渤海油田无缆智能分注技术优化及应用.pdf

钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023基金项目:“十三五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发-渤海油田高效开发示范工程”(编号:2016ZX05058)。作者简介:杨树坤(1986-),硕士,高级工程师,2013 年毕业于中国石油大学(华东)油气田开发工程专业,主要从事分层注采技术研究。地址:(300459)天津市滨海新区塘沽海洋高新区华山道 450 号,电话:[phone],E-mail:yangshukun2000 开采工艺渤海油田无缆智能分注技术优化及应用杨树坤,李 越,廖朝辉,赵广渊,杜晓霞中海油田服务股份有限公司油田生产事业部摘 要:渤海油田开展无缆智能注水技术应用以来,取得了显著的注水开发效果,但随着应用规模的扩大,也突显出了发码效率低、波码通信抗干扰性差、配水器水嘴卡堵等问题,为此针对该问题开展了技术优化。创新设计了液压控制井口发码装置,实现了操作人员远距离液压控制,提升了现场发码作业的安全性和时效性。采用压力幅值加脉宽识别的压力编码方式,增强了压力编码的抗干扰性,提高了发码质量和效率。通过改进智能配水器水嘴调节方式,有效避免水嘴开度调节过程中存在的卡堵现象。优化后的无缆智能分注技术成功应用于现场实践,取得了良好的应用效果:注水井测调工期明显缩短,平均单层测调耗时 0.51 d,测调效率大幅提升;智能配水器最长工作时间超过 3 年,井下复杂工况条件下工艺的长效性显著提升。该技术对于海上油田精细分层注水开发具有一定的指导意义和应用价值。关键词:海上油田;无缆智能分注;井口发码装置;智能配水器;注水井DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.03.10引用格式:杨树坤,李越,廖朝辉,等.渤海油田无缆智能分注技术优化及应用J.钻采工艺,2023,46(3):60-65YANG Shukun,LI Yue,LIAO Zhaohui,et al.Optimization and Application of Wireless Intelligent Injection Technology in Bohai OilfieldJ.Drilling and Production Technology,2023,46(3):60-65Optimization and Application of Wireless Intelligent Injection Technology in Bohai OilfieldYANG Shukun,LI Yue,LIAO Zhaohui,ZHAO Guangyuan,DU XiaoxiaProduction Optimization Division,China Oilfield Services Limited,Tianjin 300459,ChinaAbstract:Since the application of wireless intelligent water injection technology in Bohai Oilfield,significant development results have been achieved.However,with the expansion of application scale,problems such as low coding efficiency,poor anti-interference of wave code communication and clogging of water distribution nozzles have also emerged.Therefore,technical optimization has been carried out to address this issue.A hydraulic con-trol wellhead coding device is innovatively designed,which enables remote hydraulic control by operators and im-proves the safety and timeliness of on-site coding operations.The pressure encoding method of pressure amplitude and pulse width recognition is adopted to enhance the anti-interference ability of pressure encoding,and improve the quality and efficiency of code transmission.By improving the adjustment method of the intelligent water dis-tributor water nozzle,effectively avoiding the phenomenon of jamming during the adjustment process of the water nozzle opening.The optimized wireless intelligent water injection technology has been successfully applied in on-site practice,achieving good application results:the measurement and adjustment time of water injection wells has been significantly reduced,with an average single-layer measurement and adjustment time of 0.51 days,and the measurement and adjustment efficiency has been improved a lot;the longest working time of the intelligent water distributor exceeds 3 years,and the long-term effectiveness of the process under complex underground working conditions is significantly improved.This technology has certain guiding significance and application value for fine layered water injection development in offshore oil fields.Key words:offshore oil fields;wireless intelligent injection;wellhead coding device;intelligent water distribu-tor;water injection well06第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 0 引言渤海油田经过多年开发,已全面进入注水开发阶段,油田管理者对高效精细分层注水技术要求不断提高,常规投捞式分注工艺的应用局限性已不满足油藏对于高效调配的要求,发展智能注水技术势在必行1-12。结合渤海油田注水及管柱结构特点,通过加大科技研发力度,快速形成了以边测边调、液控智能、无缆智能、有缆智能为代表的四大类智能分注技术,并相继开展了现场规模化应用,取得了较为显著的成效,油田注水“三率”得到明显提升,为渤海油田的稳产起到了重要作用13-18。无缆智能分注技术采用压力载波通信的方式控制井下分层配注,凭借其工艺管柱结构简单、调配简洁高效、核心工具高度集成小型化等特点,可有效解决海上油田大斜度、小井眼注水井的分注需求。该技术于 2016 年首次在渤海油田开展现场试验,至今已在辽东、渤西、渤南作业公司应用超过 30 井次,取得良好效果,但随着应用规模的不断扩大,也暴露出一些适应性问题。为此,基于该技术原理,结合渤海油田的应用现状,深入分析了技术存在的不足,提出了优化改进措施,并在现场进行了实践应用。1 无缆智能分注技术原理无缆智能分注技术无需借助电缆或液控管线,通过压力载波传输信号,控制调节井下各层智能配水器的开度,实现地面调控井下各层流量,同时监测井下压力、温度、流量等油藏数据,并能够通过压力载波通信的方式上传至地面。无缆智能分注管柱结构见图 1,主要由封隔器和无缆智能配水器组成,通过加装在井口的压力波发生装置发送并接收压力编码指令。图 1 无缆智能分注管柱结构1.1 无缆智能分注技术通信原理通过安装于地面的压力波发生装置发送压力波码指令,无缆智能配水器接收指令并进行解译,按照指令控制配水器的水嘴进行调节,从而实现地面控制井下各层的配注。需上传数据时,井下配水器调节结构产生并发送压力波码,将井下实测的压力、温度、流量、开度数据上传至地面压力波发生装置,指导地面配注。1.2 无缆智能分注技术关键工具无缆智能配水器是波码通信无缆智能分注系统的关键,工具结构主要由外工作筒、内部芯子、流道通道组成。内部芯子核心部件主要由流量传感器、可调水嘴、调节机构和控制系统组成,控制系统由微处理器、控制电路、电机、高容量耐温电池等构成,见图 2。1.上接头;2.扶正套;3.固定销;4.电池仓盖;5.电池仓;6.滑环支架;7.滑环;8.内压传感器固定装置;9.外传压控制管线;10.外压传感器固定装置;11.线路舱;12.电路板舱;13.电路板固定套;14.电机舱;15.水嘴调节仓;16.外筒;17.管线固定接头;18.下接头;19.芯子固定护套。图 2 无缆智能配水器结构示意图 水嘴设计为旋转结构,该结构带自恒压功能,不同于固定水嘴和轴向运动可调水嘴,该水嘴在常见电动可调水嘴的基础上进行了改进,形成了独特的设计,可有效利用管柱内的压力完成水嘴的运动,从而达到控制分层流量的目的。具有调节速度快,调节精度高,低转速高扭矩和耗电量低的特点。水嘴尺寸规格分为 16 mm、24 mm 两类,开度划分 16 个大档,每个大档分 5 个小档,最大注水量可达 800 m3/d。2 技术适用性分析无缆智能分注技术同传统投捞式分注技术相比,16 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023分层调配作业无需钢丝电缆配合,不占用平台井口,可有效保障调配频次。地面智能控制,测调效率显著提升,大幅节省分层调配作业成本。不受井斜限制,满足大斜度井、水平井应用要求。该技术在渤海油田应用以来,取得了显著的注水开发效果,但随着应用规模的扩大,也暴露出一些适应性问题。2.1 配水器水嘴卡堵现象无缆智能分注管柱入井后,在后续的分层调配过程中,出现地面发送指令,井下部分注水层段配水器接受指令后无法有效执行的情况,通过修井作业起出原井管柱,发现配水器水嘴存在不同程度的卡堵现象,例如:注水管柱入井前,井筒预处理不到位,或存在管柱内落物;海上注水水质差,长期注水后导致水嘴处结垢或形成有机堵塞;平台其它井措施作业,反复停注水,造成地层返吐,堵塞水嘴。2.2 发码装置发码效率低、安全风险高现阶段井口发码流程如图 3 所示,将手动压力波码发生装置安装于采油树帽,并连接高压泄压软管至平台地漏,操作人员在采油树旁开关手动压力波码发生装置的手动泄压阀,从而产生波码指令,控制井下配水器工作。压力波码发生装置是实现分层调配的关键装置,目前在用的手动压力波码发生装置,主要由下接头(连接采油树帽)、球阀、上接头(连接泄压软管)组成,采用该装置进行发码时,存在以下问题:平台采油树区采油树密集、空间狭小,影响操作人员作业;压力脉冲发生器安装位置较高,且下接头连通注水流程,操作人员需要登高带压作业,安全风险高;注水压力较高时,手动操作压力波码发生装置困难,无法有效保证发码质量,导致发码效率低、误码率高。图 3 井口发码流程2.3 压力波码抗干扰性差采用压力幅值判断压力脉冲个数计数识别技术。井下配水器压力传感器通过采集记录不同时间段内的压力脉冲个数,与预先设定的通信协议编码指令进行比对,从而控制水嘴执行相应动作指令。一组完整的指令包括层位地址指令和动作指令,前 6 min 发送压力波码进行井下配水器层位选择,后 9 min 发送压力波码对选定的配水器进行水嘴动作调节。可实现 6层内分层控制,每个层位可实现 9 个工作指令。压力幅值判断压力脉冲个数计数识别技术是一种较简单的解码技术,运算比较工作量小,易实现,但正因为技术简单,因此抗干扰能力相对要差,比如在一些特殊井况条件下,尽管井口发压力波码显示正常,但到达井下工具处的压力波形会变得较为复杂,导致解码错误无法识别。3 无缆智能分注技术优化改进3.1 水嘴调节方式优化配水器水嘴原调节方式是由地面发送开度指令编码,井下配水器接受指令后水嘴开度由当前档位开度先全关,然后再调节开度至目的档位,该调节方式容易造成井下杂质卡堵水嘴(图 4)。优化后的水嘴开度调节方式,将水嘴调节顺序改为先由当前档位开度调节至全开档位,然后再调节至目的档位(图 5)。采用该方式可将水嘴处堆积的杂质冲刷,有效避免水嘴卡堵。另外,制定每 2 个月调配一次的注水制度,通过开关水嘴将形成的结垢及时清除,避免长时间注水造成的结垢卡堵。图 4 原水嘴调节方式图 5 优化后的水嘴调节方式3.2 压力编码方式优化为优化压力编码方式,设计采用压力幅值加脉宽识别作为解码技术,大幅提高了解码准确性。其解码技术原理是先预设压力阈值作为判断标准值,通过对比实测值决定高低电平的输出,同时增加了时长这个脉宽判断因素,既在规定的脉宽时长内,通过判断高低电平占比决定该时长内最终是高电平还是低电平。26第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 该解码技术能够有效去除干扰造成的杂波的影响。编码主要由层位信息、指令信息(开关、开度等)组成,如图 6 所示。图 6 压力幅值脉宽识别编码示意图3.3 井口发码装置设计针对手动压力波码发生装置存在的问题,设计了一种液压控制压力波码发生装置。将该装置安装于 井口采油树帽,通过打压泵打压、放压的方式推动装置阀芯上下移动,利用阀芯密封模块与阀座的面密封实现阀门的关闭与开启。当阀门开启时,注水流程中的液体进入下接头、阀座通道,依次经过阀体腔 1、阀体腔 2、阀体腔 3,然后由泄压管线进行泄压,井口压力下降(图 7a)。当阀门关闭时,泄压通道关闭,流程压力迅速恢复至原注水压力,形成负压波(图 7b)。按照指令表要求,进行规定时间间隔、规定次数的开关阀门动作,即可形成一组有效的压力指令编码,下传至井下无缆智能配水器,控制井下配水器执行相应动作。该装置采用纯液压控制,工具结构简单,可靠性高;操作简单,易于操作人员掌握;零部件更换方便,便于维护保养。另外,通过液控管线传递动力,操作人员可远离井口高压区,有效保证施工安全性。1.下接头;2.阀座;3.阀座密封圈;4.阀芯密封块;5.阀芯;6.阀体;7.打压口;8.泄压接头;9.阀芯密封圈;10.阀芯密封块密封圈;11.压力表接口;12.液控管线;13.打压泵;14.高压软管;15.水罐或地漏;16.阀体腔 1;17.阀体腔 2;18.阀体腔 3。图 7 液控控制压力波码发生装置4 现场应用无缆智能分注技术改进前已在渤海油田应用超过 30 井次,完成测调作业 40 余井次,平均单层调配工期 0.89 d,一次发码成功率 77%,整体测调效率不高,且应用过程中存在部分层段配水器水嘴卡堵现象。技术改进后,井下水嘴调节灵活,未出现卡堵现象,平均单层调配工期缩短,现场应用适应性和效果得到明显改善。以渤海油田 A2 井为例,进行改进技术的现场应用分析。A2 井为一口注水井,采用套管+射孔的完井方式,射开层段分六段防砂,第六防砂段无对应油井不注水。该井最大井斜 83,管柱为 177.8 mm 尾管,采用 114.3 mm 优质筛管防砂,防砂内通径为82.55 mm。按照油藏要求各层配注:第一段(第一防砂段)配注量为 0;第二段(第二防砂段)配注量 66 m3/d;第三段(第三防砂段)配注量 134 m3/d;第四段(第四防砂段)配注量 835 m3/d;第五段(第五防砂段)配注量 93 m3/d。考虑该井小井眼、大井斜、多分注层段、配注量大等难点,常规投捞式分注工艺及缆控式智能分注工艺均无法满足要求,因此于 2019 年 7月下入无缆智能分注管柱,管柱结构如图 8 所示。该井自 2019 年下入波码通信无缆智能分注管柱36 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023以来,共发送压力波码 120 组,一次发码成功率 96%以上,较原一次发码成功率(80%)有显著提升。图 8 A2 井无缆智能分注管柱结构示意图该井 5 层井下工具稳定运行超过 3 年,先后经历2 次分层酸化作业、4 次分层调配作业,单层调配工期0.40.6 d,测调精度大于 95%,层段合格率 100%,有效验证了改进工艺的可靠性和高效性(表 1)。表 1 A2 井分层调配历史分层测调历史测调时间单层调配工期/d测调精度层段合格率分层调配2019.8.42019.8.60.695%100%分层酸化+调配 2020.4.242020.4.250.496%100%分层调配2021.5.22021.5.50.697%100%分层酸化+调配 2022.10.42022.10.50.495%100%自无缆智能分注技术改进以来已在渤海油田累计完成换管柱作业 10 井次,分层调配 51 井次,应用效果显著提升:井下水嘴调节灵活,未出现卡堵现象,层段故障率由 21.7%降至 0;测调工期明显缩短,平均单层测调耗时由 0.89 d 缩短至 0.51 d,测调效率大幅提升,极大的节省了作业成本;波码抗干扰性显著提升,一次发码成功率由 77.0%升高至 95.8%;在井下复杂工况条件下,管柱工作时长显著提升,智能配水器最长工作时间超过 3 年。部分井应用效果见表 2。表 2 无缆智能分注技术改进后应用效果分析井号管柱下入时间分层数调配及酸化次数平均单层调配工期/d一次发码成功率层段故障率A12019.6.22470.5295.6%0A22019.7.19560.5096.3%0A32020.3.26450.5496.2%0A42020.4.8450.4895.2%05 结论认识(1)深入分析了无缆智能分注技术在渤海油田应用中存在的问题,主要存在配水器水嘴卡堵、压力波码抗干扰性差、地面发码装置发码效率低等问题。(2)针对存在的问题,优化了水嘴调节方式,可在调节时将水嘴处堆积的杂质冲刷,有效避免水嘴卡堵;改进了压力编码方式,采用压力幅值加脉宽识别作为解码技术,有效的去除了干扰造成的杂波影响,大幅提高了解码准确性;设计了一种液压控制压力波码发生装置,该装置采用纯液压控制、工具结构简单,可靠性高、操作简单,且可使操作人员可远离井口高压区,有效保证施工安全性。(3)优化改进后的无缆智能分注技术在现场应用了 10 井次,通过对应用井跟踪分析,发现平均单层测调耗时由 0.89 d 缩短至 0.51 d,测调效率提高显著,降低作业成本;一次发码成功率由 77.0%升高至95.8%,波码抗干扰性得到加强;层段故障率降至 0,智能配水器最长工作时间超过 3 年,可靠性显著提升。参 考 文 献1刘合,裴晓含,贾德利,等.第四代分层注水技术内涵、应用与展望 J.石油勘探与开发,2017,44(4):608-614.LIU He,PEI Xiaohan,JIA Deli,et al.Connotation,appli-cation and prospect of the fourth-generation separated layer water injection technologyJ.Petroleum Exploration and Development,2017,44(4):608-614.2韦栋,李振彬,魏勇,等.远程测调智能分注技术在吐哈油田的应用J.新疆石油天然气,2017,13(2):93-96.WEI Dong,LI Zhenbin,WEI Yong,et al.Application of the intelligent remote testing and adjusting stratified water-flooding 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