智能无线分层测压找水卡堵水工艺及工具设计

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(1.河南油田分公司 石油工程技术研究院，河南 南阳 473132； 2.河南油田分公司 新疆采油厂,新疆 奎屯 834032)

河南油田进入高含水开发后期，通过剩余油监测，河南油田稀油老区的剩余油主要分布在厚层中低渗透层层内，油藏特点是层内非均质严重，渗透率级差大。监测资料显示，层间渗透率相差2～30倍，层内渗透率相差26～848倍，且水淹状况及剩余油分布复杂，因此剩余油潜力的认识与挖潜的难度大。加上部分井开采对象不断转换(3～5个月)，要求对应的分层开采工艺不断地去适应变化，改变生产层位，测试地层压力，认识潜力层段。

目前，井下找堵水工艺技术难以快速测压、可靠找堵水。定期测压和常规的堵水工艺需要频繁的更换井下生产管柱，增加了施工作业费用；研究的水平井找堵水技术，分层测压数据只能在起出管柱后回放，无法早期获取，而且智能开关器长期工作可靠性有待于进一步验证和提高；电缆起下找堵水测压技术，属于投捞式测压堵水工艺，存在投捞载荷大、密封不可靠问题，影响测压和堵水效果。为此，开展了分层无线测压找水卡堵水技术研究。

1 分层无线测压找水卡堵水技术方案

分层测压找水卡堵水技术是在智能找堵水工艺的基础上，增加了地层压力和温度等地层数据的检测、采集数据的无线对接和发送、采集数据的移动无线接收等系统。要求一次完成自动找堵水、对任意层或多层的堵水开采、多层地层压力的及时采集等功能。相对于普通找堵水工艺，实现找堵水层数更多(4层以上)，节约因调层、测压工艺而产生重新动管柱的多次作业费用。

1.1 工艺管柱组成

分层无线测压找水卡堵水工艺管柱如图1所示， 由移动数据采集器、智能开关器、堵水封隔器、丢手接头等井下工具组成。

图1 分层无线测压找水卡堵水工艺管柱

1) 移动数据采集器。是一种从环空下入的数据采集工具。它可以向智能开关器发送采集命令；与智能开关器通讯对接；接收并存储从智能开关器发送来了的地层压力、温度等数据。

2) 智能开关器。是一种可自动控制的井下开关器。功能有4个方面：①具有程控找水功能，可以自动周期开启和关闭，来实现自动找水；②具有接受人工控制功能，可以接收移动数据采集器发来的控制指令，根据指令完成开启或关闭动作，实现堵水采油；③具有自动采集、储存地层压力和温度功能，可以实现自动测压；④数据传送功能，通过与移动数据采集器的通讯对接后，将储存的地层压力数据传送给移动数据采集器，根据地层压力数据，进行下一步的分析。

3) 堵水封隔器。是一种逐级解封封隔器，在实现分层密封的基础上，可解决多级堵水管柱解封困难的问题。

4) 丢手接头。用来实现堵水管柱和采油管柱的分开。抽油的过程中，防止管柱蠕动而造成堵水封隔器寿命降低的问题。

1.2 工艺过程

1) 堵水和采油管柱的下入。将如图1所示分层卡堵水管柱下至设计位置后，从油管加液压坐封堵水封隔器。继续升高压力，使丢手脱开。然后起出上部油管，下入抽油泵，安装偏心井口，形成整个分层测压找卡堵水工艺管柱。

2) 自动找水。找水的过程是程序自动控制的。下完管柱时，各级智能开关处于关闭状态。到达设定时间后，尾部智能开关自动打开，生产最下层一段时间后又自动关闭。然后从下向上逐层打开智能开关，各生产一段时间。通过各层的产液分析即可判含油含水情况，完成自动找水。

3) 卡堵水开采。确定需要生产的其中一段或多个段后，通过环空打压或环空下入移动数据采集器，向对应段智能开关器发送控制指令，智能开关器的压力传感器接收到打开信号后，打开通道，实现指定一段或几段的开采。

4) 无线测压。井下的各级智能开关器定时将检测地层压力并储存数据。在需要测试地层压力的时，从偏心井口测试孔中下入移动数据采集器，与智能开关器进行通讯对接后，向其发送、接收数据指令，智能开关器将存储的压力数据发送给数据采集器。全部数据接收完毕后，起出移动数据采集器，地面回放数据，即可及时了解地层现状，通过“堵水开采”步骤，及时调整生产层段。

5) 管柱起出。下专用捞矛于丢手内，上提管柱解封上级堵水封隔器，下放后，再上提管柱解封下一级封隔器，直到所有封隔器全部解封，管柱顺利起出。堵水封隔器逐级解封，降低了整体管柱的解封载荷，提高了多段堵水管柱解封的安全、可靠性。

2 压力数据井下无线传送技术设计

分层测压找堵水技术的设计有两个技术重点，第1是前文所述的智能找堵水开关器，用来完成开关地层和采集地层压力。第2是压力数据井下无线传送技术，利用无线通讯技术将智能找堵水开关器采集的压力数据传送到移动数据采集器，起出至地面。对于前者，有前期智能开关器的研制经验。而后者，在国内石油行业，无相关方面的无线通讯尝试。因此，压力数据井下无线传送技术的优选和设计是最关键的研究。

2.1 无线传送方式优选

由于压力数据井下无线传送系统要满足2 000 m井下无线数据的交换，传输介质为油水混合物(含盐等杂质)，具有高压高温的特点。因此，通过大量的资料查阅，对可用的3种无线传输方式进行了对比分析(见表1)。

表1 3种无线传输方式优缺点对比

综合以上几种方式的优缺点，结合实际的井况，射频通信方式基本能达到所需要求，并能实现井下无线数据传输。

2.2 压力数据井下无线传送系统设计

通过优选和试验的论证，射频无线传输可满足现场测试要求。利用射频无线传输方式开展了压力数据井下无线传送技术系统设计。

井下数据采集收发系统设计为两部分：井下固定收发器(PDG)和移动数据采集器(TMC)。

系统组成原理如图2所示。

图2 压力数据井下无线传送系统原理

1) 井下固定收发器PDG。井下固定收发器的主要功能是将储存在井下智能开关内的信息，通过射频模块，发送给移动数据采集收发器。PDG由MCU、收发芯片、存储器、天线四个部分组成。MCU进行数据协议处理以及建立收发芯片与存储器之间的数据通信，整个通信呼叫、应答、数据采集、数据封装以及收发控制的过程都由该MCU完成。收发芯片只对数据进行无线信道的传输，实现无线的数据交换。存储器作为中间器件，保存着井下智能开关在工作过程中的状态信息。天线作为辐射或接收自由空间电磁波的装置，使数据信号以电磁波的形式发射或接收。

2) 移动数据采集器TMC。移动数据采集收发器的主要功能是通过无线射频的方式，唤醒井下固定收发器后与之建立通信，自动回收井下智能开关内存储的信息，并保存在存储器内或者通过电缆传输到地面。TMC同样由MCU、收发芯片、存储器、天线四个部分组成。它的内部工作原理同PDG。不同的是，PDG基于降低功耗、节省电池电能的目的，平时处于休眠状态，而TMC则不停的向周围空间发射信号，直到唤醒PDG并与之建立无线数据通信。

3 工艺管柱配套工具

3.1 分层测压找堵水开关器

3.1.1结构和工作原理

智能开关器主要由主体、信号收发系统PDG、控制系统、驱动机构、开关阀、主体等组成(如图3)。

图3 智能开关器结构示意

智能开关器采取电池供电、单板机控制微电机驱动开关阀。下井前设置程序，能够定期的开启、关闭，进行分层找水；能够测内、外部压力，通过地面液压传递信号，测压开关器接收内部压力信号，传送给单板机控制系统，控制开关的打开与关闭；测压开关器接收到外部压力信号，存储到单板机内，并能够发射无线信号，传送给可移动接收装置。

3.1.2技术参数

耐温 120 ℃

抗外压 40 MPa

耐压差 20 MPa

最大外径 115 mm

压力检测精度 0.1 MPa

3.2 移动数据采集器TMC

3.2.1结构和工作原理

移动数据采集器，主要包括主体、电池组、控制电路板、收发天线、天线外壳(如图4)。

图4 移动数据采集器结构示意

移动数据采集器下入前打开电源，向周围空间发射唤醒信号。当移动数据采集器随井下工具下入至目标层智能开关器附近时，智能开关器的天线收到唤醒信号后，发送应答信号，移动数据采集器收到应答信号，完成信号对接。然后向智能开关器发送数据传输信号，请求发送一帧数据，若校验失败，则向固定收发器发送数据重发信号，如校验合格再传输继续下一帧。循环这一过程，直至移动数据采集器接收到全部数据后，固定收发器发送数据传输终止信号，完成地层压力数据的采集。

3.2.2技术指标

耐温 120 ℃

耐压 20 MPa

最大外径 25 mm

适应井斜 ≤30°

通讯距离 ≤1 m

3.3 抗蠕动逐级解封封隔器

3.3.1结构和工作原理

抗蠕动逐级解封封隔器为K341型，如图5所示。

1—上接头；2—中心管；3—锁套；4—提挂环；5—解封销钉；6—锁块；7—单流阀座；8—单流阀芯；9—密封圈；10—弹簧；11—长胶筒；12—滑动接头；13—开口锁环；14—下接头。

1) 坐封。从油管内施加液压，液压经中心管的传液孔作用在单流阀心上，单流阀被打开，液体进入胶筒内部，使胶筒充分膨胀并紧贴套管，封隔油套环形空间。油管泄压后，单流阀芯在弹簧力的作用下，向上移动关闭单流阀，使液体无法泄漏，保证了封隔器的长久密封。

2) 解封。上提管柱，管柱带动上接头、锁套上行，在一定的拉力下剪断解封销钉，锁套上行后锁块便可向外移动，使中心管和单流阀座解除锁定。继续上提，中心管下端的缩径段进入滑动接头的内密封位置，使密封失效，胶筒内的液体泄出，胶筒回弹解封。

3.3.2技术指标

耐温 120 ℃

15 MPa(7＂套管)

最大外径 105 mm

最小通径 42 mm

解封载荷 40～60 kN

4 现场应用

2017年，在河南油田古城油田、王集油田等地开展现场应用7口井，分别是王132、古338、王柴17、泌363、古侧2707、王133、王119井，工艺成功率100%，调层12次，有效率100%。测压资料全部合格。

5 结论

1) 分层无线测压找水卡堵水技术是一项集成技术，运用机电一体化技术，使找水过程实现自动化；地面加压即可实现多次调层；不动管柱，多次接收、回放所采集的地层压力数据。

2) 一趟管柱完成找水、堵水、测试、生产等过程，而且分层数量几乎不受限制，适应范围宽。

3) 实现了井下分层压力、温度等参数进行长期监控存储，这对于了解油藏性质，进行油藏精细描述具有非常重要的指导意义。