海上油田大排量分層測(cè)調(diào)注水技術(shù)研究及應(yīng)用

黃澤超，沙吉樂(lè)，劉鐵明，王 柳，鄭春峰，薛德棟

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

近年來(lái)，渤海油田作為主力水驅(qū)開(kāi)發(fā)油田，注水井?dāng)?shù)量逐漸增多，分注率逐步提高。截至2021年底，總注水井約1000口，其中分注井?dāng)?shù)約990口，分注率約達(dá)99%。整體注水工藝經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了空心集成注水、邊測(cè)邊調(diào)注水、纜控智能注水和無(wú)纜注水4項(xiàng)主流注水工藝技術(shù)，且隨著智能化、數(shù)字化技術(shù)在石油領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，空心集成注水工藝的應(yīng)用推廣逐漸減少，調(diào)配方式由純機(jī)械調(diào)配向著多層段、智能在線調(diào)配發(fā)展[1,2]。隨著海上油田開(kāi)采進(jìn)入中后期，地層能量逐漸虧空嚴(yán)重，部分注水井的注水量已無(wú)法滿(mǎn)足地層對(duì)于能量補(bǔ)充的需求，大排量分層配注是及時(shí)補(bǔ)充地層能量的有效手段[3,4]。然而，常規(guī)4.75″、3.88″、3.25″防砂完井工藝內(nèi)通徑尺寸較小，工藝管柱和注水工具在安全注入流速下無(wú)法滿(mǎn)足2000m3以上注水，且現(xiàn)有邊測(cè)邊調(diào)分注、有纜預(yù)置電纜分注和無(wú)纜分注工藝無(wú)配套大排量測(cè)調(diào)注水工具，滿(mǎn)足不了大排量注入需求，有纜液控智能注水工藝具有配套7″、9-5/8″注水工具，可實(shí)現(xiàn)大排量注入，但僅能實(shí)現(xiàn)分擋位控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大排量精細(xì)配注[5-11]。

鑒于此，開(kāi)發(fā)了海上油田大排量分層測(cè)調(diào)注水技術(shù)，設(shè)計(jì)大排量注水管柱、大排量注水工具、測(cè)調(diào)儀器和地面控制器，利用電纜將測(cè)調(diào)儀器下入井下，在線監(jiān)測(cè)注水量。根據(jù)油藏需求精確調(diào)節(jié)地層配注，提高注水井大排量注水測(cè)調(diào)效率和配注精度，為海上油田受益井及時(shí)補(bǔ)充地層能量，保障受益井產(chǎn)能。

1 技術(shù)分析

1.1 管柱方案

海上油田大排量分層測(cè)調(diào)注水技術(shù)管柱主要由油管、安全閥、水力錨定器、隔離封隔器、測(cè)調(diào)工作筒、底部支撐錨和單流閥等組成，如圖1。測(cè)調(diào)工作筒、層間封隔器及錨定工具等通過(guò)油管下入井下，封隔器實(shí)現(xiàn)地層分隔，錨定工具實(shí)現(xiàn)注水段管柱雙向錨定，防止管柱蠕動(dòng)，測(cè)調(diào)工作筒實(shí)現(xiàn)各地層分層注水。測(cè)調(diào)儀器通過(guò)電纜下井，并與地面控制器及井下測(cè)調(diào)工作筒對(duì)接，地面控制器控制測(cè)調(diào)儀器監(jiān)測(cè)地層注入?yún)?shù)，調(diào)節(jié)工作筒水嘴大小。

圖1 大排量分層測(cè)調(diào)注水技術(shù)管柱Fig.1 Large-displacement stratified measurement and adjustment water injection technology string

1.2 技術(shù)原理

海上油田大排量分層測(cè)調(diào)注水技術(shù)適用于6″防砂注水管柱和套管完井管柱，根據(jù)油藏對(duì)注水井的分層注水需求，管柱攜帶多套隔離封隔器和測(cè)調(diào)工作筒下入，通過(guò)對(duì)測(cè)調(diào)工作筒水嘴的開(kāi)關(guān)和開(kāi)度調(diào)節(jié)，達(dá)到多層段分層注水的目的。

測(cè)調(diào)時(shí)，電纜連接地面控制器和測(cè)調(diào)儀器，測(cè)調(diào)儀器隨電纜下井，通過(guò)電纜下入深度對(duì)比判斷測(cè)調(diào)儀器在井下的位置，逐層測(cè)調(diào)。測(cè)調(diào)儀器在井下與測(cè)調(diào)工作筒對(duì)接后，地面控制器通過(guò)電纜向測(cè)調(diào)儀器發(fā)送作業(yè)指令，測(cè)調(diào)儀器根據(jù)作業(yè)指令監(jiān)測(cè)井下流量、壓力等井下數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)測(cè)調(diào)工作筒水嘴開(kāi)度，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)回傳地面控制器，測(cè)調(diào)功能一體，確保調(diào)配精度。當(dāng)注地層注水量不滿(mǎn)足油藏注水需求時(shí)，增大測(cè)調(diào)工作筒水嘴，即為正調(diào)；當(dāng)?shù)貙幼⑺砍鲇筒刈⑺枨髸r(shí)，減小測(cè)調(diào)工作筒水嘴，即為負(fù)調(diào)。

驗(yàn)封時(shí)，鋼絲作業(yè)下入配套驗(yàn)封儀器，將驗(yàn)封儀器定位在測(cè)調(diào)工作筒內(nèi)部，通過(guò)自身攜帶的密封盤(pán)根在測(cè)調(diào)工作筒水嘴上下位置封隔水嘴，油管內(nèi)打壓，利用驗(yàn)封儀器攜帶的壓力計(jì)監(jiān)測(cè)油管內(nèi)和油管外壓力，通過(guò)對(duì)比兩個(gè)壓力數(shù)據(jù)的變化，確定分注管柱層間封隔效果。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1）適用于6″防砂注水管柱和套管完井管柱注水井大排量注水，適用井斜≤60°，一體化工藝管柱。

2）可在線監(jiān)測(cè)井下注入流量、注入壓力數(shù)據(jù)，邊測(cè)試邊調(diào)節(jié)，配注精度高。

3）一趟電纜作業(yè)完成各層段注水測(cè)調(diào)，測(cè)調(diào)效率高、成本低。

2 配套工具設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)調(diào)工作筒

2.1.1 結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)調(diào)工作筒是大排量分層注水的關(guān)鍵注水工具，主要由1-上接頭、2-外筒、3-調(diào)節(jié)軸套、4-水嘴座及5-下接頭組成，內(nèi)部設(shè)置扶正結(jié)構(gòu)、定位防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、橋式通道和動(dòng)密封保護(hù)結(jié)構(gòu)等。為避免測(cè)調(diào)時(shí)測(cè)調(diào)儀器過(guò)載，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)采用全開(kāi)、全關(guān)極限位置脫扣設(shè)置，同時(shí)為避免注水時(shí)流速過(guò)高沖蝕水嘴，水嘴處選用硬質(zhì)合金材料。整體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 測(cè)調(diào)工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the test and adjustment mandrel

測(cè)調(diào)工作筒的主要技術(shù)參數(shù)：耐溫等級(jí)：150℃，最高工作壓力：35MPa（壓差），最大外徑：φ135mm，最小內(nèi)徑：φ53mm，水嘴當(dāng)量直徑：φ24mm，全井最大設(shè)計(jì)注入量：2990m3/d，單層最大注入量：1450m3/d（壓差1MPa）。

2.1.2 工作原理

流體通過(guò)上接頭進(jìn)入測(cè)調(diào)工作筒，一部分流體進(jìn)入中心注入通道，另一部分流體進(jìn)入橋式通道，中心通道中的流體一部分眼水嘴注入地層，另一部分流向下一地層。橋式通道內(nèi)的流體主要流向下一地層，保證單層測(cè)調(diào)時(shí)，其他層位正常注水。當(dāng)測(cè)調(diào)時(shí)中心通道注水量無(wú)法滿(mǎn)足注水需求時(shí)，橋式通道內(nèi)的流體同樣也可注入當(dāng)前層。

測(cè)調(diào)儀器下井與測(cè)調(diào)工作筒對(duì)接時(shí)，扶正結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)調(diào)儀器進(jìn)行導(dǎo)向和扶正，便于對(duì)接和下入，定位防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與儀器定位臂和防轉(zhuǎn)臂對(duì)接，防止測(cè)調(diào)時(shí)儀器攜帶上部電纜轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置調(diào)節(jié)槽與儀器調(diào)節(jié)臂配合，如圖3。

圖3 測(cè)調(diào)儀器與測(cè)調(diào)工作筒配合示意圖Fig.3 Schematic diagram of the coordination between the test and adjustment instrument and the test and adjustment mandrel

測(cè)調(diào)時(shí)，調(diào)節(jié)軸套隨著測(cè)調(diào)儀器的調(diào)節(jié)臂旋轉(zhuǎn)，沿水嘴座上的行程螺紋上下移動(dòng)，帶動(dòng)測(cè)調(diào)工作筒的活動(dòng)水嘴上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水嘴開(kāi)度調(diào)控。調(diào)節(jié)軸套順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)調(diào)工作筒的活動(dòng)水嘴向下移動(dòng)，水嘴開(kāi)度減小，注水量減小；調(diào)節(jié)軸套逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)調(diào)工作筒的活動(dòng)水嘴向上移動(dòng)，水嘴開(kāi)度增大，注水量增大。

當(dāng)調(diào)節(jié)軸套隨著測(cè)調(diào)儀器旋轉(zhuǎn)至水嘴全開(kāi)或水嘴全關(guān)極限位置時(shí)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與測(cè)調(diào)儀器的調(diào)節(jié)臂脫離配合，調(diào)節(jié)軸套不再隨測(cè)調(diào)儀器發(fā)生旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，反向調(diào)節(jié)水嘴開(kāi)度，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與測(cè)調(diào)儀器調(diào)節(jié)臂恢復(fù)配合，調(diào)節(jié)軸套可隨測(cè)調(diào)儀器反向旋轉(zhuǎn)。

動(dòng)密封保護(hù)結(jié)構(gòu)用于防止水嘴開(kāi)關(guān)過(guò)程中由于注入流體流速過(guò)高導(dǎo)致動(dòng)密封件受到?jīng)_擊脫離密封槽，影響水嘴的密封效果或水嘴的可調(diào)性能。當(dāng)調(diào)節(jié)水嘴由打開(kāi)至全關(guān)時(shí)，活動(dòng)水嘴向下移動(dòng)，將動(dòng)密封保護(hù)結(jié)構(gòu)推開(kāi)，活動(dòng)水嘴與動(dòng)密封配合；當(dāng)調(diào)節(jié)水嘴由全關(guān)至打開(kāi)時(shí)，動(dòng)密封保護(hù)結(jié)構(gòu)隨著活動(dòng)水嘴向上移動(dòng)，活動(dòng)水嘴與動(dòng)密封結(jié)構(gòu)分離，動(dòng)密封保護(hù)結(jié)構(gòu)覆蓋動(dòng)密封。

2.2 井下測(cè)調(diào)儀

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

測(cè)調(diào)儀器主要由：1-電纜頭、2-外磁式電磁流量計(jì)、3-溫度、壓力傳感器、4-測(cè)控電路模塊、5-電機(jī)模塊、6-導(dǎo)向凸輪、7-定位臂、8-調(diào)節(jié)臂、9-加重桿連接頭組成，如圖4。電磁流量計(jì)和壓力、溫度傳感器可測(cè)試注入流量、壓力和溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)回傳至測(cè)控電路模塊；測(cè)控電路模塊連接變速伺服電機(jī)，電機(jī)連接多級(jí)減速器，電機(jī)輸出軸通過(guò)高壓防水密封后與支撐臂、定位臂連接。

圖4 測(cè)調(diào)儀器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the measuring and adjusting instrument

測(cè)調(diào)作業(yè)時(shí)，單芯電纜連接過(guò)載保護(hù)電纜頭，為測(cè)調(diào)儀器供電和傳輸控制信號(hào)、數(shù)據(jù)，測(cè)調(diào)儀器接收到地面控制器指令后，測(cè)試地層注入流量、壓力、溫度等參數(shù)，同時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)調(diào)節(jié)臂調(diào)節(jié)測(cè)調(diào)工作筒水嘴開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)地層注水量，并將測(cè)試到的地層注入數(shù)據(jù)傳遞給地面控制器，直到地層注水量滿(mǎn)足油藏需求。

2.2.2 技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)包括：儀器外徑：φ48 mm，儀器長(zhǎng)度：1830mm，流量測(cè)試范圍：50m3/d～3000m3/d，流量測(cè)試精度：≤3%，壓力測(cè)試范圍：0MPa～70MPa，壓力測(cè)試精度：0.2%FS，輸出扭矩：40N·m，耐溫等級(jí)：150℃，工作電源：130VDC～140VDC，供電與通訊：?jiǎn)卫|變頻載波。

2.3 地面控制器

通過(guò)RS485與上位機(jī)連接，通過(guò)電纜與測(cè)調(diào)儀器連接，接收上位機(jī)命令，向測(cè)調(diào)儀器發(fā)送作業(yè)指令，控制測(cè)調(diào)儀器調(diào)節(jié)測(cè)調(diào)工作筒水嘴開(kāi)度，接收井下回傳數(shù)據(jù)，傳遞上位機(jī)實(shí)現(xiàn)在線直讀。

適用溫度：-30℃～80℃，輸入電源：220V±0.5%、50 Hz±1，防爆等級(jí)為ExdII BT6，防護(hù)等級(jí)為IP55～I(xiàn)P56， 輸 出 電 源：0 VDC～ 175 VDC、0 mA～500 mA，供電與通信：?jiǎn)卫|變頻載波。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研發(fā)完成的大排量分層測(cè)調(diào)注水工藝技術(shù)已在海上XX36-1油田和XX11-6油田進(jìn)行了2口大排量注水井試驗(yàn)應(yīng)用，最大分層數(shù)3層，最大下入深度2500m，最大應(yīng)用井斜50°。從應(yīng)用井情況看，全井最大注入量達(dá)到3500m3/d，單層最大注入量1400m3/d，單層最小注入量60m3/d，單井測(cè)調(diào)時(shí)間在8h以?xún)?nèi)，分層流量測(cè)調(diào)誤差在5%以?xún)?nèi)，分層配注合格。調(diào)配過(guò)程中，測(cè)調(diào)工作筒與測(cè)調(diào)儀器對(duì)接成功率100%，水嘴開(kāi)關(guān)順利，測(cè)調(diào)儀器通訊良好，測(cè)調(diào)性能可靠，達(dá)到了海上油田大排量分注井高效測(cè)調(diào)的時(shí)效和技術(shù)要求。相比現(xiàn)有注水工藝單層最大注入800m3/d，單層注水效率提升81%，相比現(xiàn)有注水工藝全井最大注入量1500m3/d，全井注水效率提升了100%，提高了注水開(kāi)發(fā)效率，取得了較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

1）研發(fā)海上大排量分層測(cè)調(diào)注水工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)了測(cè)調(diào)工作筒、測(cè)調(diào)儀器和地面控制器，適用于6″防砂注水管柱和套管完井注水管柱，滿(mǎn)足海上油田大排量分層測(cè)調(diào)注水需求。

2）測(cè)調(diào)工作筒開(kāi)關(guān)性能良好，與井下測(cè)調(diào)儀器對(duì)接成功率高，測(cè)調(diào)儀器在井下通訊良好，測(cè)調(diào)性能可靠，實(shí)現(xiàn)了井下參數(shù)的精確監(jiān)測(cè)和各層注水量的精確調(diào)配。

3）大排量分層測(cè)調(diào)注水技術(shù)提高了注水效率，及時(shí)補(bǔ)充地層能量，且一趟電纜作業(yè)完成所有層位調(diào)配，測(cè)調(diào)效率高，降低了作業(yè)成本，滿(mǎn)足海上油田低成本、高效開(kāi)發(fā)需求，有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。