一体化测调验封技术应用研究

冯贵洪，胡建新，王丽，蒋士

（1.贵州航天凯山石油仪器有限公司，贵州 贵阳 550009；2.华北油田第二采油厂设备科，河北 廊坊 065000；3.渤海石油装备制造有限公司采油装备分公司，河北 任丘 062550；4.渤海装备采油装备抽油机公司，河北 青县 062650）

油田开发中后期，随着石油资源的日益枯竭，地层压力不断下降，导致原油开采难度和成本大幅增加。我国油田普遍采用注水驱油的方法提高原油采收率，东部油田大都进入高含水期（≥90%），无效注水增多、产出能效比低，原油开采成本急剧上升，且国际油价长期低位徘徊，导致国内油企承受巨大的运营成本压力。而传统分立的水井高效测调和验封技术，油田不仅需要配备专门的测调仪器、验封仪器，还要配备专门的测调班组、验封班组及专用测试车辆，成本较高；传统的水井测调和验封工作，往往需要4 ～6d，班组重复劳动、多趟起下等问题导致测试效率低下，测试疑难问题得不到及时处理而影响注水驱油效果。

为解决上述问题，油田急需开发一种能大幅提高水井测试效率的一体化测调验封技术和仪器，单趟下井即可完成测调、验封工作，降低测试成本及原油开采成本。

1 技术方案介绍

1.1 系统组成

一体化测调验封装置系统由井下仪、地面测控仪、测控软件及电缆测井车等部分组成。井下仪实现井下流量、压力、温度等信号的采集处理、电机控制、单芯通讯等功能，是系统的核心组成；地面测控仪实现与井下仪的单芯供电和通讯功能，并通过USB 接口与计算机进行通讯；测控软件实现仪器操控、数据显示、数据处理等功能，为人机交互界面；电缆测井车、防喷装置等为油田高效测调标准配置。

1.2 井下仪布局及工作原理

井下仪从上至下依次为马笼头、上导流组件、测控短节、验封短节、下导流组件，布局满足一体化测调验封仪器下井长度和部分油田井口人工举升长度要求。

井下仪集测调、验封功能于一体，两功能短节由同一主机内的主控电路进行控制和数据采集。调节臂、支撑爪等由相应的电机驱动实现收张；导向爪由凸轮机构控制，上提仪器释放后，处于常开状态。通过调节臂、支撑爪和导向爪三者状态的组合，实现仪器的主要功能。

（1）分层流量测试功能。调节臂、支撑爪等处于收拢状态，仪器可以在管柱内任意层段通过或停留，测试流量卡片。

（2）测调功能。控制调节组件上的调节臂张开，验封短节上的皮碗、支撑爪处于收拢状态；在配水器上方下放仪器，通过导向爪、调节臂与配水器内部结构的配合，实现导向座层，完成调节臂与可调水嘴的对接。通过转动调节电机，带动水嘴可调阀芯的运动，实现分层注水量的测调功能。

（3）验封功能。调节臂处于收拢状态，控制验封短节上的支撑爪张开，下放仪器使得支撑爪坐到配水器定位台阶上实现座层离合，控制皮碗胀封，隔绝油管压力和地层压力。通过两条压力曲线的走势，判断封隔器的工况，实现本级封隔器的验封功能。

2 关键技术研究

2.1 多芯油壬连接技术

采用1.1 所述的布局方案，将完整的验封短节置于调节臂和导向爪之间，结构最紧凑、长度最短。验封短节上安装有油管压力传感器、地层压力传感器、验封电机等元件，并需要通过连接下流量组件的若干信号线，共有20 余根导线要穿过调节短节狭小过线空间连接到主机电路板上，装配、检测及维修都比较困难。此外，还必须满足仪器测调导向距离不大于700mm 的要求及方向性要求，以保证水嘴对接成功。为此，我们在验封短节和调节短节的连接处，采用了多芯油壬连接技术，解决了上述工程难题。

具体技术方案为：

（1）在验封短节电机传感器组件狭小空间内，将多个电器元件的引线集束与多芯插头连接，通过多芯接插件实现验封短节与调节短节的电气连接，改善仪器的维护、维修便利性，提高装配工艺性和整机可靠性。

（2）通过验封短节前端的半圆凸台与调节短节中插座支架前端的半圆凹槽配合，实现验封短节与调节短节的导向连接和电气连接的准确定位，以避免多芯接插件对偶针芯受到对接扭矩损坏。

（3）插头与验封短节、以及插座与调节短节的连接均采用非圆孔柱配合连接方式，限制接插件、结构件的径向转动，避免受限空间内导线束缠绕、扭曲，提高电气连接的安全性。

（4）采用结构件承受外界高压作用力，避免接插件受力损坏。

多芯油壬连接技术是实现直读式一体化测调验封技术的核心、关键技术，解决了多根导线穿越复杂机构、井下仪器狭小受限空间的实际工程难题。基于该技术申请的专利《一种验封短节与测调短节的连接方法及结构（ZL201510680689.1）》获得授权，并获2017 ～2018 年度贵州省专利奖优秀奖。

2.2 流量测调技术

测调是一体化测调验封仪器的主要功能，基本要求就是“流量测得准，水量调得动”。为适应各油田复杂地质情况，我们在提高流量传感器耐压能力、换能器延寿、高温流量测试及提高调节扭矩等方面开展了研究工作。

（1）采用全密封流量传感器结构，仅换能器发声面与井液接触，换能器尾部、导线等处于常压、密封环境，故仪器流量传感器部分耐压能力较原有采用PEEK 壳换能器、开放式导流管结构提高近一倍，达到80MPa 以上，密封可靠性、绝缘性和寿命得到大幅较高。兼顾超声波最佳穿透效果和外壳耐压80MPa 要求是全密封流量传感器设计的关键和难点；

（2）开展耐温155℃高温换能器研究。采用耐温等级更高的改型钛酸铅陶瓷晶片，晶片与不锈钢壳体之间采用特殊耦合层粘接，避免出现热胀冷缩导致的结合面脱离或开裂；并进行频率筛选、配对，尽量减小换能器温漂导致的“静水流量”影响。以上措施提高了仪器的适用温度范围，改善了困扰多年的“静水流量”问题。相关产品在华北油田等开展试验，流量零位基本在3m3/d 左右，且高温下零位基本稳定，能够满足现场流量测试需求；

（3）采用工艺性更好、传动效率更高的传动机构及进口高温大扭矩微型电机组合，测调时最大输出扭矩已达到16N·m 以上。

采用上述技术方案后，仪器测调功能已能较好地满足国内大部分油田水井测调的要求，测调效果得到用户认可。

2.3 可电控泄压的高压差皮碗验封技术

皮碗是实现电动验封的关键密封件，需要承受不小于10MPa 验封压差，鼓胀验封后还需要安全回收，以免造成掉卡井事故。为提高电动验封技术适用性、安全性，我们开展了φ42 电动密封、可控电动泄压等相关技术研究。

（1）φ42 电动密封技术。将仪器（密封段局部）最大外径由φ44 减小到φ42，可改善仪器通过性能，但在居中情况下皮碗密封间隙由1mm 增大为2mm，会导致皮碗耐压能力大幅下降。在验封原理、结构参数不作大的调整前提下，我们采用高硬度皮碗方案来提高其密封耐压能力，并成功解决高硬度与脱模工艺性的工程难题；

（2）电动泄压技术。皮碗胀封后，地层压力通道建立。双压力传感器分别监测地层压力和油管压力变化，通过曲线走势可直观判断封隔器密封情况。泄压时，传动螺母运动同步打开泄压阀芯，实现泄压，皮碗两侧压力逐渐降低至平衡，传动机构拉伸皮碗直至行程走完。

采用φ42 电动密封、电动泄压技术的仪器在现场验封效果良好，能满足大多数井通过要求和大压差井验封要求。

3 推广应用情况

2015 年，贵州航天凯山石油仪器有限公司在原有测调、验封技术基础上，组织实施偏心一体化测调验封装置项目研发，成功开发出国内首支偏心注水井一体测调验封装置，技术处于国内领先水平。

产品将油田水井测调、验封时间从原来的4 ～6d 缩短到1 ～2d，提高测试效率一倍以上，水井单井测试成本降低30%，在大庆油田、辽河油田、华北油田等采油单位得到规模化推广应用。该系统已累计销售200 余台（套），服务水井7000 余口，为油田提高采收率、稳产增产作出了应有贡献。

4 结语

一体化测调验封技术是新兴的水井测试技术，在测试效率、成本等方面较传统分立测试技术有较大优势，目前已在国内部分油田推广应用。相关单位应在此基础上继续开展技术改进和完善工作，推进水井测试技术发展，为油田稳产、增产作出更大贡献。