。一是設(shè)置了打壓換向及狀態(tài)控制機構(gòu)，通過限位滑套外側(cè)長短槽組合和限位銷釘定置來控制控制器的開關(guān)狀態(tài);二是設(shè)置了壓力差異和深度差異的平衡機構(gòu)，消除了各段間壓力差異和深度差異對地面打壓操作的不利影響，協(xié)調(diào)了多個控制器的動作，提高了動作可靠性;三是設(shè)置了示位機構(gòu)，能夠產(chǎn)生示位信號，可以從地面確認開關(guān)器是否動作到位。

從抗干擾控制器結(jié)構(gòu)出發(fā)，在理論上分析了任何一段控制器的井口控制壓力Pki值與深度差異ΔH和地層壓力Pdi的無關(guān)性。

各段全組合調(diào)換的分采技術(shù)在室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實施中顯示各段控制器安全可靠，調(diào)層準確，可有效避免油井層間矛盾帶來的不利影響，在油田具有廣闊的應(yīng)用前景。

總結(jié)出了開關(guān)狀態(tài)的控制規(guī)律，建立輸入信號與開關(guān)狀態(tài)的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過它可以預(yù)測井下的開關(guān)狀態(tài)，也可由預(yù)定的井下開關(guān)狀態(tài)來確定所需的輸入信號。

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