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(1.德州学院，山东 德州 253000；2.德州华海石油机械股份有限公司，山东 德州 253000)

笼统注采模式已不适应高含水油井的采油，宜采取分层卡堵水作业，堵住出水层，提高采收率[1]。特别是近几年水平井出现出水严重的情况，在卡堵水作业之前，需要找到各层的含水情况，因此利用分层测试开关工具，配合封隔器、丢手、丝堵等完成高含水井的分层找水作业[2-3]。自动分层测试工具可实现在生产状态下自动找水，反复调层的功能，克服传统机械找堵水管柱无法反复调层、调层不准确、操作工艺复杂等缺点[4-5]。在现场应用过程中，除用于找堵水外，自动分层测试工具还可用于分层注采和试油测试。文献[6]论述了自动分层工艺用于河南油田分层注采施工中，不仅能分层采油，还能够分层注水；文献[7]论述了自动分层测试技术用于冀东油田的试油测试中。自动分层测试技术在油田的应用越来越广泛。本文设计的自动分层测试开关工具由机械系统和控制系统组成，通过分析其工作过程和工作环境，确定采用地面油套环空加压脉冲模式进行控制，一定时间内，不同压力脉冲个数分别对应各层开关的打开或关闭动作。

1 自动分层测试开关工具机械结构

自动分层测试开关工具采用压力平衡式活塞结构，在打开和关闭状态下实现轴向压力平衡，克服地层和井筒压力对找堵水开关动作的影响。分层测试开关工具主要由上接头、传感器、控制电路、驱动电机、驱动螺杆、外套筒、活塞、活塞套、下接头等组成，如图1所示。电机安装在活塞套上端部，驱动螺杆一端与电机轴配合，另一端通过螺纹与活塞连接。传感器接收井口环空压力脉冲信号，控制电路通过信号控制电机正反转，电机通过驱动螺杆将转动变为活塞的上下移动。电机正转推动活塞下行，至下限位置打开该地层；电机反转推动活塞上行，至活塞上限位置关闭该地层。推进式堵水开关采用侧进液模式，活塞装有密封圈，阻止液体流入活塞底部或顶部空间，使液体仅在活塞环形空间内流动。图1为开关处于打开状态，进液口与出液口连通。

下接头连接装有Spartek压力计[3](耐温150 ℃，耐压70 MPa)的标准偏心短接，压力计可采集分层时各层的压力和温度信息，判断测试开关工具是否正常工作，为后续的注水作业提供支持。

1—电池；2—控制电路；3—传感器；4—驱动电机；5—活塞套；6—螺杆；

2 自动分层测试开关控制系统

2.1 控制模式

测试开关与丢手、封隔器、丝堵等组成分层测试一体化管柱，封隔器隔开各个油层，每个测试开关位置对应一个油层，开关打开则该油层生产，开关关闭则该油层不生产。找堵水一体化管柱下入指定位置后，封隔器坐封、打掉丢手，起出施工管柱后，下入生产管柱，即可进行找堵水工作。借鉴封隔器、桥塞等井下工具的施工方法，通过液压将地面信号传至井底，测试开关上的压力传感器接收压力信号。为确保信号的准确性，采用压力脉冲次数控制模式，如图2所示。

图2 压力脉冲次数控制模式

自动分层测试开关的打开和关闭分别对应一定时间内压力脉冲次数，如测试开关从接收到第1个压力值开始(压力值根据不同井深设定)，统计30 min内的压力脉冲上升沿个数，如果为4个脉冲则测试开关打开，若为5个脉冲则测试开关关闭。为真实地采集到脉冲上升沿，要求加压时间大于60 s，脉冲间隔时间大于60 s，但没有具体时间限制。控制系统硬件采用比较器和单片机的脉冲计数器，软件采取去抖动程序，确保采集到每个脉冲。

2.2 控制系统

分层测试开关与封隔器、丢手、丝堵共同组成分层测试一体化管柱，采用丢手模式，控制系统采取独立电源供电模式。控制系统由单片机(PIC16F876A)[8]、电源电路、电机驱动电路、电机过流保护电路、压力监测电路等组成，如图3所示。单片机作为控制系统的控制中心，除了控制电机的运行外还需采集地面压力信号。

图3 控制系统组成

3 现场试验

现场试验井为中原油田某油井，钻完井深为1 975 m。目前采用封上采下，含水100 %。重新设计分层管柱，分为三级三段，由上至下依次为：KSD丢手+Y241型封隔器+自动分层测试开关3(对应油层3)+PHY341型封隔器+自动分层测试开关2(对应油层2)+PHY341型封隔器+自动分层测试开关1(对应油层1)+丝堵，如图4所示。

各测试开关动作控制脉冲设定：下井前，每个测试开关的打开和关闭对应不同的脉冲个数。在30 min内，测试开关1打开需采集脉冲个数为4个，关闭需采集脉冲个数为5个；测试开关2打开和关闭动作分别对应30 min内脉冲个数为6和7个；测试开关3打开和关闭动作分别对应30 min内脉冲个数为8和9个。脉冲压力为井口环空压力，7～8 MPa为高压，0～2 MPa为低压，且高压和低压持续时间大于60 s。

3.1 试验过程

2017-06-15—2017-06-27，测试开关1开启，测试开关2、3关闭，单独开采油层1；2017-06-27，通过井口环空压力脉冲控制，将测试开关1处于关闭状态，同时开启测试开关2，单独开采油层2，开采至2017-07-13，地面控制将测试开关2关闭；2017-07-15，再次将测试开关2开启，采至2017-07-17，产层不出液停抽，2017-07-22复抽，仍未见产出液，分析可能因地层压力低，地层供液不足造成出砂，阻塞测试开关2产液通道，砂堵严重。因担心砂堵后会损坏压力计，未再进行井口加压作业，故测试开关3未工作。

图4 完井管柱

3.2 试验结果分析

1) 产液分析。初始状态：关闭油层3(1 477.5～1 672.1 m)、油层2(1 685.5～1 690.0 m)，打开油层1(1 735.1～1 924.7 m )，产液量30 m3，含水100%。2017-06-27，井口环空加压脉冲，关闭测试开关1，打开测试开关2，油层2开始生产，液量19 m3，含水100%，9 d后液量4 m3，含油2.4 m3，2 d后液量2 m3，含油1.2 m3。2017-07-13，井口环空加压脉冲关闭油层2，2 h后液量为0 m3，说明开关2关闭。为进一步测试油层2的产能，2017-07-15，井口环空加压脉冲，打开测试开关2，产液1.6 m3，含油1.0 m3。2017-07-17产出液为0 m3。

2) 温度压力分析。管柱取出后对3个分层测试开关的压力计进行温度和压力曲线提取，3个分层测试工具工作性能良好。测得了3个测试层各自独立完整的压力、温度曲线，3个测试层的压力、温度曲线互不干扰，表明各封隔器密封效果良好，在井筒中层间未发生渗漏、窜漏等情况。各测试层温度压力曲线如图5所示。

a 温度

b 压力

油层1压力曲线分为2个阶段。第1阶段(2017-06-27前)井筒内液体抽取完毕后，压力逐渐降低，说明该层位处于生产状态，测试开关为打开状态；第2阶段(2017-06-27后)该层位压力逐渐积聚增大至稳定状态，说明该层位处于非生产状态，测试开关为关闭状态。

油层2压力曲线分为4个阶段。第1阶段(2017-06-12—2017-06-27)：因作业过程中静液柱压力高于该层地层压力，测试开关2处于关闭状态，井筒环空压力逐渐向地层中进行扩散，由于储层物性差，压力扩散时间较长；第2阶段(2017-06-27—2017-07-13)：测试开关2打开后井底压力下降，前期主要产液为井筒内液体，环空压力下降缓慢；中期该层开始供液，压力下降速度较快；后期因为受到注水压力的补充，压力先急剧上升，后缓慢下降；第3阶段(2017-07-13—2017-07-15)：测试开关关闭后压力逐渐恢复；第4阶段(2017-07-15后)：井筒内部砂堵，地层压力逐渐恢复，期间受到注水井的影响有所波动。

油层3压力曲线与临近的明148注水井泵压变化趋势一致，油层3与该注水井之间存在大通道，表明测试开关3处于关闭状态。

4 结论

1) 分层测试开关活塞采用压力平衡机械结构，克服了机械式找堵水开关受地层压力影响的缺点，开关动作根据固定时间内压力脉冲个数进行，避免了因脉冲高低电平转换时间误差带来的误动作。

2) 现场试验表明，分层测试开关机械结构和控制系统工作可靠，可对各油层温度、压力分别测试，结合产出液情况找出出水层，满足油井开发后期找堵水作业的要求。