缆控分层注水技术标准化在海上油田的应用

陈征 张乐 张志熊 徐元德 王威 蒋少玖 张璐 黄泽超

摘 要：针对海上油田分注井常规测调技术效率低、适应性不足等问题，结合海上注水井井况特点，攻关研发了海上分注井缆控智能测调技术，并以缆控分层注水技术规程为参考，指导工具优化设计及系统优化升级，确保配套工具结构合理、管柱安全可靠、系统运行稳定，实现了海上大斜度/水平分注井的大排量高效测调，单井测调效率提高96%，有效保障了技术成果的规模化应用，满足了海上注水开发油田高效、精细分注需求，为海上油田稳油控水和精细开发提供了技术支撑。

关键词：缆控，分层注水，海上油田，智能测调，标准化

0 前 言

渤海油田以陆相沉积为主，天然能量相对较弱，主要采用人工水驱方式开发，经过多年注水开发，目前主力油田均已进入“双高”开发阶段，层间、层内矛盾加剧，自然递减率控制难度日益增大。为了进一步满足生产要求，实现注水井精细注入，以有缆智能测调、无缆智能测调为代表的海上油田智能分注技术应运而生。由于海上油田平台空间有限，平台井口高度集中，受限于空间尺寸，很难采用多井同时作业的方式提高作业效率，同时，海上注水井多采用先期机械防砂完井，常规测调技术效率低、适应性不足，因此，提高单井测试、调配、验封作业效率及提升测调技术适应性成为提高海上油田注水井精细注水水平的首要途径[1-6]。针对上述问题及实际需求，渤海油田开展了分注井缆控智能测调技术研究，以电信号为媒介，通过井下预置电缆的方式，实现中控直接控制井下水嘴开关，实时监测井下温度、压力、流量等数据，并以缆控分层注水技术规程为参考，指导工具优化设计及系统优化升级，确保配套工具结构合理、管柱安全可靠、系统运行稳定，以满足海上注水开发油田高效、精细分注需求，渤海油田注水进一步向精细化、高效化、智能化方向迈进。

1 海上分注井缆控智能测调技术研究

1.1 技术组成及原理

海上分注井缆控智能测调系统主要由井下工艺管柱和地面控制系统组成，其中井下工艺管柱主要包括有缆智能分注工作筒、井下安全阀、过电缆密封工具、一体式电缆接箍保护器、钢管电缆，地面控制系统包括地面控制器和控制软件。该技术通过井下预置电缆的方式，以电信号为媒介，实现中控直接控制井下水嘴开关，实时监测井下温度、压力、流量等数据，技术原理如图1所示。

1.2 有缆智能分注工作筒

有缆智能分注工作筒本体结构如图2所示，工作筒本体主要由上接头、外护管、过流管、流量计及下接头组成。工作筒本体两端出线结构对称，上下接头结构相同，在接头上加工有油管螺纹，用于管柱连接，同时还设计有电缆头接口，用于安装电缆。过流管提供水流在仪器中的过流通道，承受油管内水压力。流量计用于计量本层注水流量，承受注水压力。外护管是工作筒的主要承压和承力部件，用于承受地层压力和管柱拉力。

1.2.1 流量计设计

流量计作为有缆测调工作筒的重要组成部分，由于需要在井下长期监测流量，设计优选无运动部件、耐腐蚀、可靠性高和抗污能力强的流量计。无运动零部件的流量计主要有涡街流量计、电磁流量计、靶式流量计、超声波流量计、孔板流量计等。靶式流量计、涡街和孔板流量计的量程比要比电磁流量计小，但可以实现小型化设计。涡街流量计、电磁流量计、超声流量计长时间井下使用抗污能力较差。靶式流量计是通过液流對流道内弹性结构冲击产生变形，通过测量变形量来获得流量的，因此靶式流量计不是全开口流道，耐污能力不如具有全开口流道的流量计。故目前配水器采用孔板流量计，利用压差法测量流量，无运动部件、不腐蚀锈蚀、抗污能力强、可靠性高。

流量计结构如图3所示，流量计主要由孔板、流量管和孔后压传感器等结构组成。水流经入水口，从过流管流入流量计内。当水流流经节流孔板，由于孔板内径较小，水流将产生局部收缩，流束集中，流速增加，静压力降低，于是在孔板前后产生一个静压力差，由伯努利方程可知，该压力差与流量存在着一定的函数关系，流量越大，压力差就越大。经流量计标定可确定函数的参数。孔后压力传感器用于压力差的测量，所测得的压力差用于流量计算。

1.2.2 一体化可调水嘴设计

一体化可调水嘴结构如图4所示，可调水嘴主要由阀芯、格莱圈、丝杠、轴承、行程开关、螺母、电机等结构组成。水嘴的动力由电机提供，阀芯上设计有梯形螺纹，与丝杠配合，丝杠在电机的驱动下旋转，阀芯通过梯形螺纹传动可左右移动，阀芯与格莱圈配合，起到密封的作用。阀芯可横向移动，随着阀芯位移增大，出水口面积逐渐增大，起到调节流量的作用。轴承安装在丝杠上，用于承受阀芯在压力作用下的轴向力。丝杠上设计的螺母可与阀芯同步移动，并在螺母两侧设计了行程开关，用于控制水嘴行程，防止水嘴超行程运动造成水嘴损坏。

1.3 地面控制系统

1.3.1 地面控制器

地面控制器由开关电源、主控板、通讯板、驱动板、显示板及附件构成，通过电缆与井下有缆智能分注工作筒建立通讯，并实现实时监测井下温度、压力、流量等数据。

地面控制器输入电压2 2 0 V ， 防爆等级DIIBT4，防护等级IP55～56，适应工作环境温度-40～85℃，满足海上井口工作环境；具有手动/自动控制两种工作模式，满足远程操控要求；实现长期、实时监测井下流量、温度、压力等参数，并完成分层采油量的控制；通过一根电缆连接井下的各层位配产器，通讯距离不小于5000米；每台控制器可分时控制7口井。

1.3.2 控制软件

控制软件系统与井下有缆智能分注工作筒采用数字化通讯，数据采集快，能实时显示方便控制，设定流量或阀开度即可一键调整到位。同时与地面控制器实现无线通讯，主要包括控制系统和报表系统两部分，其中控制系统完成水嘴开度的调节、过流保护及数据采集和显示，报表系统完成数据的录入、处理和存储，软件界面如图5所示。

1.4 技术参数

适用井斜：任意井斜；完井方式：套管完井/防砂完井；防砂密封筒内径：4.75”、4”、3.88”、3.25”；配产器最大外径：116mm；整机耐温：120℃；整机耐压：60MPa；流量测试范围：10～800m3/d；压力测试范围：0～60MPa；温度测试范围：0～150℃。

2 工艺方案标准化设计

依据缆控分层注水技术规程开展工艺方案标准化设计，设计内容包括施工目的、基础数据、分注井配注方案、工艺管柱设计、施工前准备、施工步骤、健康安全环保要求、井控要求等[8]，同时结合海上油田注水井井况特点，按照一井一策的设计原则进行单井工艺方案设计。

在工艺管柱结构设计方面，结合海上油田先期机械防砂完井的井况特点，在标准化的基础上，优选配套过电缆定位/插入密封工具实现层间封隔，同时，按照海上油田井控安全要求，生产管柱配套下入井下安全阀，保障工艺管柱安全可靠。在健康安全环保要求方面，根据海上油田生产方式及生产环境的特点，增加相关的企业管理要求，确保注水安全。

3 现场实施标准化

3.1 管柱下入标准化

缆控分注井管柱下入按照标准化要求，下入管柱时，控制好管柱下入速度，严格按照管柱结构设计和配管数据组配管柱[8]，结合海上生产特点，管柱下入程序如下。

（1）连接最下部有缆智能测调工作筒、过电缆插入密封

1）有缆智能测调工作筒下部电缆连接口须用底堵堵死（其他层位工作筒下部连接电缆）。

2）拽动电缆自由端，剥去电缆保护胶皮，不锈钢管长度为过电缆插入密封与有缆智能测调工作筒电缆接口之间的长度。

3）卸掉过电缆插入密封上、下堵头，电缆自上而下穿越上部Swagelok接头、过电缆插入密封电缆通道、下部Swagelok接头。

4）在电缆自由端已经剥开胶皮的钢管电缆基础上，继续使用割刀割掉电缆不锈钢管，电缆末端端面平整、无毛刺，露出合适长度的电缆铜芯及绝缘层。

5）卸下有缆智能测调工作筒电缆接口上堵头，钢管电缆从密封接头上端穿过，并把卡套、密封圈等密封组件装到钢管电缆上，然后将钢管电缆插入3#有缆智能测调工作筒电缆接头内并压紧。

6）打开地面控制器电源，检查地面控制器和有缆智能测调工作筒之间信号传输是否良好，确认信号通信正常后关闭地面控制器电源输出。

7）拧紧钢管电缆与有缆智能测调工作筒电缆接头之间的扣，上扣扭矩确保达到40N·m。

8）拧紧Swagelok接头与过电缆插入密封下部接口之间NPT扣，再拧紧Swagelok的压帽，上扣扭矩确保达到40N·m；同样方式连接Swagelok与过电缆插入密封上部接口。

9）打开地面控制器电源，检查地面控制器和有缆智能测调工作筒之间信号传输是否良好，确认信号通信正常后关闭地面控制器电源输出。

（2）安装一体式电缆保护器处的电缆

防砂段内部分油管或短节接箍需替换为一体式电缆保护器（根据配长数据表），电缆通过一体式电缆保护器时，在电缆合适位置剥去保护胶皮约30cm，将电缆置于一体式电缆保护器的电缆槽内，放入挡环，胶条，拧紧压帽，固定电缆。

（3）下入其他有缆智能测调工作筒和过电缆定位/插入密封

根据有缆智能测调管柱配长，参考前述步骤继续下入其他有缆智能测调工作筒和过电缆定位/插入密封。

（4）下入注水管柱、滑套、安全阀

（5）井口电缆穿越及恢复

1）待有缆智能测调管柱下放到位后，管柱缓慢下探至顶部封隔器，确认到位后管柱下探3～5t。

2）进行环空验封，先进行低压验封，再进行高压验封（注水井最大井口压力），观察井口套管压力，15min压力不降为合格。

3）根据下探油管长度配管，参考电缆穿越过电缆插入密封方式，穿越油管挂，并做好电缆穿越密封。

4）打开地面控制器电源，检验地面控制器和井下各级有缆智能测调工作筒的通信状况，要求参数读取正常、水嘴开度能够顺利调节。

5）电缆穿越井口采油树，做好密封后恢复井口。

3.2 管柱验封标准化

依據缆控分层注水技术验封要求，对分注管柱进行验封（以三段分注管柱为例）。

（1）打开地面控制器电源，启动测调软件，读取井下数据，进行参数检测，确定井下有缆智能测调工作筒状态。

（2）由测调软件控制地面控制器全关1#、3#有缆智能测调工作筒水嘴，全开2#有缆智能测调工作筒水嘴，保持该状态30分钟。

（3）在不超过井口允许的最大注入压力下，选取3个压力点，最高压力点宜不低于注水流程最大工作压力，相邻压力点宜相差1～3MPa，各压力点保持15分钟。通过测调软件读取1#、2#、3#有缆智能测调工作筒嘴前、嘴后压力，并做好各项数据记录，如果1#、3#有缆智能测调工作筒嘴后压力不随嘴前压力变化而变化，则达到分层目的。

3.3 流量测调标准化

（1）由测调软件控制地面控制器，全开第一层有缆智能测调工作筒水嘴，关闭其他有缆智能测调工作筒水嘴，以该井最大允许压力值注水，用降压法取5个压力点，测试分层指示曲线，相邻压力点之间跨度要求大于0.5MPa，各点测30分钟。

（2）重复上述步骤，完成其他各层的吸水指示曲线测试。

（3）根据得到的吸水指数曲线和地质方案配注要求，确认达到配注要求的井口最大注入压力。

（4）根据各层吸水情况，通过测调软件设置，从下至上依次调节各有缆智能测调工作筒水嘴开度，测试各层注入量，先粗调再微调，重复此步骤，直至各层达到配注要求。

（5）完成调配后，进行视分层吸水指示曲线测试。

3.4 缆控分注井管理标准化

结合海上油田生产特点，并参考缆控分层注水技术规程相关做法，制定了海上油田智能分注井管理规定，对海上油田有缆智能分注井进行标准化管理[8]。

3.4.1 流量测调管理标准化

在井下管柱层间密封合格的情况下，方可进行分层流量测试和调配；测试前要对井下流量计和井口流量计进行校对，仪表测试误差不超过规定要求时方可进行测试。分注井测调作业由生产单位定期组织平台人员完成。流量测调时，在地面控制器通电之前，需对地面电缆连接情况进行检查，电缆连接完好方可进行测调作业，若存在问题，需在问题解决后方可进行测调作业；按照要求完成测调作业后，断开地面控制器电源。

3.4.2 地面控制系统管理标准化

地面控制系统维护包括地面控制器、电脑、地面仪表等的维护，由平台指定专人负责智能测调地面设备维护。在无作业时，推荐断开地面控制器电源；每个月进行一次漏电检查。定期对电脑系统进行更新，保证系统正常运转和测调软件的正常使用。每半年进行一次流量标定，确保流量测试准确性。

3.4.3 井下管柱管理标准化

由海上平台负责每个月对井下管柱工作状况进行检查，并对检查结果进行详细记录；每三年对井下管柱进行更换；井下工作筒流量计每半年进行一次标定，或当流量测试误差大于15%时应进行标定；每半年对井下管柱进行验封，对验封不合格井及时进行原因分析及管柱更换。对具备洗井条件的智能分注井定期进行洗井，洗井周期可根据平台生产运行、水质等情况确定。

3.4.4 动态监测与效果跟踪分析标准化

进行注入剖面测试、地层压力测试、井间监测等生产动态监测时，如需对井下工作筒工作状态进行调整，则由平台技术人员按要求进行操作，并在监测结束后按配注要求恢复各层注水[7]。由研究部门负责智能分注井实施效果跟踪及分析，包括实施井次、工艺类型、实施井基础信息、故障井故障类型分类、故障原因分析、故障井解决措施等信息的统计，并建立智能分注技术台账和数据库。由生产单位负责对已实施智能分注井的增油效果进行统计，每年统计一次。

4 标准化应用效果

在《缆控分层注水技术规程》的指导下，分注井缆控智能测调技术已经在渤海主力注水油田完成现场应用100余井次，单井调控时间由4天缩短至4～6小时，测调效率提高96%。通过在线高效调控，油藏层间矛盾得到有效缓解，分注井层段合格率、自然递减率、含水上升率等主要开发指标持续向好。同时，分注井缆控智能测调技术的规模化应用大幅减少了海上平台作业时间和作业费用，累计为渤海油田节约平台作业时间6000余天，为保障油田高效注水开发提供了有力技术支撑。

5 结 论

（1）针对海上油田常规测调技术测调效率低、适应性不足的问题，研发形成了海上油田分注井缆控智能测调技术，大幅提高了分注井的测调效率，并实现了大斜度/水平注水井的高效测调。

（2）结合行业标准《缆控分层注水技术规程》要求，有效指导了海上油田分注井缆控智能测调工艺方案的标准化设计及现场实施，保证缆控智能分注管柱下入、测试、调配、验封等作业方法的合理性，确保了分注工艺的实施效果。

（3）以行业标准为指导，建立了海上油田智能分注井标准化管理方法，保障了技术规模化推广，为渤海油田实现高效精细注水開发提供了标准保障。

参考文献

谢世文，张伟，李庆明，等.海上油田开发后期多学科集成化剩余油深挖潜——以珠江口盆地X3油田H4C薄油藏为例[J].中国海上油气，2015，27（05）：68-75.

陈丹磬，李金宜， 朱文森，等.海上疏松砂岩稠油油藏水驱后储层参数变化规律实验研究[ J ] .中国海上油气，2016，28（05）：54-60.

陶德硕.分层注水方法进展及展望[ J ] .化工设计通讯，2020，46（05）：259-260.

王波.高含水油田分层注水优化研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2015.

唐睿.采油工程分层注水工艺应用探析[J].化学工程与装备，2019（11）：44-45.

徐兴安，张凤辉，杨万有.海上油田注水井智能监测与控制技术研究[J].当代化工，2020，49（07）：1396-1399.

罗云龙， 卢祥国， 曹豹， 等. 智能分注分采技术改善水驱开发效果评价方法[ J ] . 油气地质与采收率，2021，28（02）：119-126.

SY/T 7622，缆控分层注水技术规程[S].