0 引言

随着注水油田的不断开采，采出液含水体积分数逐年上升，国内的一些油田采出液含水体积分数已经超过90%^[1]。油井产液含水体积分数高使采出成本升高，以至于到达生产经济极限的油井被迫废弃，这些废弃的井还有很多地质储量没有被采出，造成能源浪费^[2-3]。同时，处理回注水还会带来环境污染问题。为保持油田的高产稳产，同井注采技术应运而生^[4]。

同井注采技术能够实现地层液的井下油水分离，分离后的水被回注到地层，富含油的采出液被举升到地面^[5]。为了防止窜层，需要使用特殊的封隔器分隔采出层和回注层，同时封隔器还起到锚定油管的作用。不同于压裂等操作的短时间油管锚定，长期进行环套空间封隔以及油管锚定需要考虑封隔锚定失效的问题，若不能及时发现封隔及锚定失效，则会造成生产及能源浪费。在同井注采系统长期工作过程中，载荷变化、温度变化以及油管蠕动等因素会导致油管锚定装置锚定失效^[6-10]。现有的封隔锚定装置失效检测技术需要对油井进行长时间观察，才能通过井况不正常情况推断出封隔锚定失效。因此，进行井下封隔器及油管锚定情况的监测和松脱预警具有重要的工程实际意义。

针对以上不足，笔者研究了一种可及时对封隔锚定装置进行失效预警的检测方法，并开发了相应的便携式同井注采系统封隔失效检测装置。

1.1 同井注采系统

有杆泵同井注采系统主要由抽油机、采出泵、密封活塞、封隔器、注入泵和油水分离装置等组成，具体结构如图 1所示^[11]。井下油水分离装置将地层液分离为低含水油和回注水，上层含水油通过封隔器的桥式通道上升到采出泵吸入口，下层水经过油水分离器中心管到达注入泵吸入口。在有杆泵的上、下冲程中，低含水油被采出泵举升至地面，回注水被注入泵重新回注到地层。

1.2 同井注采封隔锚定装置力学分析

大庆油田30口有杆泵同井注采井采用的封隔器均为机械卡瓦式封隔器，其坐封方式为加载坐封，在封隔器下入井中后，对管柱施加向下的坐封载荷，完成坐封。由于坐封载荷的存在，封隔器与井口之间的管柱始终处于受压状态，井口四通受到油管向上的推力，所以井口套管受拉，其受力示意图如图 2所示。

井口套管受拉力为：

(1)

载荷变化、温度变化以及油管蠕动等因素都有可能导致封隔锚定失效。封隔锚定失效是一个渐变的过程，封隔坐封力F_Z会逐渐减小，直到封隔锚定力F_M=0，封隔锚定完全失效。此时，油管的重力G_G通过井口四通完全作用在井口套管上，井口套管受压，F_T=-F_L=G_G，其受力示意图如图 3所示。因此通过井口套管的受力变化情况即可判定封隔锚定装置是否失效。

1.3 失效预警方案

由上述分析可知，可以通过检测井口套管的受力情况反推油管的受力情况，从而判断井下油管的锚定情况。其方案如图 4所示。

根据上述方案确定具体的失效检测流程(见图 5)，考虑到油田采油井工作环境随季节变化，采用套管上贴应变片组成惠斯通电桥的方法测量井口套管受力情况。首先测量下完管柱、未坐封的井口套管应变并标定，记录好标定值。然后对坐封好的井口套管定期进行应变检测，并将测得数据保存、读取至计算机，与之前的标定数据进行对比、分析，当发现数据波动较大或有异常时，计算坐封载荷，并判断是否坐封失效。

2 检测仪器的开发 2.1 电气原理

封隔锚定失效检测仪器由12 V的大容量充电锂电池提供电力，设计有电量显示模块，有充电口可进行充电。其电气原理如图 6所示。WIN CE系统控制器与键盘通过USB线进行通信，并通过HUB分出另一个USB接口用于采集拷贝数据。电源通过信号放大调理器5、6端口为其供电，并在3、4端口输出应变片激励电压，激励电压为9 V，通过串口接线与应变片相连。应变片测得的信号返回至串口，并通过1、2端口输入信号放大器并放大信号，7、8端口输出放大调理后的信号，通过控制器上模拟量输入口输入。

为获得较大的输出信号，采用惠斯通全桥贴片的方式在井口套管外侧贴片。为消除井口弯矩对检测数据的影响，设计应变片为180°对称分布，给予应变片9 V激励电压。检测仪器采用的惠斯通电桥电路如图 7所示。

2.2 硬件设计

封隔锚定失效检测仪器采用模块化设计，主要由电源模块、应变检测接口、信号放大模块、嵌入式操作系统、输入模块、显示模块、数据存储模块和数据读取模块等组成。具体的功能模块结构如图 8所示。

2.3 采集程序设计

该检测仪器的主要控制程序流程如图 9所示。打开仪器，与应变片通过串口完成接线，按下开关接通电源，系统启动。首先弹出井号输入界面，输入井号，进入采集界面。按下采集按钮开始进行井口套管受力的采集，采集的数据在显示器中以波的形式显示，并在后台通过内部存储进行保存。采集后按下数据保存按钮进行数据的保存，程序设定保存文件名为井号和当前时间，方便后期查找和对比使用。使用移动存储设备可以将存储在仪器中的数据转移到计算机上，方便对数据进行处理。仪器还具有参数设定功能，以便满足现场操作的各种使用要求。

2.4 结构布局

封隔锚定失效检测仪器整体设计为铝合金外壳，便于携带。通过钣金制作仪器面板，将显示器等通过螺钉安装在面板上。面板上主要有显示器、操作键盘、电源开关、电量显示、USB插口、电池充电口和连接应变片用的串口接头。通过合理布局，整个面板美观且方便操作。检测仪器面板结构布局如图 10所示。

WIN CE嵌入式系统的工业级控制器，可以实现对电压和电流等信号的接收。经信号放大器输出的是模拟电压信号，通过工控微机中的A/D转换功能，将模拟电压信号转换为数字量信号，便于信号数据的存储。此外，工控微机还连接输入模块和数据读取模块等，通过外接键盘进行选取井号和选取日期等操作指令的输入。通过数据读取模块将存储于工控微机中的套管应变数据读取至计算机，方便套管应变数据的对比、分析及处理。

该检测仪器内部结构布局如图 11所示。为精确地读取信号值，需要通过信号放大器对套管应变信号进行放大处理。信号放大器可以将测得的套管应变信号放大，防止因套管应变信号较小而造成的信号丢失；同时放大信号有利于之后的A/D转换，可以防止因A/D转换信号采集的灵敏度问题造成的信号丢失。根据信号输出的大致范围和工控机能够接收的模拟量范围，选择信号放大器的放大倍数为500倍。

3 现场应用 3.1 现场测试

目前，有杆泵同井注采系统在大庆油田现场应用30口井，使用封隔锚定失效检测仪器对这30口同井注采井进行了长期监测。测试方法及步骤：

(1) 找到测试井，用角磨机对井口套管进行打磨，对于井口套管被掩埋在地面以下的测试井，需要挖开地面露出套管。

(2) 利用砂纸对角磨机打磨过的套管表面继续进行精细打磨，使用丙酮对打磨过的套管表面进行清洁。

(3) 将应变片贴在清洁光滑的套管表面，对应变片进行接线，并做好防水措施。

(4) 用测试仪器定期对套管应变进行检测。

图 12所示为井口套管的现场贴片测试应变数据。

3.2 测试数据

每隔一段时间测试一次井口套管应变数据，发现10号井、20号井、23号井和27号井数据变化明显，其余井测试数据皆在正常范围内波动。图 13为10号井(B1-4-P44井)的测试数据。

由于上、下冲程液柱压力不同，作用于套管上的载荷在上、下冲程过程中时刻发生改变，所以套管应变测试值呈现规律性变化。

3.3 数据处理

根据测得井口套管应变ε，计算套管受力：

(2)

式中：F为载荷，N；E为试件弹性模量，取210 GPa；A为套管截面积，m²。

测试仪器采用应变片惠斯通电桥测试，对应的应变转换电压信号的计算公式为^[12]：

(3)

式中：υ为泊松比，取0.3；U为应变片激励电压，V；K_S为应变片系数，取2.12；e为应变片输出的电压信号，V。

应变片输出信号经放大器放大，放大倍数为500倍。仪器信号采集的电压是5 V，对应示值是4 048，即采出值与应变片信号关系为：

(4)

式中：X为测试值。

将上述公式联合，进一步推出测试值与载荷的关系式：

(5)

变换上式获得通过测试值计算载荷的公式：

(6)

10号井处理好的测试数据如表 1所示。

3.4 测试结果

根据上述数据，10号井井口套管应变平均值在2018年7月20日到8月10日之间趋于稳定，但在之后，套管应变平均值逐渐减小，即坐封载荷逐渐减小，到2018年10月16日，10号井坐封载荷远低于坐封时加载的159.9 kN，因此判定10号井封隔器封隔失效。计算分析20号井、23号井和27号井所测数据，皆得出现坐封载荷远低于坐封时加载的载荷，因此判定这3口井也属于封隔锚定失效井。经现场确认，10号井、20号井、23号井以及27号井封隔器确实已经失效。

4 结论

(1) 依据有杆泵同井注采系统封隔锚定结构以及受力状况，研究了一种基于井口套管应变判定井下封隔状况的检测方法。

(2) 采用研究的检测方法进行了相关检测仪器设计，完成了结构设计、元件布局和程序编写，最终制作了一台检测仪器样机。

(3) 通过对大庆油田30口同井注采试验井的长期监测，有4口井出现数据异常，经现场确认，这4口井确有封隔失效状况发生，从而验证了仪器的可靠性。