抗干扰液压换层分采技术及其状态控制规律*

贺亚维，宋显民，杨 迪，王 芳

(1.延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安716000;2.中国石油冀东油田，河北唐山063004)

0 引言

采油井在多层同时射开合采时，往往存在高压层抑制低压层生产、高含水层抑制低含水油层生产等层间相互干扰现象，层间干扰程度是由压力、深度、纵向分布状况等层间差异决定的，若层间差异大则层间干扰严重，不易控制;若层间差异小则层间干扰程度较轻，易于控制［1-5］。

层间异差较小主要表现为层间压力差异小、深度差异小、分布方式也较简单(如高压水层-低压油层-高压水层)等，目前不动管柱液压换层分采等措施能够很好地解决层间差异小所造成的层间干扰问题［6-8］。

层间差异大表现为:一是各层间压力差异大，有的达到15 MPa以上;二是各层之间深度差异大，有的达到1 000 m以上;三是低压油层和高压水层纵向上交错分布，如一些井由上到下呈现出:低压油层-高压水层-低压油层-高压水层-低压油层等，这种情况目前在一些油田广泛存在［9-13］。

针对这一状况，最优分层采油理念是:一是抗干扰液压换层操作理念，即分层采油管柱的各控制器的井口控制压力不受层间的压力差异和深度差异影响，在地面上可验证开关器换向动作是否到位，多次打压的地面操作连续高效，提高换向操作的准确性和可靠性;二是各段组合开采理念，即能够将纵向上交错分布的低压油层挑出来组合起来进行开采，并全部关闭高压水层，则可充分发挥油井潜力，避免单层单段的低效生产。但目前分采管柱不符合最优分层采油理念，主要表现为:各开关器的换向动作及井口控制压力与层间的压力差异和深度差异有关，当某段地层压力高时或地层深度大时则井口需要的控制压力高，否则所需的控制压力低，当井口打压后卸压时，各开关器又不能同步恢复或同步换向;在地面上无法确认或验证各开关器是否动作或动作到位，只是假定每一次打压都是有效的，一次打压后动作不到位将导致后期所有开关状态发生混乱;各层开启状态较单一，一般只能各段逐层开启或全开全闭，不能充分发挥油井的产能。每次打压后换向，有的开关器停压即可恢复，而有的开关器还需抽空液面操作，花费时间和操作费用较多。为此研究新型抗干扰分层采油工艺［14-18］。

1 抗干扰液压换层分采技术原理

1.1 管柱结构

通用分层采油管柱结构为(以3段为例):丝堵+下段控制器+封隔器+中段控制器+封隔器+上段控制器+封隔器+丢手工具。分采管柱通过封隔器将地层分成若干段，每一段设置一个控制器，并在地面打压驱动控制器进行开关动作，各种开关状态由总打压次数决定，从而实现对所在层段生产控制。

1.2 分采控制器结构

分采控制器结构如图1所示，由上接头①、上外套②、挡杆③、滑环④、滑环弹簧⑤、上滑套⑥、防砂网⑦、单向阀⑧、单向阀弹簧⑨、下滑套⑩、剪钉⑪、限位滑套⑫、定位销钉⑬、支撑活塞⑭、复位弹簧⑮、下外套⑯、弹簧力调节套⑰、挡环⑱、下接头⑲构成。其中下外套⑯底端带有半圆形槽⑳。具体分为4部分:一是固定部分，由上接头①、上外套②、防砂网⑦、定位销钉⑬、下外套⑯、弹簧力调节套⑰、挡环⑱、下接头⑲构成;二是滑移机构，包括示位滑移部分(位于上滑套上端面内的环形槽内，由滑环④、滑环弹簧⑤构成)和总滑移部分(由上滑套、单向阀⑧、单向阀弹簧⑨、下滑套⑩、限位滑套⑫、支撑活塞⑭构成)，三是总滑移复位机构，由复位弹簧⑮、弹簧力调节套⑰构成;四是单向进液机构，在滑移机构内部，安装于下滑套⑥和下滑套⑩之间，由上滑套⑥下部的进液孔、单向阀⑧、单向阀弹簧⑨构成。

图1 分采控制器开关状态结构图Fig.1 Diagram for the state structure of separate mining controller

1.3 打压换向及状态控制操作原理

控制器打压换向原理:固定机构和滑移机构的相对位置由限位滑套⑫外侧的长短槽和定位销钉⑬(固定于下外套处)的相对位置来确定的，控制器原始状态为开启状态。首先地面打压驱动封隔器座封，同时液压驱动滑移机构剪断剪钉⑪并相对于定位销钉⑬向下移动，定位销钉⑬由限位滑套⑫外侧一组竖槽的最下端移到达最上端;地面泻压后，复位弹簧⑮驱动滑移机构上移，定位销钉⑬由限位滑套⑫外侧该组竖槽的最上端移到邻近下一组竖槽的最下端。当定位销钉⑬处于长槽最下端时，上滑套⑥的入液孔对应于上外套②的开口处，控制器处于开启状态;当定位销钉⑬处于短槽最下端时，上滑套⑥的入液孔对应于上外套②的开口处下部封闭本体处，控制器处于为关闭状态。

分采井状态控制原理:当多段分采时，各个分采控制器的限位滑套⑫外侧长短槽的顺序及组合配置决定了打压次数与控制器开关状态对应关系。根据不同分段数和开启状态组合，各个控制器限位滑套⑫外侧的长短槽个数及配置是不同的，三段分采时的控制器径向上存在8组竖槽，四段分采时的控制器径向存在16组竖槽。以三段分采为例，为实现见表1所示的打压次数与各段开关状态关系，则设计的3个控制器的限位滑套外侧长短槽配置及限位销钉所处位置如图2所示。

表1 三段分采情况下打压次数与控制器开关状态对应关系表Tab.1 Strike number and controller switch state under the selective mining of three segments

图2 三段分采时的各控制器长短槽配置及限位销钉位置的示意图Fig.2 Diagram for the chute specification of the controller under three phase selective mining

1.4 各段压力差异和深度差异的平衡原理

1.4.1 压力平衡机构原理

开关器设置了地层压力平衡机构，在地层压力作用下，滑移机构的上部受经由防砂网⑦、上外套②的入液孔导入的地层压力向下作用于台阶A2向下作用力，滑移机构的下部的支撑活塞⑭受经由下外套⑯的半圆形槽⑳进入弹簧腔的地层压力的向上作用力作用于A3面，由于作用于滑移机构的向上和向下的力相等而互相抵消掉，因此开关器的地面操作压力与地层压力无关。

1.4.2 深度差异的平衡机构

开关器设置了深度差异消除机构:与油管压力有关和上部打压及液柱深度有关，通过弹力调节套机构来解决，弹力调节套⑰与挡环⑱通过螺纹连接，当下井之前，根据各段之间的深度差异，通过调节杆插入调节套⑰的外侧孔并径向转动，使调节套的顶部相对于挡环向上或向下移动，从而压缩或释放弹簧，调节弹簧弹力，最终消除各段深度差异对各段开关器影响。

1.4.3 理论分析

假定:当液面低于或等于井口位置时，活动机构无位移;当液面在井口位置且井口打压压力大于0时，活动机构产生向下位移。

符号说明:Pkb为标准深度控制器井口控制压力;Pki为第i分采段控制器井口控制压力;Py为液柱压力;Pdb为地层压力;Nt为弹簧力;k为弹簧弹性系数;Hb为多个分采层中设计的标准深度，已知量;X0为弹簧自由长度，X1为弹簧初始压缩长度，X2为弹簧地面打压后的压缩长度;X2i为第i分采段控制器弹簧地面打压后的压缩长度;Pdi为第i分采段地层压力;ΔH为第i分采段距Hb值的差值，加深为正;ΔXi为处于第i分采段时，需用调节套调节的长度，即与X1的差值，伸长为正、缩短为负。

开关器总滑移机构的受力分析:受力面为四个端面(如图1所示)，一是上滑套⑥的上环形端面A1，受力Pkb(或Pki)+Py，向下方向;二是上滑套⑥外侧台阶面A2，受力Pdb(或Pdi)，向下方向;三是支撑活塞⑭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 )对于预先设定的标准深度Hb下，对分采开关中活动机构进行受力分析:得如下关系式

在打压换层操作之前，活动机构受力平衡，得

在打压换层时，活动机构受力平衡，得

令Pkb×(A1-A4)为定值c，即Pkb×(A1-A4)=c得到

将式(1)与式(2)联立得

c为定值，X1-X2的值可以通过控制器的弹簧力调节机构来设定。

2 )对第i段的分采段控制器活动机构进行受力分析，深度距Hb值为ΔH(加深为正)。

在打压换层操作之前，活动机构受力平衡，得

在打压换层时，活动机构受力平衡，得

由式(6)与式(11)联立得

说明:当深度差异ΔH时，如果将式(10)调节套调节长度ΔX1时，则Pki值与ΔH无关，且等于标准深度控制器井口控制压力。

将式(1)和式(4)联立得式(7)

结论:相对标准段，当第i段的深度差异ΔH时，地层压力有所差异时，通过调节相应控制器的弹簧力调节机构来调节长度为ΔXi时，可以确保Pki=Pkb，即各个控制器的井口调节压力都是相同的值。

1.5 示位原理

控制器存在示位机构，在打压操作过程中，示位机构所产生的示位信号可以反应控制器的滑移机构向下滑移且滑移到位。当地面打压时，滑移机构向下滑动，当上滑套⑥上的泄压孔运行到上外套②的入液孔位置时，则滑环④中心孔通过液体，其截流压差将驱动滑环④压缩滑环弹簧⑤并向下移动，在此过程中，控制器内液体经滑环④中心孔和上滑套⑥上泄压孔流出，导致井口控制压力降落;当滑环④向下运行至上滑套环形槽内的台阶处时，滑环④中心孔与上滑套⑥的泄压孔不连通，导致井口控制压力将再次上升。由此，当井口控制压力产生上升-降落-再上升的信号时(如图3所示)，说明该控制器的滑移机构向下运行到位。当停止打压时，滑环弹簧⑤将驱动滑环④向上移动，并被挡杆③挡住。

图3 示位信号典型示意图Fig.3 Diagram for typical position signal

1.6 施工工艺

1 )反洗井，起出原井管柱;

2 )通井至油层底界，在卡点位置反复刮削，确保套管内壁干净，无毛刺;

3 )油管试压25 MPa;

4 )组配管柱;

5 )下入分采管柱，待管柱到位后，从油管蹩压8，10，12，15，20 MPa，各压力点稳压 3 min，坐封封隔器;继续增压，直至压力突然降低，实现丢手操作;

6 )起出丢手上部管柱;

7 )下泵生产;

8 )打压换层操作，用泵车通过井口油套环形空间打压换向，开井生产，判断各段开关状态。

1.7 技术指标

长度为1 200 mm;外径为114 mm;地面操作压力为15～35 MPa;最高工作压力为60 MPa;有效调层时间为3 a;分采层数为2～4层。

2 实验及应用情况

图4 分采控制器室内实验装置简图Fig.4 Diagram for selective mining controller in indoor experimental setup

2.1 室内实验评价

实验装置:分采控制器室内实验装置如图4所示，其中①，②，③为封隔器;④，⑤，⑥分别为上中下段分采控制器;⑦为丝堵;⑧，⑨，⑩为注中心管打压的泵、闸门、流量表;⑪为中心管回流管线阀门;⑫，⑬，⑭为注下段、中段、上段的泵;⑮，⑯为下段的闸门、流量表;⑰，⑱为中段的阀门、流量表;⑲，⑳为上段的阀门、流量表;㉑为水池;㉒为地面。

室内实验步骤

1 )用油管将工具①～⑦按图4所示顺序连接并下入实验井中，井口按图2所示连接;

2 )启动泵⑧为中心管打压，从油管缓慢蹩压20 MPa，各压力点分别稳压10 min，坐封封隔器;

3 )座封过程相当于第1次打压操作，按表1所示的对应状态应该是3个控制器全部开启，室内检验实际开启状态是否见表1的第1次打压后状态，(关闭阀门⑨，打开回流阀⑪，启动⑫，⑬，⑭泵，查看注下段、中段、上段的排量，判断3个控制器是否开启);

4 )进行第2次中心管打压，并检验实际开启状态是否见表1的第2次打压后状态(先关闭阀⑪，打开阀⑨，开启泵8打压20 MPa，稳压5 min;后关闭阀门⑨，打开回流阀⑪，依次启动⑫，⑬，⑭泵，查看注下段、中段、上段的排量，判断上段是否打开，中下段是否关闭);

5 )依次进行第3，4…8次中心管打压，并检验每次实际开启状态是否见表1的第3，4…8次的打压后状态，同时做好记录。

实验结果:先后打压80次，每一次打压均产生动作到位的示位信号，进行10次循环，总共变换80个开关状态，结果与表1符合率为100%.

2.2 现场试验

抗干扰液压换层分采技术于2009年5月在某油田的一口井上试验。该井措施前生产26#～31#层，共6 层，日产液12.7 m3/d，日产油0.13 t，含水99%，动液面534 m.根据找水结果，将该井生产层位分为3段，26#～27#为第1段(2 916～2 926 m)，28#为第2段(2 934～2 938 m)，29#～31#为第3 段(2 945～2 985 m)。下入分采管柱，自下而上为:丝堵(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油管短节+φ112液压丢手(不投球)+油管2根+校深短节1 m+油管至井口。管柱下到预定位置后，油管打压10 MPa-15 MPa-18 MPa-20 MPa，每个压力点稳压力10 min，完成封隔器座封;之后继续打压，直至压力突然降低，完成丢手施工;最后起出上部油管。施工后经过7次井口打压换层操作，现场全部成功，控制压力稳定在20 MPa，每一次打压操作中都产生了动作到位的示位信号，换层后的生产效果见表2.

表2 试验井生产情况统计表Tab.2 Statistical tables for the test well production

2.3 现场应用

该技术目前已在油田矿场已实施5口井，其中分4段的为1口井，分3段的为3口井，分2段为1口井，施工全部成功，调层20次，调层成功率100%.

3 开关状态的控制规律

当以打压次数为输入信号对井下各个状态进行控制时，现场需要查找表格判断井下状态，经常会造成井下状态混乱和控制错误。为此需要建立起开关状态控制规律，即输入信号与开关状态的数学关系。由此，现场可以预测井下各段控制器的开关状态，也可由井下各控制器的预定开关状态来选择正确的输入信号。

设x输入变量，表示总打压次数;n为循环次数;K为中间变量，表示循环后剩余打压次数;y为整数，代表单段状态数，如y(1)=y(2)=y(3)=y(4)=0代表各控制器关闭;y(1)=1代表1#控制器开启;y(2)代表2#控制器开启;y(3)代表3#控制器开启;y(4)代表4#控制器开启;j代表分段数;U表示调层状态的判断函数，等于各单段状态数的累加和。将分2段、3段和4段的各种开关状态对应关系在表3～表5列出。

表3 分2段换层时输入变量与开关状态的特征值对应关系Tab.3 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of two segments

表4 分3段换层时输入变量与开关状态的特征值对应关系Tab.4 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of three segments

表5 分4段换层时输入变量与开关状态的特征值对应关系Tab.5 Input variable and proper value of the switch state under the selective mining of four segments

在表2～表4，可归纳出如下规律

1 )总打压次数x和循环后剩余打压次数K的关系

2 )函数U与中间变量K和分采井的分段数j的关系

注:［ ］表示向下取整关系

3 )K值区间与各段开启状态的关系如表6所示。

表6 K值区间与各段开启状态对应关系Tab.6 Corresponding relationship of K interval and the open state

计算及判断过程:①输入分采井的分段数j和总打压次数x;②根据式(14)计算循环后剩余打压次数K和分采井的分段数j;③将K，j值代入式(15)计算出调层状态函数U值;④依据表5第1列计算K值所处的区间，并依据表5判断全井开启状态和具体开启层段。

算例:已知一口分采井分段数为4，当现场打压100次时，判断具体开启状态:通过式(14)得出x=16n+K，求得K=4，依据式(15)求得U=3，由于K∈［2，j+1］=［2，5］，根据表6 判断，本井为单开状态，U值=开启的单一开关器标号，即3#开关器开启。当现场打压110次时，通过式(14)得出x=16n+K，求得K=14，依据式(15)求得U=8，根据表6 可判断:K∈⎿4j-4，2j」=［12，16)，则本井处于三开状态，U值=开启的三个开关器标号之和，则开启的三个开关器的标号为1，3，4，即1#，3#，4#开关器开启。

4 结论

针对层间压力和深度差异大、油水分布复杂等层间矛盾突出、干扰严重的问题，提出了最优分层采油理念，即井口打压换向操作连续高效、井下动作可验证、控制压力不受压力及深度差异影响;纵向上交错分布的低压油层可组合起来开采，避免单层单段的低效生产。

抗干扰分采技术以总打压次数为输入信号控制各段配水器开关状态，在井口可有效控制各段单独开启或各段开启关闭任意组合。

抗干扰分采技术的核心工具为抗干扰控制器，它设置了一些功能机构，体现了抗干扰特点，满足了最优分层采油理念。一是设置了打压换向及状态控制机构，通过限位滑套外侧长短槽组合和限位销钉定置来控制控制器的开关状态;二是设置了压力差异和深度差异的平衡机构，消除了各段间压力差异和深度差异对地面打压操作的不利影响，协调了多个控制器的动作，提高了动作可靠性;三是设置了示位机构，能够产生示位信号，可以从地面确认开关器是否动作到位。

从抗干扰控制器结构出发，在理论上分析了任何一段控制器的井口控制压力Pki值与深度差异ΔH和地层压力Pdi的无关性。

各段全组合调换的分采技术在室内实验和现场实施中显示各段控制器安全可靠，调层准确，可有效避免油井层间矛盾带来的不利影响，在油田具有广阔的应用前景。

总结出了开关状态的控制规律，建立输入信号与开关状态的数学关系，通过它可以预测井下的开关状态，也可由预定的井下开关状态来确定所需的输入信号。

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