可投捞式缆控智能分注工艺及装置分析

2022-08-03金振东

石油矿场机械 2022年4期

金振东

(1.大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453；2.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室，黑龙江大庆 163453)

国内部分油田进入特高含水开发阶段，随着分注层段的增多，层间干扰严重、地层参数波动频繁、测试工作量日益增加[1-5]，为此，大庆油田、华北油田、大港油田等开展了非接触式和缆控式等一系列智能分注工艺技术的研究，实现了注水井井下参数的连续监测及自动测调[6-17]。在实际应用中，当流量调节阀发生卡阻等故障无法正常工作时，井下分层注入量无法调节，影响注水合格率和开发效果。为解决这一问题，传统做法是起出井下管柱重新作业施工，这直接导致缆控智能分层注水井运行维护成本的大幅增加。为此需要研发一种新的工艺，实现井下参数连续监测和自动测调的同时，解决流量调节阀卡阻带来的问题。

1 整体工艺

可投捞式缆控智能分注工艺的装置主要由地面控制器、无线通讯设备、计算机、电缆、可投捞式缆控智能配水器和过电缆封隔器等组成，如图1所示。可投捞式缆控智能配水器机械结构部分通过油管、过缆封隔器等井下分层注水管柱配件串接构成井下分层注水管柱。该工艺以计算机为测控中心和人/机交互媒介，计算机USB3.0转RS485通信接口与地面控制器RS485通信接口进行各种不同测控操作指令传输，再由地面控制器的井下供电/载波接口通过单芯电缆传送至井下目标测控层位的可投捞式缆控智能配水器。井下可投捞式缆控智能配水器接收到井口地面控制器测控指令后，根据测控指令进行测量和控制，实现井下分层流量、压力、温度、流量调节阀状态等参数的连续监测和自动测调，并可通过无线通讯设备实现远程无线监测和控制。缆控智能配水器中的流量调节阀为可投捞式布局结构，当流量调节阀发生卡阻等故障无法正常工作时，可投捞调节阀可通过下入投捞仪器将流量调节阀整体捞出，修理或更换后重新投入智能配水器内。

1- 地面控制器；2-无线通讯设备；3-计算机；4-过电缆封隔器；5-可投捞调节阀；6-可投捞式缆控智能配水器；7-电缆。图1 可投捞式缆控智能分注工艺装置

2 核心工具

2.1 可投捞式缆控智能配水器

2.1.1 结构组成

可投捞式缆控智能配水器是可投捞式缆控智能分注工艺的关键组成部分,主要由上接头、导向体、可投捞调节阀、控制执行机构、下接头、电磁流量计、嘴前压力传感器、嘴后压力传感器、测控线路板、导向笔尖等组成。其结构示意如图2所示。

1-上接头；2-导向体；3-可投捞调节阀；4-控制执行机构；5-下接头；6-导向笔尖；7-测控线路板；8-嘴后压力传感器；9-电磁流量计；10-嘴前压力传感器。图2 可投捞式缆控智能配水器结构示意图

2.1.2 工艺原理

可投捞式缆控智能配水器可以接收由地面控制器发出的操作指令，根据测控指令进行测量和控制，实现注水井分层流量调配。一方面，测量釆集井下当前层位相关的流量、地层压力、管柱压力、阀开度、调节电机工作电流、缆头工作电压等测控信息；另一方面，调节控制可投捞式缆控智能配水器中的可投捞调节阀，实现对井下分层注水流量的手动或自动调配；同时，将相关的流量、地层压力、管柱压力、阀开度、调节电机工作电流、缆头工作电压等测控信息通过单芯钢管电缆变频载波发送至井口地面控制箱。其中，导向笔尖与下接头内部同心配合，导向笔尖导向开口与导向开槽同向安装，配合使用投捞仪可以实现投送或捞出可投捞调节阀。

2.1.3 测控线路

可投捞式缆控智能配水器测控线路如图3所示。

图3 可投捞式缆控智能配水器测控线路组成

2.1.4 技术参数

外形尺寸 ø114 mm×1 980 mm

中心通径 ø46 mm

偏孔内径 ø20 mm

调节电机 1.5 r/min，8 N·m

调节行程 0～40 mm(对应0～100%开度，分辨率≤0.5%)

工作温度 -35～105 ℃

温度测量范围 -40～115 ℃

温度测量误差 ±1 ℃

压力测量范围 0～60 MPa，嘴前、嘴后各1组

压力测量误差 ±0.2%

流量测量范围 0～160 m3/d

流量测量误差 ≤±2%

流量控制方式手动模式可正调、反调、停止

自动模式流量自动控制。

2.2 可投捞调节阀

2.2.1 结构组成

可投捞调节阀是可投捞式缆控智能分注工艺实现井下分层流量控制的关键组成部分，它与可投捞式缆控智能配水器配套使用。可投捞调节阀主要有打捞杆、投送锁定套、凸轮锁片、阀安装壳体、全关密封圈、阀套、安装壳体、复位弹簧、阀芯过渡杆、螺套、锁定弹簧、扭簧、固定锁钉、隔断密封圈、阀套前密封圈、后端密封圈和阀芯组成，其整体结构如图4所示。

1-打捞杆；2-投送锁定套；3-凸轮锁片；4-阀安装壳体，5-全关密封圈；6-阀套；7-安装壳体；8-复位弹簧；9-阀芯过渡杆；10-螺套；11-阀芯；12-后端密封圈；13-阀套前密封圈；14-隔断密封圈；15-固定锁钉；16-扭簧；17-锁定弹簧。图4 可投捞调节阀结构

2.2.2 投捞原理

可投捞调节阀与可投捞式缆控智能配水器均为偏心配合结构，容纳可投捞调节阀的偏心孔径为ø20 mm，导向笔尖为下置式模式，与油田目前普遍使用的桥式偏心配水器的可调堵塞器偏心容纳孔的孔径、孔位、锁定形式、进出水孔位置匹配，投捞导向布局模式、导向机构/导向笔尖规格相同。

打捞时，打捞杆与锁定弹簧凸轮锁片等配合实现可投捞调节阀的锁定和解锁。当投捞仪捞出头的单向环形锁定凸口与打捞杆单向环锁定心槽对接锁定配合后，上提投捞仪，打捞杆也随之运动，凸轮锁片旋转解锁，投捞仪上提携带可投捞调节阀整体离开可投捞式缆控智能配水器的偏心容纳孔。

投送时，投捞仪的投送头与投送锁定套环抱配合或细纲针固定后，投捞仪携带可投捞调节阀整体下入井下，投送于可投捞式缆控智能配水器偏心容纳孔；用适当拉力上提投捞仪，投捞仪投送头又可以与投送锁定套脱开，可投捞调节阀整体锁定并保留在可投捞式缆控智能配水器偏心容纳孔内。

2.3 地面控制器

2.3.1 结构组成

地面控制器主要由计算机、单片机测控糸统、指令信号功放线路单元、数据信号拾波/滤波/放大/整形单元、供电/信号/载波调制单元、井下供电电流取样线路单元、井下供电电压取样线路单元、井下供电模块、井下供电输出控制线路单元、地面控制用电管理(电源滤波器、电源模块等)单元、报警单元、数据存储单元、复位线路单元、通信接口单元等组成，如图5所示。

图5 地面控制器测控线路组成

2.3.2 测控原理

可投捞式缆控智能配水器测控线路以单片机测控系统为测量和控制中心。通过单芯电缆将地面供电和载波操作指令信号输送给井下可投捞式缆控智能配水器线路。来自地面的供电电源一部分分配给井下电源模块，经井下稳压电源模块降压稳压输出+12 V DC、-12 V DC、+3.3 V DC、+48 V DC，其中+12 V DC、-12 V DC电源供给电动投捞仪的各用电线路单元，+3.3 V DC电源供给单片机，+48 V DC分配给功率驱动控制单元作为变速电机电源。

操作指令信号经指令信号前置处理单元(滤波/放大/整形)处理后，传送给单片机测控系统，经单片机测控系统的程序分析解码做出测量和控制；单片机测量的井况工程数据信号，经单片机测控系统的程序编码，发送给数据信号功率放大/载波调制单元处理后由单芯电缆传输至地面控制箱。

单片机测控系统按照解码操作指令的目标配注量与流量计流量值比较，通过功率驱动控制单元，控制(正调、反调、停转)变速电机，通过调节机构调节可投捞调节阀开度，实现当前层位分层注水流量的调配。同时，单片机测控系统还通过电机电流取样单元获得代表电机工作载荷电流值进行采集分析，遇到电机工作电流超过额定比较值时，单片机测控系统立即主动断开电机供电，避免因过载损坏电机。

3 室内试验

为验证可投捞式缆控智能分注工艺在投捞成功率、流量测量范围及精度、调节阀自动保护等功能，将油管、过电缆封隔器、可投捞缆控智能配水器等组成注水管柱，使用投捞仪通过钢丝绞车反复投、捞进行室内试验。

1) 通过使用投捞仪，可以将可投捞调节阀投送或捞出可投捞式缆控智能配水器，投、捞各50次，成功率100%。可投捞调节阀阀芯过渡调节杆下顶端面与可投捞式缆控智能配水器调节输出轴顶端面相对，由于复位弹簧配合作用其端面背向，相对接触是一种非硬性配合，在可投捞调节阀投捞对接时起到弹性缓冲作用，防止可投捞调节阀投捞对接过程中可投捞调节阀和可投捞式缆控智能配水器调节输出轴硬性碰撞而造成损坏。

2) 可投捞式缆控智能配水器流量计分层流量测量范围0～192 m3/d，测量误差≤±2%FS；嘴前、嘴后双路压力计测量范围0～60 MPa，压力测量误差±0.15%；可手动、自动调节流量；满足现场应用的要求。

3) 可投捞式缆控智能配水电机过载时，自动断开对电机的供电。单片机测控系统通过电机电流取样单元获得代表电机工作载荷电流值进行采集分析，遇到电机工作电流超过额定比较值时，单片机测控系统立即主动断开电机供电，避免因过载损坏电机。

4 现场试验

在大庆油田开展了可投捞缆控智能分注工艺现场试验5口井。以A井为例，该井共3个分注层段，下入3支可投捞缆控智能配水器，目前运行36个月，井下设备运行正常，配注合格率100%。该井在运行过程中，第2层流量调节阀发生卡阻现象，导致该层流量无法调节。在此工况下，将该层可投捞调节阀捞出，更换后重新投入，一次捞、投成功，捞、投后井下设备运行正常。现场测调软件界面如图6所示。现场试验表明，可投捞缆控智能分注工艺在注水工况下，可实现对可投捞调节阀的投、捞操作，投、捞后井下设备的性能正常，工艺适应性满足现场应用的要求。