水平井是长庆油田提高低渗透特低渗透油藏单井产量、实现规模效益开发的主要井型，应用规模逐年扩大，产能占比不断攀升。同时，受地质储层非均质性强、天然微裂缝发育、注水开发等叠加因素影响，部分水平井出现了含水率上升速度快、产量递减快和暴性水淹等问题，严重制约了水平井的开发效果。截至2021年10月，长庆油田含水率高于80%的水平井达到400余口，亟需应用水平井找堵水技术恢复油井产能。

近年来，国内研制了水平井段可重复坐封的Y211型和Y111型机械式找水封隔器，形成了水平井双封拖动管柱找水技术，解决了多段压裂水平井找水的难题^[1-9]。但是，随着水平井开采层系下移，水平井水平段越来越长、改造段数越来越多，机械式封隔器依靠井口下放悬重产生的压力进行坐封，受水平井复杂井身结构下管柱与井壁摩阻力及接触力的影响，存在封隔器不能完全坐封及后续解封困难等风险。同时，调研发现，国内外部分油服公司的电动封隔器或电动式电缆桥塞坐封工具采用地面电缆供电电控方式，实现封隔器及锚定机构在定向井井下的坐封与解封，无法满足于水平井段分段拖动找水测试及多次重复高效坐封的要求^[10-13]。

针对上述问题及长庆油田多段压裂水平井拖动管柱分段生产找水测试的作业需求，笔者提出了“井下自动封隔、逐段拖动、含水流量存储式采集”的技术思路，研制了适合低渗透油藏水平井井筒特点的可定时或实时坐封解封、实现任意层段封隔的水平井无缆电控封隔器，室内及现场试验取得了较好的效果，初步形成了“电控封隔器+测试短节”拖动管柱找水技术，解决了长水平段水平井大跨距组合段找水的难题。

1.   水平井电控封隔器+测试短节拖动找水管柱

水平井电控封隔器+测试短节拖动找水管柱主要由试油抽子、电控封隔器、测试短节、电控封隔器和丝堵等组成，如图1所示。

图  1  水平井电控封隔器+测试短节拖动找水工艺管柱结构

Figure  1.  Structures of electronically controlled packer and pipe strings for horizontal well water prospecting by test joints

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管柱下井之前，根据水平井的测试层段，在地面设置好电控封隔器的坐封、解封周期及测试短节的测试参数，然后将电控封隔器、测试短节与油管进行连接，随油管下入目的层段。电控封隔器可以定时自动坐封、解封，解决了长水平段井下有效封隔问题；测试短节在井下自动采集分段流量和含水率，解决了参数录取周期长、工作量大的问题；在井口拖动测试管柱，实现了不同组合段含水率、流量测试，能够确定主要出水层段，为高含水水平井堵水提供依据。这样，可使单段找水测试时间由3～4 d缩短至2 d以内。

2.   拖动管柱找水电控封隔器的研制

2.1   封隔器结构

水平井电控封隔器主要包括上接头、坐封机构、驱动机构、电控系统和下接头等5部分。其中，坐封机构包括坐封胶筒、上提管柱解封机构和压缩外套，压缩外套上移，挤压胶筒使其胀开，实现套管坐封；压缩外套下移，胶筒依靠弹性自动复位，实现解封。驱动机构包括直流电机、行星减速器及丝杠螺母传动副，丝杠螺母传动副通过行星减速器将电机输出的旋转扭矩转化为胶筒压缩的轴向压力，通过电机正/反转切换，实现坐封/解封功能转换。电控系统集成主控电路板及高温电池组，实现电控封隔器动作控制以及井下供电。电控封隔器结构如图2所示。

图  2  水平井可电控封隔器结构示意

Figure  2.  Structure of electrically controlled packer for horizontal wells

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2.2   封隔器工作原理

根据测试程序，在地面通过电控封隔器主控电路板设置封隔器的坐封和解封程序，设定坐封、解封周期。封隔器下井过程中，胶筒处于回收状态，下至设计井深后等待设定的坐封时间，按照指令，通过集成在电控腔体内的高温电池组给主控电路板及驱动机构供电，直流电机输出的旋转扭矩通过减速器、丝杠螺母传动副转化为压缩胶筒的轴向压力。通过电机正转，实现坐封。解封时，控制电机反转，在丝杠螺母传动副收缩的同时，将坐封压缩套拉回，使封隔器胶筒依靠自身的收缩能力自动完成胶筒的解封。若电路故障无法实现电控解封，电控封隔器设有上提管柱强制解封功能，可通过上提管柱的方式将坐封胶筒强制复位，从而避免解封故障导致的工具串卡阻。

2.3   主要技术参数

电控封隔器最大外径110.0 mm，适用套管内径121.0～126.0 mm，长度1 750.0 mm，过流通道等效直径38.0 mm，整机耐压60 MPa、耐温120 ℃，可承受压差15 MPa，可以重复坐封10次，采用电控坐封/解封方式，并可上提解封，井下连续工作时间达60 d以上。

2.4   关键技术

2.4.1   结构设计

1）坐封胶筒设计。根据井下介质特性及温度、压力等实际工况参数，建立胶筒的模拟模型。以井下工况参数作为边界条件，进行胶筒坐封动作的模拟分析，结果如图3所示。根据坐封后接触应力与所承受压差的关系，优化设计胶筒尺寸结构^[14]。采用氢化丁腈橡胶作为胶筒的主要基质，根据模拟结果优选胶筒外径108.0 mm，壁厚15.0 mm，自由高度70.0 mm，轴向压缩量≥20.0 mm时可满足双向15 MPa以上的压差承压需求。

图  3  电控封隔器胶筒坐封应力模拟分析结果

Figure  3.  Simulation analysis results of setting stress in electrically controlled packer rubber cylinder

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2）驱动机构设计。电控封隔器驱动机构包括动力输出和运动转换2部分，其工作原理如图4所示。动力输出部分，采用直流电机+行星减速器方式，在许用安装空间内，实现输出扭矩最大化；运动转换部分，采用丝杠螺母机构，丝杠与减速器输出轴连接，螺母推杆通过转换销钉实现止转，从而将电机的旋转输出转化为螺母推杆的直线运动，用于胶筒的压缩坐封。

图  4  电控封隔器驱动机构的工作原理

Figure  4.  Working principle of the driving mechanism of electrically controlled packer

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设计驱动机构时，最关键的是丝杠螺母结构的设计和电机及减速器的选型。

丝杠螺母结构的设计。在满足胶筒坐封可靠性的情况下，用于驱动胶筒压套的螺母推杆按承受最大轴向压力39.2 kN，安全系数取1.50^[15-17]。在满足动密封安装要求的情况下，螺母推杆材质选择超高强度钢42CrMo，有效直径不小于20.0 mm，建立模型并进行压缩状态下的强度校核，推杆各位置无应力集中。

电机及减速器选型。按如下理论公式计算轴向负载力^[14]：

式中：${F_{\rm{a}}}$为轴向负载力，N；R为电机每转一圈执行部件在轴向移动的距离，m（R取0.04 m）；$\eta$为传动系统的总效率，实测为32%；T为负载力矩，N·m。

满足胶筒坐封所需要的轴向负载力（胶筒坐封需用压缩力）为58.8 kN时，对应最大输出负载力矩约为120 N·m。根据安装空间选型，采用1∶3行星减速器，则配套输出扭矩为40 N·m的电机。

3）过流通道设计。通过建立电控封隔器外壳体模型，开展壳体零件强度校核，在保证密封及连接结构尺寸需求的前提下，壳体最小壁厚为5.0 mm时，抗拉强度即可满足60 MPa压力条件下设计要求^[18]，从而核算封隔器内部最小过流面积。电控封隔器A处、D处过液流道（如图5所示）的等效过流直径分别为38.0和46.0 mm，内部驱动系统及电控系统采用居中结构设计，介质从封隔器内部封装结构与外壳体形成的环形空间过流，B处、C处的等效过流直径分别为55.0和56.0 mm，衔接段采用锥面过渡，最大限度地降低流阻及冲蚀。

图  5  电控封隔器各环节过液流道结构示意

Figure  5.  Overcurrent area structure of each link of electrically controlled packer

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2.4.2   控制系统设计

入井前，预设各层段封隔器坐封/解封时间，有效设置量不少于10次，以“年–月–日–时–分”为设置格式；入井后，用封隔器电控系统时钟模块自动检测当前时间，当到达设置时间后，主控电路驱动电机执行目标动作，其中电控封隔器坐封采用坐封时长与电机工作电流双重控制，检测到的堵钻电流与所需时长都满足坐封条件后电机停止动作，保证封隔器坐封到位。

1）主控电路设计。电控封隔器的控制系统采用32位微控制器，内核工作频率最高48 MHz，带有通信接口、3个UART模块、2个SPI模块和2个I2C模块。电源转换电路采用DC-DC芯片，满足最大输出电流2 A，用以保证坐封时电机瞬时输出扭矩。电机驱动芯片采用双路场效应管，通过MO高低电平切换，实现电机的正反转控制。

2）供电模块设计。电控封隔器耗电主要包括电机驱动、主控电路及待机系统等3部分。为满足电机额定工作电压，电控封隔器采用耐高温锂电池，通过串联组合为电机及主控电路供电，电池组采用“17串+1并”组合方式（17串，额定电压61 V，容量3.6 Ah），电机一次坐封/解封所需电容量0.058 Ah，主控电路单次工作电流20 mA，在井下工作60 d的系统待机电流最大容量消耗0.72 Ah，系统电容总消耗1.466 Ah，见表1。

表  1  电控封隔器系统耗电情况分析结果

Table  1.  Power consumption of electrically controlled packer system

耗电项目	供电配置	消耗容量
电机驱动	电机单次工作时间25 min，平均工作电流70 mA	一次坐封/解封所需电量0.058 Ah，10次为0.58 Ah
主控电路	控制电路单次工作电流20 mA	10次坐封容量消耗0.166 Ah
系统待机	系统待机电流0.5 mA	60 d井下工作最大容量消耗0.72 Ah

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模拟井下高温高压（60 MPa、120 ℃）的应用工况，开展了带载放电电压和高温放电电流试验，结果如图6、图7所示。

图  6  高温放电电流曲线

Figure  6.  High temperature discharge current curve

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图  7  带载放电电压曲线

Figure  7.  On-load discharge voltage curve

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试验结果表明，完全满足井下60 d以上电机动作时的有效扭矩输出要求。

3.   室内性能评价试验

3.1   模块性能

3.1.1   系统耐温试验

将直流电机与主控电路一并放入高温测试箱内，环境温度升至120 ℃，连续高温测试时间72 h，通过串口线将主控电路与测试软件连接，检测结果表明，高温环境下系统运行稳定性良好。

3.1.2   输出力矩测试

利用扭矩实验台，将电机、减速器与扭矩传感器连接，并通过磁粉制动器进行加载，测试电机有效输出扭矩与工作电流的对应关系，电流200 mA时输出扭矩达160 N·m，远大于胶筒坐封需要的输出扭矩（120 N·m）。

3.1.3   坐封推力测试

利用压力传感器及配套工装，测试电控封隔器驱动轴系不同输出扭矩（160，120和80 N·m）对应的输出推力，120 N·m扭矩下输出推力达41.2 kN，可满足坐封要求。

3.2   整机性能

3.2.1   整机耐压试验

将电控封隔器整机置于压力测试缸体内，静压加压至60 MPa，稳压时间不少于48 h，观察整机的耐压情况及密封性能。试验结果显示，泄压拆出后封隔器整体结构完整、无变形，拆解电控腔体无泄漏，满足不小于60 MPa的工作压力要求。

3.2.2   坐封承压试验

对电控封隔器预设10次坐封/解封时间，将整机置于高压测试缸体内，当封隔器胶筒坐封后，由压力测试缸两侧交替加压至5，10和15 MPa，重复坐封及加压过程，保压至解封，测试电控封隔器在15 MPa压差环境下重复坐封的密封可靠性^[19]。试验结果如图8所示。

图  8  电控封隔器坐封压力测试曲线

Figure  8.  Test curve for the setting pressure of electrically controlled packer

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试验可知，电控封隔器进行10次坐封/解封后再加压，胶筒在15 MPa压力下依然密封良好，表明新研制的电控封隔器达到了设计的承压能力。

4.   现场试验

水平井电控封隔器双封拖动找水管柱在长庆油田3口长水平段水平井进行了试验，3口井共计测试28个改造段12个组合段，平均跨距268 m。现场试验结果表明，除1套电控封隔器由于电路故障未执行动作外，其余5套均工作正常，单段测试效率由机械封隔器拖动找水管柱的3 d缩短至2 d以内。下面以长平X井为例介绍具体应用情况。

长平X井井深3 308 m，改造10段，于2019年10月末抽汲试油直接投产，初期日产液量23.59 m³，日产油量3.23 t，含水率85.9%。投产11个月后，该井水淹，日产液量8.57 m³，日产油量0 t，含水率100%，动液面745 m。2021年9月，采用电控封隔器开展了双封拖动管柱找水现场试验，进行了4个组合段的找水，2个电控封隔器之间跨距达280 m。完成找水作业前的准备工作（通井、刮削和洗井）后，在地面预先设置好电控封隔器的坐封、解封周期，将封隔器连接好并下至设计位置；合排2 d后，在电控封隔器自动坐封后测试卡封射孔段的出水情况，完成该段测试并自动解封封隔器后，拖动管柱至下一射孔段测试。

该井电控封隔器累计自动坐封/解封5次，起出后，封隔器的胶筒均完好无损。回放电机工作电流存储数据发现，封隔器动作均执行正常，并成功找到主要出水层段。8 d时间完成了10段找水，卡堵出水段后产能恢复到2.2 t/d，生产动态见图9。起出的电控封隔器经保养更换胶筒后仍能应用于其他水平井，取得了较好的应用效果和经济效益。

图  9  长平X井机械卡堵趾部生产动态曲线

Figure  9.  Production dynamic curve of the mechanical blocking toe in Well Changping X

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5.   结　论

1）针对机械式封隔器在长水平段双封拖动管柱找水复杂井况下，不能完全坐封及后续解封困难的问题，成功研制了水平井拖动管柱找水电控封隔器，解决了长水平段水平井大跨距组合段找水的难题，为复杂井况电控封隔工具的研发积累了经验。

2）水平井拖动管柱找水电控封隔器采用内置电池供电，具有可定时或实时坐封解封、可在任意层段进行封隔的功能，适用于复杂井身结构水平井多次重复封隔，适合在普通机械封隔器难以有效封隔的套管中使用。

3）现场试验表明，采用电控封隔器拖动找水管柱，可解决长跨距组合层段的找水问题，测试效率更高、更准确。但水平井拖动管柱找水电控封隔器还需进一步研究，下一步要通过优化胶筒组合形式，增加坐封驱动力，提高封隔器胶筒的耐压性能，从而扩大其适用范围。