小尺寸高温电缆测调系统研究

2022-06-29刘长龙徐元德蒋少玖张志熊

仪器仪表用户 2022年7期

陈征，刘长龙，张乐，徐元德，王威，蒋少玖，张志熊

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

分层注水是保证油田长期稳产和高产的主要手段[1-3]。常规的分层注水技术有空心集成分层注水技术、同心分层注水技术、边测边调分层注水技术等，这些工艺在测调、验封时均需要钢丝或电缆作业配合，单井测调占用平台时间长。由于海上平台作业任务重，无法为钢丝、电缆调配作业提供足够的作业时间以及作业空间，同时大斜度井、水平注水井的井斜角超过60°，钢丝、电缆作业测调实施难度较大[4-9]。小尺寸高温电缆测调系统针对以上问题，在井下集成配水器，采用机电一体化设计，集分层验封、分层吸水量测试、分层水嘴无极调控功能于一体，在地面测调控制器的控制下，可实时监测分层注水状态，快速调整分层水嘴开度，达到分层验封与分层吸水指数测试的目的[10,11]，与现有技术相比具有无需钢丝电缆与井口作业，操作方便，测试效率高等特点[12]。同时，针对目前井下高温环境工作需求，选用耐温≥150℃的高温关键部件、高温密封工艺、耐高温电子元器件，全面提升电缆测调工作筒的高温工作性能和可靠性，使整套工艺可应用于深井、高温高压井分层注水，有效解决长期高温高压工作问题。

图1 小尺寸高温电缆测调系统Fig.1 Small size high temperature cable measurement and adjustment system

1 小尺寸高温电缆测调系统

小尺寸高温电缆测调系统包含：小尺寸高温电缆测调工作筒、地面控制器、上位机软件（远程终端）、钢管电缆、过电缆插入密封、过电缆定位密封[13]，系统如图1。

每层安装高温电缆测调工作筒，层间用封隔器隔开，地面与井下高温电缆测调工作筒之间，各层工作桶之间通过一根钢管电缆连接，进行供电与数据通信。

地面控制器连接PC 监控软件或远程控制终端，实时监测高温电缆测调工作筒采集的分层注入流量、压力、温度、水嘴开度等数据，并根据预设流量控制各层高温电缆测调工作筒的水嘴开度，即可实现不进行钢丝电缆作业，不动井口采油树的井下分层验封、分层吸水测试与分注量的调配。

高温电缆测调工作筒采用小尺寸设计，适用于防砂段最小内通径大于3.25 in 的直井、定向井和水平井。为配合测调工作筒在海上长期高温高压工作需要，对电缆测调工作筒进行了高温化设计，选用耐温≥150 ℃的高温关键部件、高温密封工艺、耐高温电子元器件，全面提升电缆智能测调工作筒的高温工作性能和可靠性，使升级后的整套工艺可应用于深井、高温高压井分层注水，有效解决长期高温高压工作问题。

图2 地面控制器电气框图Fig.2 Electrical block diagram of ground controller

2 地面控制系统

地面控制器通过电缆连接井下高温电缆测调工作筒，为高温电缆测调工作筒提供可靠电源，可对井下单层注水量、注水压力、温度、工作电压、电机工作电流、阀开度等生产参数进行连续监测，实现数据直读、实时控制、监测及存储等功能。

地面控制器通过有线或无线网络，将井口数据传输到数据处理器，数据处理器对采集的数据进行实时显示，并对井下仪的水嘴进行控制，实现打开、关闭、精细配注等功能。

地面控制器由以下部件组成：控制主机外壳、主测控电路板、电力载波数据通信组件、数据显示组件等。

地面控制器电路模块电气框图如图2，包含外部电源、电源模块、数据显示模块、电源开关控制模块、过压过流保护电路、存储模块、时钟模块、电力载波通信、通用接口等。

其中电源开关控制模块，通过控制继电器实现井下仪的供电与断电，同时具备过流、过压、短路等保护电路。电力载波通信组件包含发码电路、解码电路，实现与井下仪器的双向通信。存储模块可以对连续采样数据及地面发送的指令进行存储。通用接口包含RS485、RJ45 等接口，实现地面控制器与其他设备连接与通信，或通过网线、无线方式与计算机、远程中心进行数据通信与命令控制。

3 高温电缆测调工作筒结构设计

3.1 仪器结构和工作原理

高温电缆测调工作筒整个仪器采用机电一体化结构设计，集成数据测试与流量调节于一体。仪器包含上下接头、过流通道、一体化可调水嘴组件（包括水嘴、传动机构和电机等）、主控电路短节、信息采集短节（管内压力、管外压力、温度、流量）和流量计短节等几个部分组成，流量计集成于下接头体内[14]。

仪器注入液体路径如下：注入液体从上接头流入，经过偏心过流通道进入下接头。液体在下接头中分为两部分，其中一部分液体从下接头流出仪器，进入下一注水层；另一部分液体经过流量计后，从水嘴流出仪器，进入地层。

仪器上下接头实现注水工艺管柱的连接，同时集成了过线和安装其他组件的功能；水嘴组件中集成了电机、传动机构和无极可调水嘴；验封组件集成了控制电路板、温度传感器、压力传感器、流量传感器。

仪器采用孔板式流量计进行流量测量，无运动部件，稳定性好，抗污能力强；水嘴组件采用平衡压结构，避免井下高压对水嘴调节的影响；水嘴结构采用直通式设计，降低压损的同时，能有效防止流道堵塞的情况发生。各部分相对独立，由信号和控制线连接进行供电和通信。

3.2 仪器特点

1）适用3.25 in 小直径井

本仪器采用小尺寸设计，最大外径80 mm，适用于防砂段最小内通径大于3.25 in 的直井、定向井和水平井，采用快速插入式电缆连接。

2）作业方式简单高效

高温电缆测调工作筒电缆连接采用快速插入式连接方式，现场施工简单高效。

3）具备内部所有部件的二次密封机构设计，实现内部电路、电机等所有部件的密封性能达到耐压≥50 MPa，且在此渗漏压力下内部各部件均可实现正常工作。

4）高温电缆测调工作筒可以实时测量注入流量、油管内压力、配注层段压力（嘴后压力）、地层温度、水嘴阀开度，把测试的数据实时传输地面控制柜，并能够识别地面控制柜发送的命令，以及按配注要求进行水嘴开度调节，完成配注流量调整。

5）高温电缆测调工作筒通过环空外压力的实时监测，实现了封隔器的在线验封。

6）高温电缆测调工作筒的可调水嘴，采用平衡压结构设计，工作力矩更小。电动执行机构水嘴（注水阀）采用陶瓷材料，能有效应对冲蚀和结垢影响，实现0%～100%的线性调节，并能实现水嘴完全关死（零漏失量）。

7）电路设计中，具有电压过压、电流过流保护功能，防止误操作、电压冲击导致井下仪电路、电机损坏，所有芯片温度等级均≥150℃，满足井下长期高温工作需求。

8）高温电缆测调工作筒单井支持最大7 层数据连接，采用总线寻找方式，并确保无相互信号干扰问题。

4 流量计选型

4.1 流量测量方式的选择

常规井下流量计多采用电磁流量计、超声流量计、涡街流量计、浮子流量计、差压流量计等主流的流量测量方式。

电磁流量计和超声流量计的量程比大，压力损失小，测量精度高，但具有探头易结垢、沾污、电路复杂，高温高压下长期可靠性差等缺点。

涡街流量计安装简单，量程比大，但对管道机械振动较敏感，且不适用于小口径，低流速情况。

浮子流量计的量程比高，但具有运动部件，电路较复杂，长期工作不稳定，容易卡死。

差压流量计具有体积小，结构简单，无运动部件，耐腐蚀锈蚀，电路简单等特点，可以在注水应用中满足进行长期使用的要求，所以本仪器的流量测量方式选择差压式流量计。

差压式流量计由流体管道、节流孔板、孔前压和孔后压取压孔、孔前压和孔后压传感器组成[15]。

4.2 差压流量计工作原理

仪器的注入液体经过流体管道进入仪器下接头，其中一部分经过孔板和孔板后面的稳流通道后，流出水嘴注入目标地层。在流体管道和节流孔板的后面，分别设计有孔前压和孔后压传感器组件，电路通过两个压力传感器采集到孔前压力和孔后压力，经过流量算法即可计算出当前注入目标地层的实时流量。

更换不同尺寸的标准节流孔板，可实现不同流量的测量。

孔板式流量计的工作原理属于差压流量计的一种方式，在流体管道上两段具有等直径的圆形横截面的直管段之间装有一个节流装置，其内部装有一个孔板，流体流过孔板时由于孔径变小，截面积收缩，速度加快，在孔板前后产生压力降落即差压。通过测量孔板前后的压差，而计算取得流量数据的方法。差压流量计结构如图3，其流量计算公式为

其中， ΔP：孔口前后差压（Pa）；A：孔口面积（m2）；ρ：流体的密度（kg/m3）；Cd：流量系数；qv：流量（m3/s）。

5 自动在线验封

该小尺寸高温电缆测调系统具有自动在线验封的功能，能够根据需要随时进行验封，无需增加任何生产成本。

使用上位机软件通过地面控制器分别向高温电缆测调工作筒发送测调指令，控制水嘴开关，保持井口注水压力不变，在上位机软件上监测仪器采集的油套环空外压力。水嘴全关时，当前注水层环空外压力保持不变；水嘴全开时，当前注水层环空外压力会随井口注水压力的不同而变化。在井口注水压力保持不变时，相邻两层环空外压力不同，差值保持不变。以此来判断层间密封合格，否则密封不合格[12]。

图3 流量计原理图Fig.3 Schematic diagram of the flowmeter

6 流量自动测调

自动测调功能是由地面控制系统自动控制高温电缆测调工作筒进行水嘴开度调节，从而实现流量自动调节功能。

地面控制器根据预设的自动测调时间，逐层监测流量数据，与各层目标流量调节值进行比对，配注精度在10%以内，认为流量数据正常。否则进行当前层流量自动调节，单层调节时间不超过5 min。逐层进行调节，每次系统自动调节功能最多进行3 次循环。如存在个别层流量不满足要求，发出报警提示，需人工干预或采取其他措施。

自动测调流程图如图4。