張樂，劉長龍，寇磊，陳征，張璐，徐元德，王勝，薛德棟

(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(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452)

目前，國內(nèi)外針對纜控智能分層注聚技術(shù)還未開展相關(guān)的室內(nèi)研究及礦場試驗(yàn)，但海上油田由于大斜度井、水平井居多等特點(diǎn)，其研發(fā)的纜控智能分層注水技術(shù)已累計(jì)應(yīng)用90 多口井，纜控智能分層注水工藝通過地面系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制井下分層測調(diào)注水工作筒，實(shí)時(shí)獲取注入井單層注入量、溫度及壓力，同時(shí)可根據(jù)配注方案快速調(diào)整各層注入量，滿足油藏需求[1-5]。該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)不同注入?yún)?shù)長期動態(tài)監(jiān)測條件下，有效降低了注入井測試的成本。鑒于此，開展海上油田纜控智能分層注聚測調(diào)技術(shù)研究，研發(fā)新型智能注聚工具實(shí)現(xiàn)大斜度井的分層注入，利用地面控制系統(tǒng)通過電纜傳輸相關(guān)注入配注參數(shù)，控制井筒內(nèi)的纜控智能注聚工作筒邊測邊調(diào)[6]，從而提高注聚井測調(diào)效率和油藏配注達(dá)標(biāo)率，為海上油田高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 海上油田聚驅(qū)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 海上油田聚驅(qū)潛力研究

國內(nèi)外針對水驅(qū)提高采收率技術(shù)的研究越來越深入，已經(jīng)形成了多種分層注入工藝技術(shù)，其配套的井下工具也已完成系列化研制[7-9]。但是注水不能很好地解決大井距深部高滲突進(jìn)等非均質(zhì)性問題。海上油田目前有1 000 多口注水井，且注水井還在日益增多，水驅(qū)產(chǎn)量占總產(chǎn)量的94.3%。大多數(shù)產(chǎn)量比例達(dá)70%的主力油田已進(jìn)入高含水期，海上油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)急需有效的穩(wěn)油控水技術(shù)[10]。聚合物驅(qū)是在注入水中加入少量水溶性高分子聚合物，通過增加水相黏度和降低水相滲透率來改善流度比、提高波及系數(shù)，從而提高原油采油率[11-14]。

1.2 海上油田分層注聚存在問題

海上油田注聚工藝以單管分層注聚工藝為主，但仍存在以下問題：

1）測調(diào)作業(yè)需要占井口，海上油田作業(yè)量大，作業(yè)窗口少，單井調(diào)配次數(shù)受限。

2）無法在線實(shí)時(shí)監(jiān)測井下配注參數(shù)，縮短配注策略響應(yīng)時(shí)間，提高決策效率。

3）現(xiàn)有配注工藝沒有管柱外壓力監(jiān)測功能，無法直觀判定井下地層注入情況。

因此，需要開展海上油田大斜度井纜控智能分層注聚技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)注聚井單層流量、壓力、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及流量控制，提高流量測調(diào)效率，保障聚合物黏度保留率，為提高海上油田采收率提供技術(shù)支撐[15-16]。

2 纜控智能分層注聚工藝

2.1 纜控智能分層注聚系統(tǒng)的組成

纜控智能分層注聚系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下工具組成，地面設(shè)備：中控室的控制計(jì)算機(jī)、電纜、地面控制器及井口管匯；下井工具：井下安全閥、滑套、層間隔離封隔器、過電纜定位密封、過電纜插入密封和智能注聚工作筒等組成見圖1。

圖1 纜控智能系統(tǒng)分層注聚測調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Layered polymer injection and testing system of cable control intelligent system

2.2 纜控智能分層注聚工藝原理

工藝原理：按照作業(yè)目標(biāo)井分層數(shù)準(zhǔn)備相應(yīng)數(shù)量的電動注聚工作筒，完井時(shí)隨分層注水管柱下入，同時(shí)下入單芯鋼管電纜與各級井下電動注聚工作筒連接，地面系統(tǒng)通過電纜完成井下智能注聚工作筒開度調(diào)節(jié)，同時(shí)反饋實(shí)時(shí)流量、壓力、溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分層注聚量自動調(diào)整。

2.3 纜控智能分層注聚配套工具創(chuàng)新性

1）智能注聚工作筒：根據(jù)油藏需求，對注入井的各層段安裝纜控智能注聚工作筒，各層段由層間隔離封隔器、過電纜定位密封、過電纜插入密封隔開，其內(nèi)部主要組成部件為高效保黏的摩阻管（摩阻管開度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各層注聚量調(diào)配）、實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)在線監(jiān)測的傳感器（包含流量、壓力、溫度）、電纜系統(tǒng)。

2）地面監(jiān)控系統(tǒng)：在地面條件下，利用控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄各注入層段重要參數(shù)。當(dāng)油藏配注方案進(jìn)行調(diào)整時(shí)，地面上位機(jī)通過地面控制器與井下纜控智能注聚工作筒雙向通信改變注入量，滿足油藏需求。

3）數(shù)據(jù)采集：溫壓檢測電路設(shè)計(jì)，采用∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對溫度和壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，精度更高，穩(wěn)定度更好。

4）流量調(diào)節(jié)模式：采用內(nèi)外2個(gè)摩阻管設(shè)計(jì)，通過電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)滑動塊的移動，從而帶動中心摩阻管道移動，調(diào)節(jié)智能注聚工作筒的聚合物流道大小。聚合物溶液流經(jīng)環(huán)形連續(xù)擴(kuò)縮環(huán)空后，從智能注聚工作筒的出口流入當(dāng)前層位。

2.4 纜控智能分層注聚技術(shù)特點(diǎn)

1）適用于防砂完井和套管完井。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)井下流量、壓力、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可實(shí)現(xiàn)管柱在線驗(yàn)封、單層流量在線調(diào)配功能。

3）最大適用井深4 000 m，不受井斜限制。

4）地面控制器指令匹配平均單井2～3 h，不占用海上平臺作業(yè)窗口。

3 關(guān)鍵工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1 纜控智能注聚工作筒

3.1.1 纜控智能注聚工作筒創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

纜控智能注聚工作筒主要結(jié)構(gòu)為：上接頭、下接頭、流量計(jì)、電路板、電機(jī)、中心管等組成。流量調(diào)節(jié)方面與常規(guī)的注水工具不同，采用摩阻管通道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)注聚流量調(diào)節(jié)，確保大流量聚合物流經(jīng)調(diào)節(jié)通道后黏度。流量計(jì)選型方面由于注聚合物具有大分子和高黏度等性質(zhì)，井下常用的超聲波、差壓、渦輪、多普勒等成熟的流量計(jì)量方式不再適用，針對聚合物的特性研制專用電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量[17]見圖2。智能注聚工作筒與常規(guī)智能測調(diào)注水工作筒的結(jié)構(gòu)對比見表1。

表1 注水與注聚工作筒結(jié)構(gòu)對比Table 1 Comparison of structure of water injection and polymer injection working cylinders

圖2 纜控注聚工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of cable control polymer injection pipe

3.1.2 智能注聚工作筒技術(shù)指標(biāo)

智能注聚工作筒材質(zhì)上優(yōu)選雙向不銹鋼，保證機(jī)械部分不生銹，而且具有耐沖蝕特點(diǎn)。

智能注聚工作筒技術(shù)參數(shù)：①外徑114 mm，內(nèi)徑44 mm；②最高耐壓60 MPa，最高耐溫120 ℃；③單層最大流量600 m3/d；④流量測試精度大于等于95%；⑤保黏率大于85%。

3.1.3 智能注聚工作筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）智能注聚工作筒選用了電磁流量計(jì)，對電磁流量計(jì)進(jìn)行了二次密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：一次密封采用高硬度絕緣材料+O 圈，防止中心通道高壓液體進(jìn)入電磁流量計(jì)內(nèi)部；二次密封采用耐腐蝕金屬+O 圈，防止一次密封失效后，液體入侵工具內(nèi)部，破壞工具其他電路模塊，影響工具壽命。解決了普通電磁流量計(jì)井下密封困難的問題，保證儀器可靠性。

2）流量計(jì)電路選用正弦波勵(lì)磁，通過高共模抑制比差動放大器信號放大，并利用高精度模擬乘法提取流量電信號，測量范圍寬、精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化聚合物流量測量。

3.2 摩阻管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摩阻管為由內(nèi)摩阻管與外摩阻管組成，摩阻管保黏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)大注入量、高保黏的同時(shí)，保留大中心通道（內(nèi)徑44 mm）見圖3。

圖3 保黏結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of adhesive retaining structure

3.3 地面控制系統(tǒng)

3.3.1 主要功能及技術(shù)參數(shù)

控制器采用防爆設(shè)計(jì)，內(nèi)置計(jì)算機(jī)及測控軟件可與有纜注聚工作筒配套使用，為工作筒提供可靠配套工作電源，操作指令控制有纜智能配聚器配套使用測量和控制功能。同時(shí)控制工作筒實(shí)時(shí)顯示注入?yún)?shù)，并完成單層流量控制，自備多種過載斷電保護(hù)功能[18]。地面控制器技術(shù)參數(shù)：①工作環(huán)境溫度：-45～+85 ℃；②供電電壓：AC220 V±15%，50 Hz；③輸出電流：0～1 A；④最大通訊距離：4 000 m。

3.3.2 技術(shù)創(chuàng)新性

與常規(guī)纜控智能注水地面控制器對比：①優(yōu)化信號載波傳輸方式，增強(qiáng)信號抗干擾能力；②改進(jìn)信號濾波電路參數(shù)，提高濾波處理能力；③增設(shè)隔離式安全柵，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；④改化輸出繼電器，提高輸出超載保護(hù)反應(yīng)速度及線路承載能力。

3.4 纜控智能分層注聚系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)

3.4.1 流量計(jì)精度測試試驗(yàn)

為了提高分層注聚井井下各層流量測試精度，開展電磁流量計(jì)在聚合物溶液中的流量精度測試試驗(yàn)，通過測試結(jié)果對在用電磁流量計(jì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)而降低其測量誤差，達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)量各層注入量的目的[19-20]。

在聚合物中精度測試流量點(diǎn)設(shè)計(jì)：3、5、8、10、12、15、18、20、22、25 m3/h 時(shí)共10 個(gè)流量點(diǎn)。注聚工作筒水嘴開度分別設(shè)計(jì)為100%開度下進(jìn)行測試試驗(yàn)（圖4）。

圖4 流量計(jì)精度測試試驗(yàn)Fig.4 Accuracy test of flowmeter

在聚合物溶液中測試結(jié)果：最大誤差為4.79%，最小為1.56%，平均誤差為2.97%，精度測試誤差范圍在5%以內(nèi)，可以用于注聚過程中的流量計(jì)量。

3.4.2 工作筒保黏測試試驗(yàn)

聚合物為常規(guī)的聚丙烯酰胺，測試質(zhì)量濃度為1 500 mg/L，配液溫度為45 ℃，平均黏度45 mPa·s。設(shè)置流量為3、10、15、20、25 m3/h，實(shí)驗(yàn)過程中取樣并記錄摩阻管前后壓力、黏度值數(shù)據(jù)（圖5、圖6）。

圖5 不同開度、不同流量下保黏率測試試驗(yàn)Fig.5 Test of viscosity retention rate under different opening and flow rate

圖6 不同開度、不同流量下節(jié)流壓差測試試驗(yàn)Fig.6 Test of throttle pressure difference under different opening and flow tate

保黏率測試試驗(yàn)結(jié)果：纜控智能注聚工作筒在不同流量不同開度條件下，形成節(jié)流壓差小于4 MPa，保黏率大于85%，性能較好。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

纜控智能注聚系統(tǒng)目前已經(jīng)在海上油田大斜度試驗(yàn)井做了相關(guān)的試驗(yàn)，試驗(yàn)中智能注聚工作筒調(diào)節(jié)工作穩(wěn)定，流量、壓力數(shù)據(jù)測試正常，配注量滿足地質(zhì)要求，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

2023年7月，該工藝在M 井實(shí)施，該井最大井斜69.7°，屬于大斜度井。分注層段為3 層，管柱下入后分注正常，具體配注量見表2。

表2 H油田M井纜控智能注聚系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of cable control intelligent polymer injection system for Well-M in H Oilfield

5 結(jié)論

1）纜控智能分層注聚技術(shù)有效解決了目前海上油田分層注聚井測調(diào)配注效率低、適用井斜小于60°、占用平臺作業(yè)窗口等問題。

2）創(chuàng)新研制了纜控智能注聚工作筒及配套地面控制器，實(shí)現(xiàn)了海上油田注聚井的單層流量、壓力、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及流量控制。

3）采用的電磁流量計(jì)最大誤差為4.79%，最小為1.56%，平均誤差為2.97%，精度測試誤差范圍在5%以內(nèi)，可以用于注聚過程中的流量計(jì)量。

4）研發(fā)的纜控智能注聚工作筒在不同流量不同開度條件下，形成節(jié)流壓差小于4 MPa，保黏率大于85%，性能較好。

5）纜控智能分層注聚技術(shù)減少了注水井常規(guī)聚驅(qū)、驗(yàn)封測試的成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。