海上油田大排量高保粘注聚工作筒研制与评价

陈 征，寇 磊，张 乐，王 胜，黄泽超

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

目前，国内外还未开展过缆控智能系统分层注聚测调技术相关矿场试验，但是在渤海油田电缆缆控智能系统分层注水技术已趋于成熟。该系统主要由井下电动测调工作筒、过电缆定位密封、过电缆插入密封、钢管电缆、地面测调控制器及配套监控机和监控软件组成，在地面测调控制器的控制下，可实时监测分层注水温度、压力、注入量，快速调整各注入层水嘴开度，达到分层验封与分层吸水指数测试的目的，大大减少了注水井常规测调成本，同时实现注水数据的长期动态监测[1,2]。鉴于此，通过优化缆控智能配水器结构，研制了海上油田大排量高保粘智能注聚工作筒，提高测调效率和地层配注精度，降低作业成本，为提高海上油田化学驱提高采收率提供技术支撑。

1 海上油田分层注聚工艺技术现状

海上油田注聚开发应用的分层注聚工艺包括地面多管、空心集成、一投三分、单管注聚等分注工艺，一定程度上满足了生产需求，但仍存在以下问题：①地面多管分注工艺管柱复杂，分注层段数受限，节流处易积垢、结垢，腐蚀；②空心集成、一投三分分注工艺采用水嘴节流控制流量，聚合物溶液通过配注器时粘度损失大，达到40%～70%，同时其测调时需要钢丝作业配合，测调效率低；③单管注聚分注工艺保粘效果好，但测调时仍需电缆作业配合，占用平台作业窗口，且适用井斜小于60°[3,4]。因此，有必要研发缆控智能分层注聚的配套工具，实现可实时、直观、精确监测井下参数变化，提高测控效率和地层配注效率，为海上油田化学驱提高采收率技术发展提供了新思路。

2 缆控智能测调工作筒研究

2.1 缆控智能测调工作筒设计

2.1.1 智能测调工作筒结构设计

智能测调工作筒是注聚井分层测调技术中关键的配套工具，主要由上接头、流量测试模块、电路系统、电机、减速器、摩阻管及下接头等组成，根据地面控制器设置的层段注聚量调节智能测调工作筒摩阻管开度，达到符合层段注入量，同时将注聚量等数据上传到地面，如图1 所示。

图1 注聚智能测调工作筒结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the polymer injection intelligent testing and adjustment work cylinder

2.1.2 智能测调工作筒技术参数设计

智能测调工作筒技术参数：工具采用偏心设计外径114mm，内径44mm，工作筒开度≥50%条件下，保粘率≥85%，流量单层最大排量≥500m3/d，测试误差≤5%。

2.1.3 智能测调工作筒结构特点

1）全部电控组件均采用二次密封，包括电源电路板、限流电路板、主控电路板（包含电机控制）、温压监测板、电磁流量计电路板，仪器内部进液不会影响仪器的使用。

2）电缆接头部分采用异形凹槽+异形胶垫结构设计，确保电缆固定，防止电缆脱出，减少电缆在接箍处被挤压的风险。

3）流量计探头采用多重密封，提高可靠性。电机丝杠与摩阻管连接处增加扶正装置，防止拉偏。

表1 井下流量计对比分析表Table 1 Comparison and analysis table of underground flowmeters

2.2 摩阻管结构设计

2.2.1 结构组成

摩阻管为测调工作筒的唯一可动部件，由内外两个摩阻管组成，最大限度地减小聚合物流经摩阻管时造成的剪切降解，保证了聚合物分子链及其粘度，出口采用氧化锆陶瓷材料，耐冲蚀，如图2 所示。

图2 摩阻管结构示意图Fig.2 Schematic diagram of friction tube structure

2.2.2 保粘原理

当聚合物流经注聚智能测调工作筒内管时，聚合物经过内管出口进入摩阻管通道，同时由于环形通道连续扩缩管环空面积较大，单位聚合物的流速低，剪切速率低，因而对聚合物溶液剪切降解率低，使得聚合物粘度得到有效保留。聚合物溶液流经环形连续扩缩环空后，从智能测调工作筒的出口流入当前层位。

2.2.3 工作原理

摩阻管打开：电机带动减速器逆时针旋转，摩阻管的内管随着减速器的转动向上运动，与外摩阻管齿牙形成相对运动，内摩阻管与外摩阻管套间隙增大，聚合物剂流体阻尼降低，即调大注聚流量。

摩阻管关闭：电机带动减速器顺时针旋转，摩阻管的内管随着减速器的转动向下运动，与外摩阻管齿牙形成相对运动，内摩阻管与外摩阻管套间隙减小，聚合物剂流体阻尼增加，即调小注聚流量。

2.3 流量测试模块设计

研究的分层流量测试模块与控制需要与总体结构相匹配，考虑到井下工作环境恶劣，且发生故障后不易维修等问题。设计的永置式测调系统其总体方案包括井下流量测调装置的设计、电缆供电与载波通信、地面控制器、多层流量快速调配算法研究等4 个方面。

2.3.1 流量计的选择

通过对目前井下常用的流量计对比分析，优选电磁流量计作为智能测调工作筒的流量测试模块[5,6]。

2.3.2 电磁流量计的优点

1）在进行测量时，测量管非常通畅，对流体无阻碍，不会损失压力。

2）磁场空间是感应电压信号生成的基本前提，在安装传感器时，对直管长度无特别要求。

3）在同被测流体接触方面，有电极、内衬，确保耐磨、耐腐蚀[7]。

3 室内评价试验

聚合物经过注聚测调工作筒、测调控制工具会产生剪切而粘度值降低，本次试验主要验证海上使用注聚井测调工作筒在聚合物溶液经过后的保粘率情况。试验采用注聚泵，在不同流量、压力的情况下取工具前、后的聚合物溶液进行实验，并在不同流量和压力情况下对工具前、后聚合物溶液粘度的变化进行分析，同时对工作筒内的电磁流量计进行校验，为海上聚合物驱油测调工作筒的优化提供参考。

3.1 试验工艺流程

试验流程主要由上水系统、配液撬装设备、熟化罐、注聚泵、注聚测调工作筒、地面控制器及废液回收罐组成。

3.2 试验方案

试验聚合物采用普通聚丙烯酰胺，目标液配制浓度1200mg/L，环境温度为30℃，溶解熟化时间45min，测得聚合物母液粘度在40 mPa.s ～50 mPa.s。工具前取样：从工具进液端取样口取样；工具后取样：经过井下分注工具后，从取样口取样。

用30 方柱塞泵进行实验，分别在流量为10m3/h、15m3/h、20m3/h、25m3/h 取样实验并记录摩阻管前后压力、粘度值数据。

1）地面控制器控制摩阻管全开，起泵，排量稳定在10m3/h，记录水嘴前后压力及流量并取样，水嘴前后各取样3 组。

图3 注聚保粘试验工艺流程Fig.3 Process flow of polymer injection and adhesive retention test

图4 摩阻管在不同流量、开度下的保粘率Fig. 4 Viscosity retention rate of friction tube under Different flow rates and openings

2）执行摩阻管关闭指令，摩阻管开度设置为80%，再次记录水嘴前后压力及流量并取样，水嘴前后各取样3 组。

3）继续执行摩阻管关闭指令，摩阻管开度设置为50%，再次记录水嘴前后压力及流量并取样，水嘴前后各取样3 组。

4）重复2）、3）操作方法，使摩阻管开度分别设置为45%、42%、40%、37%、35%、32%及30%，记录摩阻管前后压力及流量并取样，摩阻管前后各取样3 组，待摩阻管即将关闭时，泵压若超过15MPa，则立即停泵。

5）采用1）、4）的步骤，分别完成排量在15m3/h、20m3/h、25m3/h 的试验。

3.3 试验结果

1）缆控智能注聚工作筒试验结果表明：

图5 电磁流量计标定试验Fig.5 Calibration test of electromagnetic flow meter

① 注入量在10m3/h（240m3/d）时，测调工作筒水嘴开度从30%至全开，开度≥37%，粘率均在85%以上。其中，开度为37%时，保粘率为88.3%。

② 注入量在15m3/h（360m3/d）时，测调工作筒水嘴开度从32%至全开，开度≥37%，粘率均在85%以上。其中，开度为37%时，保粘率为86.1%。

③ 注入量在20m3/h（480m3/d）时，测调工作筒水嘴开度从35%至全开，开度≥42%，粘率均在85%以上。其中，开度为42%时，保粘率为85.2%。

④ 注入量在25m3/h（600m3/d）时，测调工作筒水嘴开度从37%至全开，开度≥45%，粘率均在85%以上。其中，开度为45%时，保粘率为89.8%。

缆控智能注聚在不同排量下：开度为50%以上，粘率均在85%以上，符合设计要求。

2）缆控智能注聚工作筒内电磁流量计校验结果表明：

电磁流量计在聚合物溶液中标定实验结果：不同流量下测试结果线性度较好，最大误差为4.79%，最小为1.56%，平均误差为2.97%。

4 结论

1）创新研制的缆控智能测调工作筒在整个试验过程中测调控制工作稳定，可实现注聚井流量的实时监测及控制。

2）性能评价实验表明，缆控智能注聚在不同排量下：开度为50%以上，粘率均在85%以上，满足海上油田大排量注聚井的需求。

3）电磁流量计在聚合物溶液标定测试中，测试结果线性度较好，在≤600m3/d 条件下，误差可控制在5%以内。

4）缆控智能测调工作筒成果研制为海上油田化学驱提高采收率提供强有力技术支持，具有较高的应用推广价值。