小尺寸高温电缆测调工作筒技术研究

张 乐，刘长龙，陈 征，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

统计资料显示，渤海油田注水开发占比达78%，现有注水井超过811口，其中分层注水井超过742口，分注井占比超过90%。渤海油田常规的分注技术主要有同心分层注水技术、空心集成分层注水技术、边测边调分层注水技术等，分层测调、层间验封均需要借助钢丝或电缆作业配合，受平台作业窗口、井斜、单井测调周期长等多方面因素的影响，普遍存在注水井分层测调不及时，大斜度井无法测调，测调效率低等问题，造成渤海油田注水井三率较低，严重地影响了油田注水开发的效果。

目前渤海油田深井与高温高压井当中分层注水细分程度不高，对于小防砂内通径（3.25in）井筒内的智能分注工艺，仅有边测边调和无缆智能测调技术可实现井下智能分注，且不能适应长期高温环境。对于大斜度/水平井，目前仅有无缆和有缆智能测调技术可实现井下智能分注目标，但作为永置式井下仪器，面对150℃左右的高温注水井，采用现有常规智能分注技术的仪器不能实现长期有效的稳定工作。以上原因导致常规电缆智能测调工艺无法直接应用于小尺寸井、深井、高温高压井分层注水。

高温电缆智能测调工艺主要是保持整个智能分注系统的工作原理不变，将耐温125℃左右的电缆智能测调工作筒通过技术升级。在机械设计方面，优化仪器结构，缩小仪器尺寸，增加仪器耐压，研究耐高温密封工艺；在电气设计方面，选用耐温≥150℃的高温关键部件、耐高温电子元器件，全面提升电缆智能测调工作筒（以下简称“高温工作筒”）的高温工作性能和可靠性，使升级后的整套工艺可应用于小尺寸井、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。

1 小尺寸高温电缆测调工作筒结构

小尺寸高温有缆智能测调工作筒外径φ80mm，适用于防砂段最小内通径大于3.25in的直井、定向井和水平井。整个仪器采用紧凑型机电一体化结构设计，集成数据测试与流量调节为一体。

仪器结构如图1所示，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。

图1 水嘴结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the faucet

高温有缆智能测调工作筒的各部件通过调质处理保证整机强度及密封性满足70MPa，并进行表面QPQ处理，具备耐酸腐蚀、耐微压裂等增产增注措施。

高温有缆智能测调工作筒通过结构优化设计，具备多级密封结构。仪器由上接头、下接头、外护管和中心过流管组成的一次密封腔体内，可调水嘴组件、验封组件、传感器组件等部件均实现了独立的模块化设计，每个组件都各自实现了相互独立的再次密封结构，各组件之间使用密封塞加胶套连接，线束采用高性能承压连接线，组成仪器的二次密封结构。二次密封结构可以实现在不安装外护管的情况下，将高温有缆智能测调工作筒整体浸入水中，仪器可正常工作。这样的设计进一步提高了仪器在井下高温高压环境下长期工作的可靠性。

2 高温密封

高温密封可靠性直接决定了高温有缆智能测调工作筒的工作寿命，井下石油仪器一般采用O形密封圈进行高压密封，O形密封圈具有多种材质和规格，各材质O形密封圈的性能特点见表1。从表1可以看出，硅橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯等材质具备耐高温优势，考虑到工作筒需要具备耐酸腐蚀，并且需要兼顾动密封，氟橡胶O形密封圈是较为合适的选择。为了实现长期高温高压条件下的可靠密封，本文优选了3种耐高温氟橡胶O形密封圈进行筛选试验，见表2。

表1 O形密封圈材质参数Table 1 O-Ring material parameters

表2 O形密封圈筛选试验Table 2 O-Ring screening test

耐高温O形密封圈试验结果整理见表3，种类1性能优良，高温工作筒所有O形密封圈型号均选用种类1。

表3 O形密封圈筛选结果Table 3 O-Ring screening results

3 电气设计

高温电缆测调工作筒的电气原理与常规电缆测调工作筒的电气原理相同，主要包含电源电路、主控采集电路、电机控制电路、编解码电路4个部分。

电源电路：从单芯电缆总线获取电，经电源电路转换后为工作筒的主控电路、电机控制电路、编解码电路提供电源，并具备过压、限流保护功能，在仪器发生密封失效或者电路损坏时，保护电路可实现本层工作筒损坏不影响其它层工作筒正常工作。

主控采集电路：主要实现分层注入流量、注入压力、地层压力、地层温度、水嘴开度等参数的实时测量；接收解码电路的输出信号，获取地面下行指令，并且为发码电路提供驱动信号。

电机控制电路：通过桥式电路控制电机正反转，实现水嘴开、关调节，并具有电机电流的测量功能。

编解码电路：通过PLC（Power Line Communication）电力线载波通信技术，实现地面控制系统与井下电缆测调工作筒的数据双向通信与命令传输。

高温电缆测调工作筒下井后置于各个注水层，通过固定在油管外表面的单芯钢管电缆或塑皮铠装电缆延伸到井口，从采油树引出与地面控制器电气连接，进行供电和数据通信。电源电路把总线高电压转换成井下各电路所需的电压，同时增加电流检测也与过压保护电路，防止误操作过压对井下电路与电机的损坏。工作筒解码电路把电缆上的信号进行滤波、信号调理后送入MCU，MCU获取地面下行的指令，执行相应的操作。工作筒发码电路，把采集到的参数通过电容耦合到总线上，以曼彻斯特编码型式发送到地面控制器。

图2 电气框图Fig.2 Electrical block diagram

工作筒内置温度传感器、耐高温压力传感器和流量计，各种传感器的输出信号通过信号采集电路处理后经24位AD采集芯片采集，可以对压力、温度、流量信号进行精准测量。电机控制电路通过主控单元发送指令，可以实时进行水嘴开度的调节，并根据霍尔进行开度检测，按需分配各层注水量。

4 高温电子元器件筛选

电子元器件是仪器电气系统的基本组成部件，所以电子设备的可靠性直接由电子元器件的可靠性决定。在一般电子设备故障率中，电子元器件质量问题占有很大的比例。温度应力对元器件的可靠性影响很大，电子仪器工作时所消耗的电能，绝大部分转化为热能，温度过高，可造成电子元器件或部件失效。根据美国空军的研究结果显示，机载电子仪器的现场失效为20%，这些失效均由温度变化造成。在《电子设备可靠性预计手册》中标明了常见的14种元器件的失效数据，而其中有8种元器件的失效是由温度引起的。它们分别为分立半导体器体、集成电路、电阻器、电容器、电感器、转动元件、继电器和联接装置。这8种元器件，占据了电子仪器中全部电子元器件的绝大部分。人们在使用电子仪器时，如果环境温度超过设备规定的允许温度范围，将造成电子仪器失效。

高温电缆测调工作筒为井下高温永置式仪器，电子元器件将接受井下长期高温恶劣工作环境的考验。为尽可能提高仪器的长期可靠性，对高温电缆测调工作筒所涉及到的集成芯片和电子元器件型号进行了高温选型，以满足长期高温使用要求。电气部分整体按照环境温度150℃进行设计，对各类电子元器件进行严格选型，保证所有器件和集成芯片工作环境温度满足TA≥150℃的要求，具体选型原则见表4。

表4 电子元器件选型原则Table 4 Selection principles of electronic components

电子元器件的失效率随时间变化的过程可以用“浴盆曲线”模型来描述，早期失效率随时间的增加而迅速下降，故障偶发期（使用寿命期）内失效率基本不变。为了进一步提高电路在高温环境下的可靠性，依托“浴盆曲线”模型对选型的电子元器件进行筛选。

筛选时，在热电应力的共同作用下，可以很好地暴露元器件内部的多种缺陷，提前剔除故障元件，进而提高整机寿命。筛选方案见表5。

表5 电子元器件筛选方案Table 5 Screening scheme of electronic components

5 总结

本文设计了一种小尺寸高温电缆测调工作筒的机械结构和电气系统，在结构方面实现了仪器的二次密封，并针对井下高温仪器的高可靠性需求，进行了耐高温密封圈的材质和型号筛选研究，给出了电子元器件筛选方案，结合以上措施可有效提高高温电缆测调工作筒的长期使用可靠性。