機(jī)械式智能分層注水工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

張成君，李 越，王 磊，張清龍，滿宗通，仲兆宇

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300459）

注水開發(fā)是實(shí)現(xiàn)油田開發(fā)長期高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)手段[1]，能夠保持油層壓力，降低遞減率，提高注水井的分注率、層段合格率，完善注采關(guān)系，是海上油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要技術(shù)保障。實(shí)施分層注水能有效解決層間矛盾，提高各層動(dòng)用程度，最終增加原油產(chǎn)量。目前，渤海油田已進(jìn)入全面注水開發(fā)階段，一投三分、同心分注、空心集成等常規(guī)的分層注水工藝[2?11]在現(xiàn)場應(yīng)用過程中存在以下問題：

（1）測試調(diào)配工作需要鋼絲作業(yè)反復(fù)投撈配水器芯子，測調(diào)工作量大、作業(yè)周期長、成本費(fèi)用高、調(diào)配精度低；

（2）平臺(tái)作業(yè)量大，占用時(shí)間長；

（3）受井斜影響嚴(yán)重，井斜超過60°無法正常完成作業(yè)；

（4）無法實(shí)時(shí)監(jiān)控井下各層位的流量、溫度、注水壓力和地層壓力等，同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測調(diào)。

針對以上問題，為提高測試調(diào)配效率，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化分層注水，井下參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及在線調(diào)配，提出研制適合海上油田的機(jī)械式智能分層注水技 術(shù)[12?22]。

1 機(jī)械式智能分層注水設(shè)備

1.1 地面集成控制系統(tǒng)

地面集成系統(tǒng)包括地面控制器、地面數(shù)據(jù)信號采集設(shè)備和監(jiān)控計(jì)算機(jī)。地面數(shù)據(jù)信號采集設(shè)備和監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測井下各層位的流量、溫度、注水壓力和地層壓力，并通過地面控制器實(shí)行自動(dòng)或手動(dòng)控制井下多級流量控制裝置（簡稱流量閥或ICV），實(shí)現(xiàn)分層流量在線調(diào)節(jié)。

1.2 穿越液控管線的隔離/定位密封

隔離密封、定位密封是與防砂封隔器、密封筒配合使用將油層分開，防止層間串流的重要工具。由于每層的流量閥都需要連接液控管線，因此隔離/定位密封必須具有穿越液控管線的功能，如圖1所示。

圖1 可穿越式隔離/定位密封示意Fig.1 Diagram of isolation seal/location seal

1.3 多級流量控制裝置及解碼器

井下多級流量控制裝置包括開啟總成、關(guān)閉總成、防漂移鎖、多級水嘴等，是一種自平衡、地面控制、井下安裝的裝置，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)11級調(diào)控，流量可控范圍靈活，精度更高。流量閥的控制邏輯為單相控制，一根液控管線控制閥開啟，另一根液控管線控制閥關(guān)閉，液控管線由井口油管掛、采油樹穿出連接至地面液控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面控制，如圖2所示。

圖2 多級流量控制裝置Fig.2 Multi?level flow control device

當(dāng)井下多級流量控制裝置數(shù)量超過兩個(gè)時(shí)，為減少液控管線數(shù)量，實(shí)現(xiàn)三根液控管線精準(zhǔn)控制，一般采用解碼器。解碼器是實(shí)現(xiàn)井下層位選擇的液壓解碼裝置，主要由一個(gè)常開二位二通閥和一個(gè)常閉二位二通閥組成，通過液控管線的給壓順序的變化(不同排列組合)來選擇對應(yīng)的多級流量控制裝置。

1.4 油藏（流量/溫度/壓力）監(jiān)測系統(tǒng)

油藏監(jiān)測系統(tǒng)主要包括文丘里流量計(jì)、信號采集探頭、集成傳輸電路板等，具備流量、壓力、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，能有效監(jiān)測各層油藏的動(dòng)態(tài)，并將井下動(dòng)態(tài)（壓力、溫度和流量）傳輸給地面。

2 機(jī)械式智能分層注水工藝與原理

2.1 測調(diào)工藝流程

數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)將井下溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù)采集后，作業(yè)人員通過地面控制系統(tǒng)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)井下多級流量控制裝置，工藝圖如圖3所示,具體測調(diào)流程如下：

（1）通過穿越液控管線的隔離/定位密封進(jìn)行分層；

（2）油藏監(jiān)測系統(tǒng)(井下流量計(jì))測得各層實(shí)際流量反饋至地面數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)；

（3）根據(jù)油藏對各層配注量要求,確定對應(yīng)層位多級流量控制裝置水嘴的開度；

（4）地面控制柜操控（手動(dòng)/自動(dòng)）調(diào)節(jié)對應(yīng)的多級流量控制裝置至需要的開度；

（5）油藏監(jiān)測系統(tǒng)(井下流量計(jì))測得實(shí)時(shí)更新的流量數(shù)據(jù)至地面顯示；

（6）根據(jù)需要再次調(diào)整多級流量控制裝置開度大小。

循環(huán)以上步驟，直到調(diào)配結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 測調(diào)工藝原理

測調(diào)工藝原理根據(jù)是否下入解碼器可分為液壓N+1控制原理(無解碼器）和液壓3-2控制原理(含解碼器）。

圖3 機(jī)械式智能分層注水工藝圖Fig.3 Mechanical intelligent layered injection process

2.2.1 液壓N+1控制原理(無解碼器） 液壓N+1控制模式是由N+1根液控管線控制N個(gè)井下多級流量控制裝置；所有井下多級流量控制裝置共用一根液控管線控制關(guān)閉；每個(gè)多級流量控制裝置通過獨(dú)立液控管線進(jìn)行控制開啟。圖4為3根液控管線控制2個(gè)多級流量控制裝置原理示意圖，當(dāng)需要關(guān)閉所有流量閥時(shí)，液控管線1進(jìn)行打壓，在需要開啟某一層時(shí)，對對應(yīng)該層位流量閥的液控管線打壓即可實(shí)現(xiàn)流量閥開啟。

圖4 液壓N+1控制原理示意Fig.4 Hydraulic N+1 control principle diagram

2.2.2 液壓3-2控制原理(含解碼器） 液壓3-2控制模式是在每層的流量閥上端連接一個(gè)解碼器，通過三根液控管線精準(zhǔn)選擇對應(yīng)解碼器，從而控制對應(yīng)層位的流量閥?？刂圃砣鐖D5所示，1#控制線與解碼器的關(guān)閉口連接；2#控制線與解碼器的打壓口和解碼器進(jìn)入多級流量控制裝置關(guān)閉口連接；3#控制線與解碼器保壓口和解碼器進(jìn)入多級流量控制裝置開啟口連接。通過三根液控管線打壓、保壓、泄壓的順序不同實(shí)現(xiàn)多級流量控制裝置的開關(guān)，具體過程如下：

通過地面控制柜給出開啟解碼器指令時(shí)，3#控制線先保壓，2#控制線再打壓，此時(shí)解碼器開啟。2#對應(yīng)的解碼器進(jìn)入流量閥關(guān)閉口與流量閥關(guān)閉口導(dǎo)通，3#對應(yīng)的解碼器進(jìn)入流量閥開啟口與流量閥開啟口導(dǎo)通；地面給出開啟流量閥指令時(shí)，3#控制線打壓，流量閥開啟。地面給出關(guān)閉流量閥指令時(shí)，2#控制線打壓，流量閥關(guān)閉；地面給出關(guān)閉流量閥指令時(shí)，1#控制線打壓，解碼器關(guān)閉。

圖5 液壓3-2控制原理示意Fig.5 Hydraulic 3-2 control principle diagram

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、多級注水裝置在線液壓控制一體化，主要優(yōu)勢及技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）該工藝注水監(jiān)測及調(diào)配裝置采用井下常置式安裝，實(shí)現(xiàn)了注水井實(shí)時(shí)監(jiān)測和在線測調(diào)的功能，無需鋼絲/電纜作業(yè)，測調(diào)效率高，同時(shí)受井斜影響小，滿足大斜度定向井、水平井、深井的作業(yè)需求；

（2）采用液壓機(jī)械控制方式調(diào)節(jié)井下多級流量控制裝置，相比電動(dòng)控制方式，推力大、可靠性高，更適應(yīng)井下復(fù)雜工況；

（3）井下多級流量控制裝置可實(shí)現(xiàn)多達(dá)11級調(diào)控，流量可控范圍靈活，調(diào)節(jié)精度高，采用了關(guān)閉鎖、防漂移壓力鎖等先進(jìn)機(jī)構(gòu)，充分保證了長期安全注水的要求；

（4）建立了“液壓N+1控制”和“液壓3-2解碼控制”兩種井下控制模式，研制的解碼器能滿足井下多級流量調(diào)控裝置的伺服調(diào)控要求及遠(yuǎn)程調(diào)控要求；

（5）無需對當(dāng)前的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行改造，適應(yīng)性廣，井下無活動(dòng)的電子元器件，系統(tǒng)壽命長，可隨時(shí)進(jìn)行海上酸化、測試等作業(yè)。

3 渤海某油田X井的現(xiàn)場應(yīng)用

渤海某油田位于渤海中部海域。區(qū)域上，構(gòu)造位于渤中坳陷石臼坨凸起的中部，凸起周邊為渤中、秦南和南堡三大富油凹陷所環(huán)繞，是渤海海域油氣富集的有利地區(qū)之一。

該油田構(gòu)造具有埋藏淺、構(gòu)造幅度低、規(guī)模大、局部圈閉多等特點(diǎn)。儲(chǔ)集層埋藏淺，成巖作用較弱，因此砂巖疏松，儲(chǔ)層物性好。物性分析顯示為高孔、高滲儲(chǔ)層。受構(gòu)造、斷層、巖性的多重制約，油水系統(tǒng)復(fù)雜，油藏類型多樣，發(fā)育有巖性油藏、構(gòu)造巖性油藏、巖性構(gòu)造油藏、構(gòu)造油藏。該油田屬于黏度高、密度大的稠油油田；天然氣成分主要以甲烷為主；地層水水型為NaHCO3型，礦化度平均約4 500 mg/L。

3.1 作業(yè)目的

結(jié)合周邊油井壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)及注水井注入情況估算目前地層壓力為8.0 MPa左右（原始地層壓力11.3 MPa），儲(chǔ)層能量低，供液能力不足。由于該區(qū)域夾層發(fā)育，為了能給NmⅡ2小層補(bǔ)充足夠的能量，改善水驅(qū)開發(fā)效果，減少無效水循環(huán)，對P2防砂段（NmⅡ油組）進(jìn)行分注作業(yè)。

3.2 方案與工藝

3.2.1 分注方案 P1（NmⅠ油組）、P2（NmⅡ1）和P5（NmⅢ油組）大修后暫時(shí)關(guān)閉，對P3（NmⅡ2）、P4（NmⅡ3）防砂段進(jìn)行分層注水。根據(jù)渤海某油田注水井破裂壓力，最大井口壓力為12.5 MPa，該井注水量及未來最大配注量見表1。

表1 分層配注量推薦表Table 1 Stratification with the amount of injection recommended table

3.2.2 實(shí)施流程 在防砂管柱下入后，進(jìn)行注水管柱（見圖6）下入及后續(xù)作業(yè)如下：

圖6 注水管柱Fig.6 Water column diagram

（a）注水管柱組合：7.30 cmEU圓堵+7.30 cmEU倒角油管+隔離密封+下層流量閥+可穿越隔離密封總成+7.30 cmEU倒角油管及短接+上層流量閥+可穿越隔離密封總成+可穿越定位密封總成+水力錨+8.89 cmEU油管+井下安全閥+8.89 cmEU油管+油管掛。

流量閥及隔離/定位密封總成已經(jīng)在車間組裝完畢，現(xiàn)場只需按設(shè)計(jì)連接油管及配長短接，連接液控管線試壓合格即可，操作簡單。液控管線帶壓下入，每個(gè)油管接箍安裝管線護(hù)罩，保障管線安全下入。

（b）安裝地面控制系統(tǒng)。

（c）試壓：關(guān)閉井下流量閥，正打壓35 MPa，穩(wěn)壓15 min，放壓至零，合格；環(huán)空打壓21 MPa，穩(wěn)壓15 min，放壓至零，合格。

（d）分層調(diào)配后開始正常注水。

3.3 分層調(diào)配效果

作業(yè)完成，正常注水一段時(shí)間后，測得注水曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，注入量穩(wěn)定，并達(dá)到配注量要求，驗(yàn)證了流量閥的精準(zhǔn)調(diào)配能力；長時(shí)間注水后，井口并無套壓產(chǎn)生，確認(rèn)了穿越液控管線的隔離/定位密封的功能及可靠性。

圖7 注水曲線Fig.7 Water injection curve

本次作業(yè)免除了后期鋼絲投撈、測調(diào)等作業(yè)，大大降低作業(yè)費(fèi)用，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，地面實(shí)時(shí)調(diào)控井下多級流量控制裝置，操作簡單，測調(diào)精準(zhǔn)，達(dá)到分層配注的設(shè)計(jì)要求，機(jī)械式智能分層注水工藝技術(shù)的安全性、時(shí)效性、適用性、可靠性均得到了驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

機(jī)械式智能分層注水工藝技術(shù)采用液壓機(jī)械式控制方式，并集成了智能化井下監(jiān)測、自動(dòng)化工具調(diào)控等功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測、在線測調(diào)的功能。在渤海某油田X井的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了該工藝技術(shù)的安全性、時(shí)效性、適用性和可靠性。

該工藝不需要對當(dāng)前的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行改造，適應(yīng)性廣，井下無活動(dòng)的電子元器件，系統(tǒng)壽命長，能適應(yīng)井下復(fù)雜工況，為渤海油田分層注水開發(fā)技術(shù)提供了新的思路。