直读测调偏心恒流配水器研制

2020-12-03肖国华黄晓蒙李会杰关海峰

特种油气藏 2020年5期

肖国华，黄晓蒙，李会杰，关海峰

(1.中国石油冀东油田分公司，河北唐山 063004；2.中国石油长庆油田分公司，内蒙古鄂尔多斯 017300)

0 引言

冀东南堡滩海油田主要采用陆岸平台和人工岛海油陆采的方式进行开采，采用大斜度定向井开发，分注井具有井斜大(井斜为20～65 °，其中，井斜大于35 °的占62%左右)、埋深大(注水井井深为2 600～3 800 m)、分注层段多(3～6层)的特点[1-5]。在应用成熟的偏心分注技术时[6-20]，堵塞器投捞难度大、测试成功率低、测试周期长、测试费用高、配注合格率下降，难以满足地质配注要求，严重影响了注水开发效果。近几年，针对多级细分注水试验了电缆同心测调分注技术[21-22]，下入同心测调专用测调工具——测调仪与同心配水器进行对接，根据地面控制器发出的控制信息对同心配水器注水量进行测量与调节，测调效率和准确率有所提高，但也存在同心配水器测调扭矩大、压力波动造成注水量频繁变化、小流量测调精度不准、配注合格率低等问题。针对以上问题，研制了偏心恒流配水器，与通用测调仪对接，形成了直读测调偏心恒流分注技术，既能提高测调精度和测调成功率，又能实现恒流注水，提高配注合格率和分注效果，满足深斜井多级细分注水的需要。

1 直读测调偏心恒流分注技术

直读测调偏心恒流分注技术是采用同心测调的方法，对各分注层段的偏心恒流配水器进行测试与调配，从而达到分层配注的目的。测调分注管柱主要由封隔器、偏心恒流配水器、不压井洗井阀、筛管、丝堵等组成(图1)。

图1 同心测调偏心恒流分注管柱示意图(以3级3段为例)Fig.1 The concentric measurement-adjustment eccentric constant-flow separate injection pipe (take 3 stages and 3 sections as an example)

工作原理：以三级三段同心测调分注管柱为例。按照地质分注方案设计要求，通过Φ73 mm油管将管柱下入井下，在井口打压，坐封各级封隔器，此时，各偏心恒流配水器(简称配水器，下同)为关闭状态。为了减少作业程序，一般由下至上进行分级测调。利用电缆将测调仪下入井内，与第3级配水器对接，此时，第3级配水器的中心管被测调仪封闭；地面控制系统发送指令，通过测调仪打开配水器调节水嘴，注入水沿油管、第1级和第2级配水器的中心管和桥式通道，到达第3级配水器，经第3级配水器的桥式通道，通过恒流水嘴对第3分注层段恒流注水(图2a)；同时，测调仪可将注水量、温度、压力等数据通过电缆上传至地面控制设备，并在电脑终端实时显示，达到实时调控注水量的目的。测调完成后，上提电缆，第3级配水器的中心管打开，注入水通过第3级配水器的中心管和桥式通道一起注水。继续上提电缆，测调仪与第2级配水器对接，此时，第2级配水器的中心管被测调仪封闭，注入水沿油管、第1级配水器的中心管和桥式通道、第2级配水器的桥式通道对第2分注层段进行注水，同时，注入水通过第2级配水器的桥式通道进入下部油层(图2b)。通过桥式通道的设计，测调时也不会影响下部油层的注水。再次上提电缆，完成对第1分注层段的测调(图2c)，从而实现3级3段同心测调注水。测调全部完成后，配水器的中心管和桥式通道共同提供注入水的流动通道。

图2 同心测调偏心分注管柱示意图(以三级三段为例)Fig.2 The concentric measurement-adjustment eccentric separate injection pipe (take 3 stages and 3 sections as an example)

2 偏心恒流配水器

2.1 结构

配水器主要由上下接头、旋转调节机构、水嘴控制机构、主体、桥式通道、恒流控制机构等组成(图3)。旋转调节机构主要由测调仪定位爪对接凹槽、调节套、大齿轮、小齿轮和丝杠组成；水嘴控制机构主要由陶瓷阀芯、陶瓷阀套和调节水嘴组成；恒流控制机构主要由恒流水嘴、恒流阀芯、弹簧和恒流阀套组成。配水器主通道与油管同心，调节水嘴和恒流水嘴均为偏心结构。

图3 偏心恒流配水器工艺结构示意图Fig.3 The process structure of eccentric constant-flow water distributor

2.2 工作原理

注水时，注入水从上部油管流入到配水器后进入水嘴控制机构，经调节水嘴后沿着连接短套与主体形成的环形腔进入恒流机构(图3a红色箭头所示)，经恒流水嘴进入地层。在测调时，因测调仪占用配水器中心通道，注入水从桥式通道偏心通孔流入到配水器和下层油管中。当对注水量进行测调时，通过电缆将测调仪下入井内，地面控制设备发送指令打开测调仪定位爪，测调仪定位爪与配水器的测调仪定位爪对接凹槽对接，测调仪卡入定位筒，测调仪的调节臂进入调节套中。此时，地面控制设备发送信号，测调仪电机工作，测调仪调节臂带动调节套转动。由于大齿轮和调节套相连，大齿轮随之同步运动。大齿轮带动与其啮合的小齿轮(图3b)，小齿轮带动丝杠上下运动，丝杠带动陶瓷阀芯上下运动，对调节水嘴(V形水嘴)的开闭程度进行调节，从而精准调节注水量。测调仪可在测调过程中对注水量进行实时直读测量，直至测量水量与地质配注量一致。当注水压力波动时，由于弹簧的作用，配水器的恒流阀芯能够保持其前后的压差维持在一定的范围内，恒流水嘴处注水量始终处于恒定。

2.3 优化设计

2.3.1 配水器小型化偏心设计

常规同心配水器注水主通道与阀套和调节阀芯同心(图4a)，阀套和调节阀芯配合面直径为60.00 mm，配合间隙为0.20 mm，配合面周长为188.40 mm，配合间隙的过流面积为18.87 mm2，漏失量较大，测调精度低；阀套和调节阀芯配合面间隙大，测调时二者之间的测调阻力也较大，导致调节扭矩变大。水嘴宽度为5 mm的条形宽孔无法满足小配注量精准调配要求。因此，对配水器的阀套和阀芯进行了优化设计。

图4 配水器对比示意图Fig.4 Comparison of water distributors

(1) 小型化偏心设计。将配水器调节阀偏心设置，阀套和阀芯设计在主通道的一边(图4b)，二者之间配合面直径为12.00 mm，配合间隙为0.02 mm，配合面周长为37.68 mm，配合间隙的过流面积为0.38 mm2，配合间隙过流面积产生的漏失流量为原来的2%。

(2)采用齿轮啮合机构。配水器主体设置大齿轮，在调节阀处设置小齿轮，2个齿轮相互啮合(图3b)，通过齿轮传动降低调节阀扭矩，测调扭矩降低80%。

(3)阀套和阀芯采用高密度氧化锆陶瓷材质，二者之间的配合精度提高了50倍，消除了间隙对漏失的影响，测调更加精确。

(4)将常规同心配水器调节阀芯上的条形宽孔水嘴优化为V形(图5)，小注水量时调节精度更高，满足小配注量调配要求。

图5 V形开口陶瓷水嘴Fig.5 The ceramic faucet of V-shaped opening

2.3.2 恒流控制机构设计

常规同心配水器阀套和调节阀芯配合面间隙大，漏失大，常规配水器易受压力波动影响，注水量难以恒定，影响注水井配注合格率。为解决流量难以恒定问题，在配水器上设计了恒流控制机构。恒流控制机构也是偏心设计，位于偏心配水器出水孔下部，主要由恒流水嘴、恒流阀芯、弹簧和恒流阀套组成(图3a)。当注水压力波动时，恒流阀芯受弹簧力的作用，能够保持恒流阀芯前后压差维持在一定的范围内，消除了压力波动对注水量的影响，实现恒流注水。

2.3.3 桥式通道设计

利用测调仪测调时，配水器的中心通道被封闭，为保证本层和下层正常注水，在配水器上设计了桥式通道(图3b)，在主注水通道旁边开通9个桥式偏心通孔，通孔直径为9 mm。桥式偏心通孔一直是打开状态，测调时，可为本层和下层注入水提供水流通道；测调全部完成后，桥式偏心通孔和主通道一起为注入水提供水流通道。桥式偏心通孔上下连通，也可消除压差，便于仪器和测试短节的顺利起出。

2.4 主要技术参数

偏心恒流配水器外径为110 mm，内径为46 mm，耐压为50 MPa，耐温为150 ℃；注水流量不大于60.0 m3/d时,测调扭矩不大于12 N·m；压力变化不大于10 MPa时，恒流流量误差为±10%；适用套管尺寸为139.7、177.8 mm。

3 现场试验

截至目前，直读测调偏心恒流配水器在冀东南堡1-1、柳中等区块现场试验25口井，累计测调58井次。单层配注量为10.0～30.0 m3/d，测调精度由10.0 m3/d提高至0.5 m3/d。测调成功率由原来的74.0%提高至97.6%，配注合格率由70.0%提高至92.7%。测调时间由3～7 d降为1 d，测调效率提高3倍以上。现场试验表明，该技术可解决冀东油田大斜度井多级分注难题，提高分层调配效率和配注合格率。

NP11-233井为南堡1-1区块1口注水井，前期采用笼统注水方式，日注水量为50 m3/d，注入层位为Ed1(9、10、11、12号层)。吸水剖面显示，9号层为主吸水层，其他层吸水状况较差。为改善吸水状况，需实施3段分注。第1段为9号层，井段为3 341.0～3 342.4 m，配注量为10.0 m3/d；第2段为10号层，井段为3 347.4～3 351.0 m，配注量为20.0 m3/d；第3段为11、12号层，井段为3 357.0～3 398.6 m，配注量为20.0 m3/d。2018年9月顺利下入3个直读测调偏心恒流配水器，自上至下位置分别为3 324.6、3 349.4、3 373.7 m。分注段最大井斜为56.32°，最高井下温度为100 ℃，按照配注要求进行了5次测调，单层测调最小误差为1.0%，最大误差为17.0%，平均误差为8.2%，达到了测调要求；测调成功率为100%，单层单次测调时间为6～7 h，极大提高了测调效率(表1)。