新型恒流配水堵塞器的研制與應(yīng)用

張 云

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163853)

0 引 言

目前，大慶油田以注水開發(fā)為主。注水開發(fā)方式是保持油田地層壓力穩(wěn)定，提高油田中單井產(chǎn)量，進(jìn)而提高油田綜合采收率的最重要的方式之一。針對于非均質(zhì)、多油層、層間矛盾突出的油田，實施了分層注水開發(fā)的試井技術(shù)。此技術(shù)既可有效提高薄、差油層的整體注入能力，又對高滲透、大厚度的油層實現(xiàn)有效地定量控制，進(jìn)而減小油田注水開發(fā)中的層間矛盾，使油田中的各類型油層都能得到全面、有效地利用。注水井分層流量調(diào)配是全面完成地質(zhì)配注方案，有效實現(xiàn)“注夠水、注好水”的重要環(huán)節(jié)。但隨著油田水驅(qū)開發(fā)的不斷深入和外圍薄、差、小油層的接替動用，各個注水層段之間的矛盾也在日益突出，注水井分層流量調(diào)配難度不斷加大，效率不高[1]。面對這一系列的實際性問題，油田技術(shù)人員通過不斷探索和研究，在注水井測調(diào)技術(shù)工藝方面取得了重大的突破。提出將恒流注水技術(shù)予以修正和完善，發(fā)揮恒流優(yōu)勢，克服不穩(wěn)定弊端，更好地為油田測試服務(wù)。

本文首先從恒流配水技術(shù)的工作原理入手，通過深入剖析恒流配水堵塞器的內(nèi)部構(gòu)造,提出技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的解決措施，從而達(dá)到提高水井測調(diào)效率和延長穩(wěn)定周期的目的。

1 恒流配水技術(shù)的工作原理

恒流偏心配水堵塞器是為了保證注水方案精確實施和有效延長平均測調(diào)周期而研制的新型配水裝置，其工作原理主要是應(yīng)用液壓調(diào)速閥的技術(shù)原理，在注水壓力發(fā)生變化的情況下,仍然可以保證注入層段流量恒定。這樣，既可保證注水井中各層段的配注量，又可有效地降低注水井中的層間干擾[2]。

假設(shè)普通陶瓷水咀屬于薄壁小孔類，其過流公式為：

(1)

(2)

式中：μ為流體粘度，MPa·s；A為孔徑面積，m3；d為層段水咀直徑，mm。

假設(shè)注水井某一注入層段的單層吸水指示曲線屬于線性變化規(guī)律，其注入流量公式為：

Δpl=KQ

(3)

式中：Δpl為注入壓差即新型恒流堵塞器出口壓力，MPa；K為常數(shù)，即層段吸水指數(shù)的倒數(shù);Q為層段實際注入量， m3/d。

在注水井中應(yīng)用新型恒流堵塞器之前，應(yīng)先對該井進(jìn)行一次分層流量測試。測試時，記錄油壓py、測試層段的水咀直徑d和關(guān)井時油壓pg等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如不計管線流程損失可得公式：

py-pg=Δp+Δpl

(4)

假設(shè)在該注水層段投入啟動壓力為pq的恒流堵塞器，設(shè)其達(dá)到配注要求q時的油壓為pt，由公式(1)、(2)、(3)、(4)可以得到如下經(jīng)驗公式，公式(1)中流量系數(shù)μ取0.8[3]。

(5)

式中：pt為達(dá)到配注時的油壓，MPa；q為層段配注量， m3/d；Q為層段實測注入量，m3/d;py為測試時油壓，MPa；pg為關(guān)井時油壓，MPa；pq為啟動壓力，MPa；d為層段水咀直徑，mm。

2 恒流技術(shù)應(yīng)用中存在的技術(shù)問題及改進(jìn)措施

2.1 恒流技術(shù)應(yīng)用中存在的技術(shù)問題

通過多年的恒流配水技術(shù)研究，其在應(yīng)用中存在的問題主要表現(xiàn)在以下三個方面：

1)注入壓力波動大。投入恒流堵塞器后，采用兩級彈簧調(diào)節(jié)方式，注入井壓力仍然波動較大，波動范圍可達(dá)到0.5～1.5 MPa。一般需要3～5 d后，才能達(dá)到壓力穩(wěn)定狀態(tài)。

2)壓力調(diào)節(jié)彈簧變形、出現(xiàn)大面積腐蝕。恒流堵塞器的工作環(huán)境惡劣，井下溫度高，注入水質(zhì)差，腐蝕性很強。在使用恒流堵塞器1-2個月后，其內(nèi)部的壓力調(diào)節(jié)彈簧頂部一般會出現(xiàn)明顯的變形，并存在嚴(yán)重的腐蝕情況。

3)恒流水嘴閥芯移動不順暢。由于井下工作環(huán)境惡劣，恒流水嘴閥芯的耐用性是一個很重要的影響因素。閥芯的整體移動不順暢，致使彈簧縱向彈力的一部分損失在側(cè)壁的摩擦阻力上，壓縮形變量將不能達(dá)到應(yīng)用要求[4]。

2.2 恒流注水技術(shù)瓶頸的改進(jìn)措施

為了深入研究影響“腐蝕”與“形變”兩大技術(shù)難題的重要因素，對于原有恒流堵塞器腐蝕嚴(yán)重的問題，采用全新的防砂濾網(wǎng)，驗證井下堵塞器的腐蝕情況是否主要來自于粘污性腐蝕；對于原有恒流堵塞器彈簧壓縮形變的問題，在壓力調(diào)節(jié)彈簧的一側(cè)改用圓柱型穩(wěn)定裝置，以驗證壓力傳導(dǎo)與彈性形變的關(guān)系。

2016年3月5日，在大慶油田的高2x-斜x2偏Ⅰ層位和高3x-x7偏Ⅰ層位投入“改進(jìn)”的恒流堵塞器，并于6月17日撈出，驗證、分析兩個技術(shù)難題的影響因素。

實驗結(jié)果及分析如下：

1)壓力調(diào)節(jié)彈簧出現(xiàn)一側(cè)變形。由于壓力調(diào)節(jié)彈簧底部加裝了穩(wěn)定裝置未出現(xiàn)變形，而彈簧的頂部則出現(xiàn)了明顯的變形。變形后，使彈簧彈力的一部分損失在側(cè)壁的摩擦阻力上，這一因素直接導(dǎo)致層段注入量由開始測量時的10 m3/d,后期變化為6 m3/d。

2)壓力調(diào)節(jié)彈簧未出現(xiàn)大面積腐蝕。井下工作環(huán)境惡劣，井下溫度高，注入水質(zhì)差，腐蝕性很強。投入的恒流堵塞器彈簧本身未出現(xiàn)大面積的腐蝕，證實了堵塞器的腐蝕主要來源于注入水質(zhì)差的粘污影響。

對于原有恒流堵塞器在應(yīng)用中存在的技術(shù)問題，具體解決措施如下。

針對于井口油壓波動大的問題，增加了閥芯通孔不僅實現(xiàn)壓力的線性傳導(dǎo)，還使注入壓力能更快地傳導(dǎo)進(jìn)入堵塞器內(nèi)腔；采用氧化鋯外膜的陶瓷水嘴可防止長期沖刷帶來的孔徑變化。

針對于恒流水嘴閥芯移動不順暢的問題，將密封圈位置上移，使內(nèi)部活動空間更大，且內(nèi)壁采用可控離子滲入技術(shù)，保證壓力滑動裝置的靈活性；將傳壓裝置整體縮短2 mm，在彈簧被完全壓縮時，仍然可以正常注水。

3 關(guān)鍵部件技術(shù)參數(shù)設(shè)定

4 新型恒流堵塞器的應(yīng)用效果

4.1 恒流堵塞器應(yīng)用前提及范圍

在注水井中應(yīng)用新型恒流堵塞器前，首先，應(yīng)該了解新型恒流堵塞器壓力調(diào)節(jié)彈簧的啟動壓力。應(yīng)用新型恒流堵塞器前先測試一次檢測卡片，根據(jù)檢測卡片逐層計算出層段吸水量，然后根據(jù)水表水量值與測量值的比例關(guān)系計算出各層的實際吸水量，充分了解注水井的各個注入層段的實際吸水能力。測試時，準(zhǔn)確記錄井口注入壓力、泵壓值、水表水量值。測試后，對選定的測試井進(jìn)行關(guān)井操作并及時、準(zhǔn)確錄取關(guān)井后的井口油壓。按照公式(5)試計算各個注入層段投入新型恒流堵塞器后的油壓。如果對注入層段所計算的油壓數(shù)值都小于注水井的泵壓值，則該井可以投入新型恒流堵塞器進(jìn)行分層注水。符合條件后，我們主要應(yīng)用在強吸水層段，先克服全井中的主要矛盾，進(jìn)而提升測調(diào)施工工作效率。

4.2 恒流堵塞器的數(shù)據(jù)標(biāo)定及現(xiàn)場應(yīng)用

基于新型恒流堵塞器在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、加工工藝和彈簧強度等諸多方面進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并通過實驗室模擬井下流體標(biāo)定恒流數(shù)據(jù)，并驗證恒流堵塞器在井下工作的穩(wěn)定性、可靠性，對恒流效果給出準(zhǔn)確的評價。

模擬井中的數(shù)據(jù)標(biāo)定是在大慶采油工程研究分層開采實驗室內(nèi)進(jìn)行的。在數(shù)據(jù)標(biāo)定過程中，注入水一直處于循環(huán)狀態(tài)，裝置可以采集嘴前的壓力、流量，也可采集嘴后的壓力、流量，驗證恒流效果及壓力損失數(shù)值。標(biāo)定數(shù)據(jù)表明：恒流效果較好，隨壓力變化后壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)能夠?qū)α髁窟M(jìn)行迅速調(diào)整。額定數(shù)值為10 m3/d的恒流堵塞器能夠穩(wěn)定在9～10 m3/d的流量值，如圖1所示。

圖1 新型恒流堵塞器壓力、流量標(biāo)定數(shù)據(jù)

為了驗證裝置的現(xiàn)場效果，在大慶油田的杏1x-x9注水井進(jìn)行了井口模擬實驗。首先，關(guān)閉總生產(chǎn)閘門，利用井口上返水流模擬井下水流，并用裝置模擬井下配水器，進(jìn)行了水量和壓力測試。試驗開始后2 min內(nèi)，堵塞器的內(nèi)外壓力已經(jīng)保持了定壓、定量，現(xiàn)場效果較好，如圖2所示。

圖2 井口模擬裝置及測試數(shù)據(jù)

新型恒流堵塞器的穩(wěn)定時間由3～5 d減少為2～3 min，主要是由于在堵塞器底部，通過閥芯傳導(dǎo)進(jìn)來的壓力迅速形成反向背壓，并作用在壓力調(diào)節(jié)彈簧上，使壓力調(diào)節(jié)彈簧能夠在很小的注入壓力下，立即進(jìn)入工作狀態(tài)，有效地減小了恒流堵塞器的啟動壓差。

為了驗證恒流堵塞器的實際應(yīng)用效果，在大慶油田進(jìn)行了井下長期壓力、流量跟蹤試驗。對試驗井的層段流量、壓力數(shù)據(jù)，每月都要進(jìn)行檢配施工，并進(jìn)行現(xiàn)場資料回放、打印工作，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性。通過7個多月的連續(xù)監(jiān)測，恒流效果較好，層段注水穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 試驗井現(xiàn)場數(shù)據(jù)打印成果

新型恒流堵塞器有效延長測調(diào)穩(wěn)定周期由2～3個月延長至6～7個月，主要是兩個方面的重要作用：一是在壓力傳導(dǎo)方向上，采用增大閥芯導(dǎo)角的錐型結(jié)構(gòu)可減少壓力損失，使壓力調(diào)節(jié)彈簧的形變量保持在允許變化范圍內(nèi)，大大提升恒流堵塞器的使用周期；二是壓力調(diào)節(jié)彈簧均采用納米級金屬技術(shù)，可以滿足彈性和抗腐蝕的技術(shù)要求[6]，且主體與閥芯均采用可控離子滲入技術(shù)，提高恒流堵塞器的工作性能和使用壽命[7]。

5 結(jié) 論

1)新型恒流堵塞器有效克服了井口油壓波動大的問題，波動范圍在0.1～0.3 MPa之間，穩(wěn)定時間由3～5 d減少為2～3 min，且壓力、流量長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)新型恒流堵塞器有效延長了測調(diào)穩(wěn)定周期，使測調(diào)周期由2～3個月延長至6～7個月，提高測調(diào)工作效率。

[1] 閆術(shù)任,成 峰,李興國.注水井壓降資料應(yīng)用分析[J].油氣井測試,2000,16(2):24-28.

[2] 梁德海.恒流式偏心配水堵塞器的改進(jìn)與應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013,22(6):49.

[3] 馬 偉,趙學(xué)增,劉長運.恒流堵塞器的建模和參數(shù)分析[J].機(jī)械工程師,2006,37(9):112-114.

[4] 郭英偉.KHPX-20型恒流偏心配水堵塞器的研究與應(yīng)用[J].中國科技信息,2005,16(13):137-140.

[5] 欒云天.分層注水技術(shù)中恒流堵塞器的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2014,23(6):102-104.

[6] 伍建林,李著信,趙揚名.地面恒流注水器的研究與試驗[J].石油機(jī)械,2005,33(4):59-59.

[7] 趙奇祥.新型投撈式恒流配水器設(shè)計與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2010,39(7):49-53.