小直径直读电动验封仪的研制及应用

王玉玲

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)

0 引 言

大庆油田进入特高含水开发阶段，层间、平面矛盾加剧，生产井含水动态变化较频繁，控水及挖潜难度加大。2010年大庆采油工程研究院开展了油井多级井下测控配产技术研究，通过分层产液量、分层含水以及分层压力等多参数监测，为各生产层段合理控制及均衡动用提供了技术手段。

测控配产技术是指人为将所选生产井内原有的30～50个小层封隔成3～7个配产层，每个配产层都是由上封隔器、配产器、下封隔器组成，其中配产器测试通道最小直径为27.5 mm，每个配产器都与相对应的配注井的层位连通[1，2]。根据测量结果，对相应层进行从全开到全关配产，实现油井分层控制与动态调整，缓解层间和平面矛盾，实现各类油层均衡动用、提高油层动用程度，以达到稳油控水的目的[3-7]。

在对配产井流量含水的实际动态监测中，通过对合层流量与分层流量的测量资料对比，发现部分配产井流量含水的分层解释相互矛盾，初步判断是由于封隔器与配产器或封隔器与油管之间存在漏失，配产井井下管柱长期置于井下，易产生管柱变形，影响措施效果，因此需要验封仪对配产器分层配产密封效果进行验证[8,9]。以往配产井应用的井下验封工具是井下存储式压力计[10]，需采用作业方式将工具一次下井，连续监测5 d的压力资料，再通过作业方式取出。此工艺验封时间长，投捞工作量大，一次只能验封一个层位。与此相比，所研制的小直径直读电动验封仪可利用测试班组地面装备、采用电缆传输，实时监测封堵效果，保证油井多级井下测控配产技术所获资料的准确性[11]，为油田的高效、环保再添新的技术支撑。

1 仪器方案设计

所设计的小直径直读电动验封仪利用可调配产器测试通道作为密封面，采用双道形变皮瓦密封，通过形变皮瓦的胀封，实现配产器单层进液流体相对于井内流体的分段封闭，记录封闭后配产器进液口的流体压力信息，判断配产井内封隔器是否工作良好。配产器测试通道直径为27.5 mm，仪器外径设计为26 mm，工作时，形变皮瓦封闭26～27.5 mm之间的环形空间，这种密封结构对于小管径通道，密封效果极好。技术难点是仪器外径小，设计时要考虑到密封、强度、定位。

1.1 仪器机械结构

小直径直读电动验封仪机械结构由上至下依次为电机驱动结构、推进结构、支撑臂、上皮瓦、进液口、下皮瓦、压力探头及压力测量电路。其结构示意图如图1所示。

图1 小直径直读电动验封仪的机械结构示意图

电机驱动结构中，驱动推杆随着电机供正电或负电来回滑动，带动支撑臂撑起或收回，同时带动形变皮瓦胀封与收缩，完成坐封和解封过程。

为了形变皮瓦密封效果以及避免形变后压力挤压而产生泄漏，选材上选取既适合形变密封又耐压力挤压的橡胶材质，形变皮瓦结构如图2所示。在固定形变皮瓦的滑道筒上设计了直径5 mm的平衡口，在推杆右端设计了圆弧形泄压槽。

图2 形变皮瓦结构图

1.2 电路设计

小直径直读电动验封仪胀封完成后，需要完成压力参数的测量及传输，因此验封仪电路需要具有如下功能：信号采集与放大、压频转换、脉宽调制及功率放大电路。采集的压力信号通过电缆实时传输，经由地面控制系统采集转换，由地面仪表直读压力变化数据。电路设计方案如图3所示。

图3 验封仪电路设计结构图

小直径直读电动验封仪电路设计原理：在压力传感器硅片上安装4个压敏电阻，组成桥式电路。当受压时，变形应力将引起金属丝的电阻变化，一对电阻阻值增加，一对电阻阻值减小，从而破坏桥路平衡，达到测压的目的。电压经过差动放大、AC/DC(模数)转换、V/F(压频)转换后，转换成频率信号经过功率放大电路输送至地面控制系统。

1.3 工作原理

形变皮瓦与起定位功能的支撑臂共用一个电机，所以将电机的行程分为上行程、中行程和下行程三个部分。

1)上行程是为支撑臂打开提供动力：将验封仪通过测试电缆下到配产器本层测试口进口固定，在地面控制系统给电机驱动电路供50 V正电,支撑臂随着行程推杆慢慢撑起，当与验封仪形成40 ℃角时，支撑臂旋进配产器内部的螺旋定位槽，验封仪被固定。

2)中行程是继续给电机驱动电路供电，使推杆继续行进，推杆空行程3 mm，形变皮瓦等待6 s开始形变，以保证仪器的形变皮瓦准确到达配产器相对应的密封面，避免形变皮瓦过早胀封。

3)下行程为形变皮瓦涨封提供动力：电机通过推杆带动固定形变皮瓦的滑动筒滑动，使上、下形变皮瓦胀起，封住验封仪与配产器的环形空间，正好将配产器进液口封在中间。本层段的流体经配产器进液口进入到验封仪的进液口中，流体进入验封仪后，首先经由平衡口进入上、下皮瓦胀起的中间弧形空间，以平衡地层流体压力，然后流体下行到压力探头的测试通道，压力探头感应流体的压力参数变化，然后通过电路传输信号和传输电缆上传到地面控制系统进行处理，实时显示压力变化数据。

待本层段验封结束后，在地面控制系统给电机驱动电路供50 V负电，电机反转。下行程为形变皮瓦泄封提供动力：电机通过推杆带动固定形变皮瓦的滑道筒回收，因为在推杆上设有泄压槽，所以在回收过程中封闭空间的压力逐渐释放，当验封仪内外压力接近平衡时，胀封的上下形变皮瓦恢复初始状态，上提电缆10 m后，继续供电使推杆继续回收，回收到电机反转时的上行程位置，电机反转时的上行程为收回支撑臂提供动力，使支撑臂内的卡簧压缩，支撑臂收回，卧在验封仪的支撑臂槽内，这个解封过程与验封仪胀封过程正好相反。此时完成一个单层段的验封监测，仪器下行，进行下一个层段的验封过程，可以对同一口井多个层段进行验封、实时监测。

验封仪验封原理：仪器在配产器测试通道中，将进液口上下进行封闭，那么被封住层段的地层压力就随密封时间增加而呈线性增加，如图4所示。起点压力为井内流体压力，地层压力的上升速度与关联的注水井的供液能力、地层渗透率、关联井注水压力与该井流体压力的差有关。图4显示：压力随密封时间增加而线性增加，说明本层封堵效果良好。

图4 验封过程中压力与时间关系图

2 试验及分析

在高温高压实验室的高精度压力标定装置上，完成了小直径直读电动验封仪的模拟试验，试验装置示意图如图5所示。图中的配产器测试通道设备用于模拟配产器内部的测试通道，在测试通道中注满液压油，通过注入压力来检测验封仪上、下形变皮瓦的坐封情况。配产器测试通道设备的一端注压口与自动控制的高精度压力标定装置相连接，另一端的溢气口用于上、下形变皮瓦胀封后，释放封闭段内部存在的部分空气，使注压口进入的液压油能很好地填充整个空间，更好地模拟验封仪在井下配产器测试通道中的工作状态。

图5 配产器测试通道实验装置示意图

试验时，将仪器的支撑臂先打开，整支仪器插入到测试装置内，支撑臂卡在测试装置一侧，仪器的上下形变皮瓦刚好位于测试装置注压口的两侧。对仪器供电，使上下皮瓦胀封良好。继续对仪器供电，读取此时测试仪表的计数，仪表显示无压力状态时为2.276 kHz。

通过压力泵对仪器进行加压测试，记录不同压力时的仪器响应频率，在加压过程中，测量的仪器响应频率与压力变化呈线性对应关系。压力测试曲线如图6所示：实验结果表明：压力测试曲线与压力变化呈较好的线性关系，表明该验封仪形变皮瓦的密封效果可靠，多次反复验证，密封效果稳定。

图6 压力测试曲线图版

经实验检测，该验封仪验封压差范围为0～8 MPa， 精度1‰。

3 现场试验及应用

用于油井多级井下测控配产技术的小直径直读电动验封仪于2017年4月在大庆油田XX配产井进行了首次验封试验。图7和图8是该配产井中两个层段的测试压力曲线。

图7的压力曲线表明，偏Ⅲ层段压力上升平稳，没有抽油机冲次引起的压力干扰，判断为此层段封堵合格。在验封偏Ⅲ层段时，仪表上的压力曲线快速上升，极容易判断封堵情况，单个层段录取20～30 min即可完成。

图7 XX井偏Ⅲ层压力曲线

图8表明该实例在仪器形变皮瓦撑开后，压力随抽油机冲次进行变化，出现了压力干扰，判断为偏II层段封隔器有部分漏失情况。

图8 XX井偏II层压力曲线

现场应用表明,应用小直径直读电动验封仪对配产井进行验封时，操作简单，在压差8 MPa(地层压力-流体压力)以内，验封功能正常，资料录取实时、高效、验封结果可靠。压差大于8 MPa之后，泄压功能受到影响，形变皮瓦无法回收到初始状态，只能强行上提验封仪，皮瓦被拉爆，但该层段已录取的压力变化数据是可靠的。因此压差大于8 MPa，只能验封一个层段，压差在0～8 MPa之间可单井多层段验封，因此在验封时，要求根据压差值控制好验封时间，实时监测。

4 结 论

1)小直径直读电动验封仪结构简便，资料录取实时、一次下井可以完成单井多层段验封，压差(地层压力-流动压力)在8 MPa以内验封成功率100%。

2)现场应用表明小直径直读电动验封仪能够满足油井多级井下测控配产技术的现场应用要求。

3)小直径直读电动验封仪为油井多级井下测控配产技术的完善配套提供了技术支撑，为油田动态监测提供有价值的动态资料。