大庆油田缆控智能分注技术工艺优化

金振东 佟音 王凤山 高光磊 李井慧 王洁春

1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院；
2.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室

随着油田细分井数及细分层段数的逐年增多，测试工作量大与测试队伍有限之间的矛盾日益突出。为了能为精细油藏描述提供连续、详实的数据，大庆油田自2000年初开始了智能分层注水技术的探索性研究，主要包括非接触式智能分注、波码通讯分注、地面智能分注、缆控智能分注等，解决了常规分注技术存在的问题，实现分层注水精细化、有效化、智能化的长期实时控制［1-5］。其中，缆控智能分注工艺在技术成熟度、测调效率、测试精准度、适应范围等方面具有优势，实现了井下参数的连续监测和实时测调，测调效率得到了大幅度提高，有助于特高含水后期剩余油的挖潜；
但由于井下工具涉及参数采集系统、电源管理系统、通讯系统及自动控制系统等多系统组合、多学科应用，且完井作业涉及电缆连接及保护等，工艺复杂［6-8］，可靠性相对较低，工艺成本较高，2012-2017年现场试验54口井，运行2年以上井数占比仅为51.9%，工艺稳定性和可靠性均无法满足规模应用的需求。

通过对26口故障井进行分析可知：(1)故障原因主要为电缆与智能配水器连接处密封失效、流量控制阀故障、过电缆封隔器洗井阀失效；
其中，电缆与智能配水器连接处密封失效12口井，占比46.2%；
流量控制阀故障7口井，占比26.9%；
过电缆封隔器洗井阀失效4口井，占比15.4%；
其他因素占比11.5%；
(2)出现故障的时间主要集中在下井后的前6个月，故障井数为23口井，占总故障井数的88.5%；
第7个月至第24个月出现故障井数为3口井，占总故障井数的11.5%。为了进一步完善缆控分层注水工艺技术，优化了缆控智能配水器的流量控制阀、过电缆封隔器等工具，完善了电缆与缆控智能配水器的连接密封，延长了工具使用寿命，提高了缆控智能分注工艺的可靠性。

1.1 智能配水器流量控制阀的优化

流量控制阀是智能配水器调节注入量的执行机构，是确保注水合格率的关键组件。前期试验发现，流量控制阀主要存在的问题有：(1)注入水含有大颗粒杂质，流量控制阀易堵；
(2)流量控制阀全开或全关后出现倒扣现象；
(3)前后压差超过3 MPa时，易出现传动轴断裂。

为此对流量控制阀进行优化：(1)扩大流量控制阀陶瓷阀芯外径，由Ø10 mm扩大到Ø14 mm，增加了阀体最大过流面积，降低流量控制阀堵塞几率；
(2)在流量控制阀陶瓷阀芯后端设计平衡孔，实现陶瓷阀芯前后端压力平衡，减小了开关过程中由于压差产生的阻力，防止流量控制阀无法正常开关的现象出现；
(3)对传动轴进行应力分析，优化了传动轴尺寸，阀芯内径由Ø3 mm增大到Ø5 mm，传动轴连接螺纹由M2调整为M4，提高了抗拉和抗剪切强度。优化后流量控制阀结构如图1所示。

图1 流量控制阀结构Fig.1 Structure of flow control valve

优化后流量控制阀水嘴开度当量0～14 mm连续可调，扭矩8 N · m，10 MPa压差下漏失量小于1 m3/d且压差条件下可以顺利开关。流量控制阀运行过程中，电机的工作电流始终低于其保护电流数值150 mA，具体实验数据如表1所示。

表1 流量控制阀试验数据表Table 1 Data of flow control valve test

1.2 电缆连接工艺的优化

原有的缆控智能配水器两端各预留一段电缆，现场施工时，用电缆连接器将预留的电缆与管柱上的电缆连接起来。在配水器外预留的电缆在存放、运输过程中有被损坏的风险；
在现场施工时，需要使用电缆连接器对2段电缆进行密封，以5层段井为例，需要9个电缆连接器做电缆密封接头，增加工艺成本的同时存在密封失效的风险。任何一处密封失效都会导致整个工艺失败。为此，对智能配水器与电缆的连接方式进行了优化：(1)取消了在配水器外预留电缆的设计，在配水器外设计接线母座，现场施工时，将电缆直接锁定到接线母座上，规避了配水器外电缆损坏的风险；
(2)设计了电缆接头及其配套胶帽，同时密封了电缆外铠与绝缘层，实现了双重保护。优化后电缆连接工艺如图2所示。

图2 优化后电缆连接工艺Fig.2 Optimized cable connection process

1.3 过电缆封隔器的优化

缆控智能分注工艺在施工时，在过电缆封隔器内衬管留出电缆通道，电缆穿越多级封隔器时不占用主通道，以避免影响注水井吸水剖面等其他测试工艺［9-10］。前期试验发现，过电缆封隔器存在的问题有：(1)当洗井压力高或停注状态时洗井阀自动打开，当恢复注水工况时洗井阀不自动关闭，造成上下层连通，封隔器密封失效；
(2)针对复杂工艺管柱，比如两封隔器间是光管的管柱，为减少使用电缆连接器，将电缆从封隔器穿过是最佳选择，这就要求过电缆封隔器可以从上接头和下接头都可以穿过电缆。为此对过电缆封隔器进行以下优化设计。

(1)洗井阀结构优化。洗井阀是用于控制洗井通道开启或关闭的装置，原洗井阀为整体式结构，优化后的洗井阀为分体式结构，只有2部分结构同时动作才能打开洗井通道。当上层套压高于下层套压时2部分阀体一起动作打开洗井通道；
当下层套压高于上层套压时，只有分体式结构中的上半段动作，下半段保持在关闭位置，洗井通道保持关闭状态，从而避免了停注时地层压力高引起的第1级封隔器失效的问题。

(2)电缆穿越方式优化。为使电缆从封隔器内部通过，需要在封隔器上设计电缆通道，由封隔器上、下接头上的引导通道、内衬管上的通道主体组成。在原有的设计中，电缆只能从封隔器的上端向下端方向穿越封隔器。当施工设计中出现封堵层时则会出现2级封隔器中没有配水器，仅有普通油管的情况，要求封隔器的上端和下端都能穿过电缆。为此，通过降低引导通道角度、在引导通道末端增加15°倒角、扩大电缆通道主体直径的设计，并优化各零部件的尺寸结构(图3)，实现了电缆既能从封隔器的上端向下端穿越封隔器，也能从封隔器的下端向上端穿越封隔器，提高了封隔器对智能配水器及管柱的适应性。

图3 优化后过电缆封隔器Fig.3 Optimized cable-through packer

2018年12 月-2022年4月，优化后的缆控智能分注工艺现场试验223口井，统计现场施工及测调实验记录发现，运行2年以上井数占比由原来的56.1%提高到91.9%。其中先期投产的59口井，平均运行时长1 150 d；
后期投产的164口井，平均运行时长749 d。与优化前相比，工艺可靠性和工具使用寿命大幅度提升。

2.1 优化后性能分析

现场试验的223口井，共900余层段，在测调过程中，缆控智能配水器流量控制阀未出现断轴的现象。优化后流量控制阀连接轴强度和电机扭矩能够适应井下工况的要求。截至2021年12月，900余层段的缆控智能配水器平均运行时长已达到855 d，根据分析故障井数与运行时长的关系可知，这个数据还会进一步增加，与优化前的600 d相比，提高了42.5%。

在施工过程中，电缆穿越封隔器时，可从上接头向下接头穿出，也可从下接头向上接头穿出。优化后的过电缆封隔器，适应复杂工艺管柱施工的要求；
同时在停注状态或者下层套压高时洗井阀不打开，坐封后井口没有溢流，洗井阀分体式结构的设计解决了洗井阀不自动归位的问题。

2.2 应用效果分析

优化后缆控智能分注工艺稳定，井下设备运行正常，注水合格率长期保持在90%以上，通过高渗层注水精准控制，连通油井产油量基本保持不变，有效控制了含水上升率和自然递减率，改善了薄差层动用程度低的状况，砂岩吸水厚度提高4.3个百分点，其中表外储层吸水厚度提高5.8个百分点，累计增油4.03万t。现场试验区块油层吸水状况变化数据见表2。

表2 油层吸水状况变化Table 2 Changes of reservoir water absorption

(1)通过优化缆控智能配水器、过电缆封隔器等配套工具，优化电缆与缆控智能配水器的连接工艺，工具使用寿命由优化前的600 d提高到855 d，提高了缆控智能分注工艺可靠性，为解决此类问题提供了技术方案。(2)缆控智能分注技术可靠性的提升，为下一步2 000口井规模的试验区建设奠定基础，有助于特高含水后期剩余油的挖潜，指导区块开发，提高开发效果和效益。(3)为了进一步提高工艺可靠性，下步建议开展缆控智能配水器钢体及内部密封组件耐酸、耐碱性能分析，研制在pH值为6～8内可应用的缆控配水器，提高工艺适应性。

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