分层采油工艺技术论述

樊伟平

(延长油田股份有限公司吴起采油厂,陕西 延安 717600)

1 采油技术分类

我国从20世纪50年代引进石油开发的采油工程技术，经过多年研究和发展，采油工艺技术已经逐渐完善。采油工作主要分为三种类型，分别是一次采油、二次采油、三次采油[1]。其中，一次采油依赖地层天然压力；随着地层压力的逐渐下降，利用注水补充地层压力的方式，采取一系列物理和化学方法，提高趋油效率；最后在三次采油过程中，可以利用微生物法、混相法、化学法、热力法等提高原油采收率。在油气田开发后期，可以根据生产区域的实际情况，针对当前潜油电泵受高温限制、泵提液难度系数较高等问题，利用振动波、水力脉冲振动、细分油层采油等工艺技术，提高采油效果，以此实现石油开采的可持续发展。本文以分层采油技术为例，梳理我国分层采油技术的发展历程，对分层采油流量调节与控制，模型建立调节阀结构设计等进行论述。

2 我国分层采油工艺技术的发展历程

我国分层采油工艺技术发展历程主要分为以下4个阶段[2]。

1)自喷分层配产阶段

在20世纪60年代，大庆油田在开发初期研发分层采油工艺，该项工艺主要以625型同心分层配产器为主。当时地层能量相对充足，管柱结构为整体式、活动式堵塞器安装在配产器工作筒中。由于配产器为同心结构，堵塞器外径必须自下而上由小变大，打捞时只能自上而下逐级捞出。但后续因为投捞调整不便，在施工现场工艺使用较为复杂，配产级数低等问题，应用频次逐渐降低。

2)偏心分层配产技术

经过自喷分层配产阶段后，在20世纪70年代分层采油逐渐由配产工艺向堵水工艺转变。在油藏注水开发过程中，油井多层见水，利用该项技术可以解决多层任意封堵难题。该种堵水系统主要由工作筒和堵塞器组成，而投捞器可实现任意层堵塞器投捞，可以实现不压井起下管柱操作，配产堵水级数不受限制，但施工后在井下无法调整。

3)机采井找堵水阶段

随着石油开采难度的不断增大，井下调配工艺更加复杂，因此多利用机械堵水技术。其抽油生产管柱与丢手堵水管柱不相连，因此管柱寿命相对整体式管柱较长，有效期更久，封隔器逐级下至预定位置。该管柱可在高温高压环境下长期工作，适用于正常套管井或套变井。

4)可调层配产阶段

根据井下堵水器类型的差异，该项技术可以通过压力变化来调整指令下传到井下配产器[3]。当油田进入特高含水阶段时，剩余油高度分散，各层段产液量变化呈现出动态化特征，层系间含水差异进一步缩小，可以利用液压可调层找堵水技术、过环空缆控分层采油技术、压力波控制分层配产技术，对井下可调配产器的开度进行调节。因此，分层采油正式迈人“智能化”发展阶段，可以利用远程控制中心，对分层配产和井下状态参数进行实时监测，拓展了缆控分层采油技术适用范围。

3 分层采油流量测量与控制技术

在使用常规石油开采技术时，开采的效率差，速度慢，无法采集井下的温度、压力等数据，因此常规采收率只有35%。如果利用分层采油流量调节与控制创新性技术，可以根据油层的分布情况合理采油。通过系统中传感器中监测的实时数据，精准控制井下控制阀开度，为流量调节与控制提供调控参数，有效解决油层间油水不平衡、笼统注水导致的采油率低等问题，提高单口井开采效率，实现人工智能技术在采油工作中的高效应用。

3.1 测量原理

采用分层采油流量调节就是将流量控制阀用于注水井中，对流量进行调节与控制[4]。国外主要通过电机带动滑套，液压活塞带动滑套这两种方式来实现的，而国内多是由滑套开关和水嘴来实现的(利用水嘴的开度调节和控制流量)。在分层采油系统中，主要采用的流量计类型有超声波流量计、电磁流量计、孔板式流量计、文丘里流量计、涡轮流量计。本文主要研究超声波流量计，将其作为智能井实现流量控制实施的组件。其控制系统主要由全电驱动式控制系统、纯液压驱动式控制系和电液相结合的控制系组成。应用原理和方法为：当管道中没有油水混合介质时，超声探头1和超声探头2之间的声波传输时间是相同的；或者油水混合介质流速为零时，超声探头1和超声探头2的声波传输时间不变。如果用v表示管道中油水混合介质流体的流速，由于声波在油水混合介质中叠加了流体流速进行传播，所以在测量工作中，声波逆流时间(超声探头2到超声探头1)应该大于顺流时间(超声探头1到超声探头2)，该时间差就是时差法中的时差。其中，待测的管道两侧分别放置超声探头1和超声探头2，其传播时间的表达式为：

①超声探头1到超声探头2的时间=(待测管道直径/管道内介质与波束的横向夹角)/(超声波在静止油水混合介质中的传播速度+超声波传播方向上混合流体介质的速度分量)；

②超声探头2到超声探头1的时间=(待测管道直径/管道内介质与波束的横向夹角)/(超声波在静止油水混合介质中的传播速度-超声波传播方向上混合流体介质的速度分量)。

3.2 模型建立

分层采油流量测量与控制系统主要采集和处理井下数据(流量、温度、压力、含水率等)，是整个系统的核心，对各油层流量进行测量和控制。当需要对某一油层进行注采时，采油系统将这些数据通过电缆传输到地面系统；将需采油层与其它油层分开，在注水的过程中流量测量系统始终对注水量进行监测，通过调节保证注水量的精确；同时，对井下油水混合介质流量进行测量。由于流量控制阀可以关闭和打开不同油层，因此可以通过调整流量调节阀的开度控制进水量，提高生产过程中的安全性。在模型建立过程中，对超声波流量计有着极高的要求。最核心的芯片是时差测量模块和单片机，分别用来采集流量计测量时间和控制芯片开关。超声波经过油水介质后会大大衰减，通过该种系统建立，可以将测量数据传输到单片机，经调理电路处理以后传输到井上的控制中。

要想满足井下流量测量系统对电流的要求，应该做好电源模块设计，必须将时差测量电路和信号放大电路直流电压设置为 3.3 V(保护电路需要 5 V 的直流电压)。但是井下供电系统直流电压多为 12 V 和 45 V，最高温度可达 120 ℃，因此应尽可能地减少电源对流量测量系统的干扰。将 12 V 的直流电，经过电源模块设计转换为 5 V 和 3.3 V 直流电，选取7805 三端式稳压电源，稳定输出 5 V 电压，通过降压模块得到 3.3 V 的电压。该模块的输出电流大，设置过流、过压保护，因此输出电压的稳定性高。在时差测量电路设计时，应该综合考虑待测液体属性，保证时差测量模块精度。时差测量模块可以选择TDC-GP22，尽可能地减少了系统功耗，以此达到 90 ps 的典型精度。之后根据待测管道的直径设置时间窗口。

3.3 流量调节阀结构设计

要想提高系统的稳定性和可靠性，分层采油流量调节系统调节阀应该根据需要调节流量值[5]。通过电控方式调节任意开度，当系统接收到地面控制中枢指令后，电机扭矩将降低电机的转速。之后调节通道的开度，利用丝杆的前后移动，达到调节流量的目，在井下复杂环境中，降低故障发生几率。在选择流量调节阀水嘴时，水嘴的性能直接决定了流量调节系统安全性与稳定性，因此应该根据井下的产量值，找到最适合本设计的水嘴形状和过水范围。一般来讲，当水嘴开度大于40%时，压差与流量基本呈线性关系，压差最大可以达到 1.5 MPa，此时可以选取长方形水嘴。在20%开度 300 m3/d 时，压差差距(低开度流量和高开度流量之间)可达 9 MPa 左右，但是菱形水嘴过流面比较小，因此不适合分层采油流量测量系统；当开度大于40%时，且小开度大流量下，圆形水嘴分度比较小，因此也不适合分层采油流量测量系统；当开度大于40%时，椭圆形水嘴大流量时压差(当开度20%时)约为 3 MPa，并且开度和流量之间可以呈现线性关系，因此适合分层采油流量测量系统。

3.4 系统调试

利用超声波时差法测量石油流量参数，结合井下油水混合流体特点，可以利用油水两相流实验，确保测量数据的精度。在室内实验中，按照不同的比例将油与水注入到储液罐中(放置搅拌电机，防治油水分层现象发生)，提前标定不同频率对应的不同流速值；之后调节螺杆泵的频率，采集流量数据，在不同频率下进行多次试验取平均值，得出流量计的测量误差。向储液罐里加入柴油，在原始油水基础上配置出不同油水比的混合液，将螺杆泵的频率调制成 10～50 Hz(每次调节的上升节点为 5 Hz)，之后统计流量测量的数据(将油水比设置为2∶8、5∶5和 8∶2)。观察指标分别为频率(Hz)、实际流速(m/s)、标定流量(m3/d)、标定流速(m/s)、相对误差(%)。最后统计超声波测量系统温度测试数据。其统计指标分别为测量电路(m3/d)、整体测量系统(m3/d)、电机控制电路(m3/d)、发射电路(m3/d)、传感器(m3/d)。

采用分层采油流量调节与控制系统，可以根据不同储层的厚度进行合理采油。通过对不同储层压力、温度等参数测量，解决分层采油过程中出现的复杂问题，有效解决由于陆相沉积油藏的非均质性特征而导致的开采难题；建立合适的流动压强，调节各级配产阀实现分层生产，减小层间差异；调整油嘴对油藏进行分层测试，提高层内流体流动速度，控制高渗透层；使用科学的方法进行分层开采，以此准确找出潜力层。

4 结束语

综上所述，分层采油工艺技术可以精准控制井下控制阀开度，为流量调节与控制提供调控参数，有效解决油层间油水不平衡、笼统注水导致的采油率低等问题。因此要想确保测量数据的精度，应该做好流量调节阀结构设计和系统调试，解决分层采油过程中出现的复杂问题，以此提高开采效率。