液控智能注水井下預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

趙廣淵，季公明，蘇毅，王春林，郭宏峰，楊樹坤

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459； 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

渤海油田由于平臺(tái)作業(yè)窗口緊張、定向井?dāng)?shù)多且井斜大等原因，采用鋼絲/電纜作業(yè)進(jìn)行分層注水量調(diào)配的常規(guī)注水技術(shù)適用性日益變差[1-6]，由于通過地面調(diào)節(jié)井下液控智能配水器水嘴開度的智能注水工藝操作可靠、調(diào)配方便[7-9]，已在渤海油田超過30井次的分注井中推廣應(yīng)用。

根據(jù)配注方案準(zhǔn)確設(shè)置不同尺寸水眼的水嘴排列組合機(jī)構(gòu)是該工藝技術(shù)應(yīng)用成功的關(guān)鍵。通過調(diào)節(jié)水嘴開度改變注入水流過水嘴的節(jié)流壓差，從而實(shí)現(xiàn)各層注水量的調(diào)配[10-12]。由于水嘴是預(yù)先設(shè)置集成在配水器內(nèi)，若水嘴尺寸設(shè)計(jì)偏大，則節(jié)流壓差偏小，可能導(dǎo)致層位超注且流量調(diào)節(jié)范圍將偏?。蝗羲斐叽缭O(shè)計(jì)偏小，則節(jié)流壓差偏大，可能導(dǎo)致層位欠注，影響注水開發(fā)效果[13-14]。目前液控智能配水器的水嘴設(shè)計(jì)主要基于經(jīng)驗(yàn)，無相關(guān)系統(tǒng)方法。筆者結(jié)合平臺(tái)注入條件、管柱結(jié)構(gòu)、油藏各層吸水能力等影響因素，以最為典型的3層分注為例，提出一種水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 液控智能注水技術(shù)介紹

1.1 技術(shù)原理及特點(diǎn)

液控智能注水技術(shù)系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)、可穿越控制管線的層間封隔系統(tǒng)和液控智能配水器組成。地面控制系統(tǒng)通過液壓管線控制井下各層液控智能配水器的水嘴開度，實(shí)現(xiàn)地面或遠(yuǎn)程對(duì)井下各層注水量的調(diào)控，從而達(dá)到分層配注量要求。該技術(shù)的主要特點(diǎn)有：

(1)分層調(diào)配無需鋼絲或電纜作業(yè)，測(cè)調(diào)效率高，減少作業(yè)綜合成本，滿足大斜度井、水平井、深井的作業(yè)需求；

(2)通過解碼器“3-2”或液壓N+1兩種模式進(jìn)行調(diào)控，最多可實(shí)現(xiàn)10級(jí)開度調(diào)節(jié)，流量可調(diào)范圍大；

(3)液壓推力大，相比電纜控制的智能注水方式，更適應(yīng)井下復(fù)雜條件；

(4)地面可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)一體化控制，操作快捷、方便。

1.2 液控智能配水器結(jié)構(gòu)及工作原理

液控智能配水器采用液壓控制調(diào)節(jié)方式，推力大，能適應(yīng)井下復(fù)雜工況，其通過萬向截止輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)井下各層注水量調(diào)節(jié)。

液控智能配水器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。上接頭帶有液壓油通道，外端與液壓管線連線，內(nèi)端與上內(nèi)筒、上外筒通過螺紋連接，與活塞形成環(huán)形液壓缸。滑筒在活塞的推動(dòng)下可以自由滑動(dòng)。中間套上端與上內(nèi)筒通過螺紋連接，下端與水嘴套筒通過螺紋連接，水嘴套筒下端又通過螺紋與下內(nèi)筒連接，形成固定內(nèi)部結(jié)構(gòu)。銷釘安裝在滑筒上，可以在中間套上的J形槽(如圖2所示)中滑動(dòng)。下接頭內(nèi)部帶有液壓油通道，外端與液壓管線連接，內(nèi)端分別與下內(nèi)筒和下外筒通過螺紋連接。

圖1 液控智能配水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 液控智能配水器J形槽結(jié)構(gòu)平面圖

水嘴套筒上分布有直徑不同的水嘴，在上、下活塞推動(dòng)下，滑筒帶動(dòng)銷釘上、下滑動(dòng)，銷釘?shù)竭_(dá)J形槽的設(shè)計(jì)位置時(shí)，滑筒上的過水口與水嘴套筒上的某個(gè)水嘴對(duì)準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)銷釘在J形槽中的位置，改變與滑筒過水口對(duì)準(zhǔn)的水嘴，從而調(diào)節(jié)液控智能配水器的出水量，最終實(shí)現(xiàn)從地面對(duì)井下各層注水量的實(shí)時(shí)調(diào)控。

2 預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)油藏注采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)給出各層配注量范圍，結(jié)合各層注水指示曲線，以3層分層注水為例，計(jì)算得到各層液控智能配水器井下預(yù)置水嘴的尺寸范圍。

2.1 可獲取單層注水指示曲線

注水井各層配注量范圍為：1#層，(q1min，q1max)；2#層，(q2min，q2max)；3#層，(q3min，q3max)，其中，qimin為第i(i=1， 2， 3)層的最小注水量，qimax為第i(i=1，2，3)層的最大注水量。

各層吸水能力一定的情況下，各層注水量層間差異最大的情況有8種組合，將這8種配注制度記為：

{q1max，q2max，q3max;q1max，q2max，q3min;

q1max，q2min，q3max;q1max，q2min，q3min;

q1min，q2max，q3max;q1min，q2max，q3min;

q1min，q2min，q3max;q1min，q2min，q3min}

(1)

每種配注制度對(duì)應(yīng)1個(gè)井口總流量，8種配注制度對(duì)應(yīng)的井口總流量記為：

{Q總1，Q總2，Q總3，Q總4，Q總5，Q總6，Q總7，Q總8}

(2)

考慮注水過程中的沿程壓力損失、局部壓力損失，各層的嘴前壓力為[15]：

Pi嘴前=P井口+Pi 靜液-Pi 沿程-Pi 局部

(3)

式中：Pi嘴前、Pi靜液、Pi沿程、Pi局部分別為第i層的嘴前壓力、靜液柱壓力、沿程壓力損失和局部壓力損失，MPa；P井口為井口注水壓力，MPa；計(jì)算時(shí)取P井口=0.8Pmax，Pmax為考慮注水各節(jié)點(diǎn)壓力損失和地層破裂壓力時(shí)的井口安全注水壓力[16-18]。

通過式(1)～式(3)計(jì)算得到8種配注下各層的嘴前壓力Pi嘴前。

根據(jù)各層的注水指示曲線資料，計(jì)算得到各層配注量極限值對(duì)應(yīng)的地層注入壓力，即嘴后壓力Pi嘴后，那么，(q1min，q1max)對(duì)應(yīng)(P1嘴后min，P1嘴后max)，(q2min，q2max) 對(duì)應(yīng)(P2嘴后min，P2嘴后max)，(q3min，q3max) 對(duì)應(yīng)(P3嘴后min，P3嘴后max)。

式(1)的8種配注制度下對(duì)應(yīng)的各層嘴后壓力為:

{P1嘴后max，P2嘴后max，P3嘴后max；P1嘴后max，P2嘴后max，P1嘴后min；

P1嘴后max，P2嘴后min，P1嘴后max；P1嘴后max，P2嘴后min，P1嘴后min；

P1嘴后min，P2嘴后max，P1嘴后max；P1嘴后min，P2嘴后max，P1嘴后min；

P1嘴后min，P2嘴后min，P1嘴后max；P1嘴后min，P2嘴后min，P1嘴后min}

(4)

注入水通過液控智能配水器的水嘴，嘴損與流量關(guān)系符合[19-20]：

(5)

式中:K為嘴損常數(shù)，與水嘴排布方式和形狀有關(guān)；di為第i層水嘴的當(dāng)量直徑，mm。

根據(jù)式(4)、式(5)可求得第i層井下預(yù)置水嘴的8個(gè)當(dāng)量直徑din(n=1，2，…，8)，得到第i層水嘴的最小當(dāng)量直徑dimin和最大當(dāng)量直徑dimax。再根據(jù)水嘴調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)N，在dimin～dimax之間均勻地選擇(N-2)個(gè)當(dāng)量直徑，組成第i層的N個(gè)水嘴當(dāng)量直徑。

2.2 無單層注水指示曲線

渤海油田平臺(tái)空間有限，相對(duì)陸地油田油水井測(cè)試作業(yè)成本高，多數(shù)注水井缺少吸水剖面測(cè)試資料[21]，在此提出一種預(yù)設(shè)各層嘴后壓力，通過遍歷計(jì)算每種情況下的水嘴當(dāng)量直徑，求得各層的水嘴當(dāng)量直徑范圍。

分層注水時(shí)，各層的最大嘴后壓力為：

Pi嘴后max=P井口max+Pi靜液

(6)

式中：P井口max為最大井口注水壓力，MPa。

根據(jù)礦場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，渤海油田液控智能注水最大可調(diào)的層間壓差為5 MPa，注水層配注量上下限對(duì)應(yīng)的最大壓差為3 MPa，那么各層最小嘴后壓力為：

Pi嘴后min=Pi嘴后max-3

(7)

且需滿足以下條件：

|Pi嘴后max-Pj嘴后min|≤5

(8)

式中：Pi嘴后、Pj嘴后分別代表第i、j層的嘴后壓力，且i≠j。

根據(jù)式(6)～式(8)預(yù)設(shè)出各層的Pi嘴后min和Pi嘴后max，采用2.1中所述的同樣計(jì)算方法，即可計(jì)算得到8種配注制度下各層的8個(gè)水嘴當(dāng)量直徑din。

在預(yù)設(shè)初始值的基礎(chǔ)上，以0.5 MPa為步長(zhǎng)，遍歷各層的嘴后壓力范圍(Pi嘴后min，Pi嘴后max)。

最后，在各層的一系列水嘴當(dāng)量直徑中選出dimin和dimax，作為各層的水嘴當(dāng)量直徑設(shè)計(jì)范圍，然后給出各層的N級(jí)水嘴當(dāng)量直徑。

3 預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

依據(jù)預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，編制了預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。軟件計(jì)算流程如圖3所示。軟件輸入模塊包括注水井參數(shù)、注水參數(shù)、計(jì)算設(shè)定參數(shù)3個(gè)子模塊。注水井參數(shù)包括注水井井深、井斜、管柱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息；注水參數(shù)包括分注層數(shù)、井口最大注入壓力、各層配注量；計(jì)算設(shè)定參數(shù)包括嘴后壓力初始值、嘴后壓力步長(zhǎng)、配水器調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)。

圖3 預(yù)置水嘴設(shè)計(jì)軟件計(jì)算流程

軟件輸出模塊可計(jì)算輸出各層的水嘴當(dāng)量直徑，并根據(jù)當(dāng)量直徑優(yōu)化設(shè)計(jì)出水嘴孔徑和孔數(shù)，同時(shí)具有嘴損曲線繪制及嘴損計(jì)算等功能，節(jié)省了人工計(jì)算工作量。

4 應(yīng)用實(shí)例

渤海油田某油井A13井轉(zhuǎn)注后分3層注水，該井井口最大注入壓力為12 MPa，根據(jù)油藏注采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，該井各層配注量范圍如表1所示。

表1 A13井分層配注數(shù)據(jù)

該井轉(zhuǎn)注作業(yè)時(shí)，未測(cè)試各層吸水剖面，計(jì)劃實(shí)施液控智能注水，采用10級(jí)調(diào)節(jié)液控智能配水器，利用預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)水嘴，結(jié)果如表2所示。

表2 A13井各層水嘴配置數(shù)據(jù)

液控智能注水管柱入井后進(jìn)行分層調(diào)配，調(diào)配結(jié)果如表3所示。

表3 A13井分層調(diào)配結(jié)果1

2個(gè)月后，由于第2注水層對(duì)應(yīng)的新油井投產(chǎn)，需要加大該層位注水量，配注量調(diào)整為480 m3/d，補(bǔ)充地層能量；第3注水層對(duì)應(yīng)油井含水上升較快，限制該層注水，配注量調(diào)整為110 m3/d。分層調(diào)配結(jié)果如表4所示。

表4 A13井分層調(diào)配結(jié)果2

通過2次分層調(diào)配發(fā)現(xiàn)，2次配注量有較大變化，設(shè)計(jì)的預(yù)置水嘴尺寸能滿足分層調(diào)配需求，對(duì)大幅度調(diào)整配注量有較好的適應(yīng)性。

目前，該設(shè)計(jì)方法在渤海油田應(yīng)用19井次，經(jīng)過68井次測(cè)調(diào)作業(yè)，層段合格率超過85%，證明該水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的合理性和有效性。

5 結(jié)論

(1)以3層分層注水為例，根據(jù)油藏各層配注量范圍，針對(duì)注水井有吸水剖面測(cè)試資料和無吸水剖面測(cè)試資料2種情況，提出了液控智能注水工藝井下預(yù)置水嘴尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

(2)依據(jù)預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法編制了預(yù)置水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，利用該軟件設(shè)計(jì)的預(yù)置水嘴尺寸對(duì)液控智能注水分層配注具有較好的適應(yīng)性。目前該方法在渤海油田應(yīng)用19井次，層段合格率超過85%，證明了該水嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的合理性和有效性。