平衡注水工藝管柱及配套工具研究與應(yīng)用

刁東鎮(zhèn)1，劉常清2，王 柳1，田發(fā)超1，白鵬飛1

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459）

0 引言

油藏持久開發(fā)導(dǎo)致儲(chǔ)層在縱向上物性差異變大，分層注水是保持油藏壓力，實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及改善油田開發(fā)效果的有效方法[1-5]。目前水平井在渤海油田單砂體（單層）開發(fā)中應(yīng)用日益增多。統(tǒng)計(jì)顯示，渤海灣在生產(chǎn)和在建油田中，水平井及大斜度井比例越來越大，水平井總數(shù)已經(jīng)超過了600口，井斜超過70°的注水井已經(jīng)超過100口。水平井能夠獲得較常規(guī)定向井更高的初期產(chǎn)能，是快速獲得產(chǎn)量的高效開發(fā)方式[6]，但是水平井由于井段過長，多數(shù)未進(jìn)行分段開發(fā)完井，存在產(chǎn)液剖面及注水剖面不均勻的問題[7,8]。

渤海油田水平注水井大多采用籠統(tǒng)注水，注入點(diǎn)一般在頂部封隔器以下幾十米位置，單點(diǎn)注入，無法滿足跟、趾部分開或同時(shí)注入要求。由于水平井井段吸水剖面存在差異性，導(dǎo)致油田見水后含水上升較快，存在明顯注入突進(jìn)，注采矛盾日益突出。以某油田A1H井為例，屬于單砂體水平井組開發(fā)，2014年5月投產(chǎn)，2014年11月注水，注水開發(fā)6個(gè)月后井組見水，之后含水快速上升。另外，水平注水井受管柱下深和井斜限制，無法實(shí)現(xiàn)常態(tài)化吸水剖面測試要求，缺乏吸水剖面測試數(shù)據(jù)等重要資料，無法有效地指導(dǎo)酸化、堵水等增產(chǎn)措施作業(yè)。目前，水平井調(diào)剖調(diào)驅(qū)采用籠統(tǒng)注入的方式，缺乏針對性和目的性，無法實(shí)現(xiàn)針對水平井井段吸水剖面差異化的精細(xì)調(diào)剖調(diào)驅(qū)。

水平注水井礦場測試結(jié)果表明，在相同注入壓力條件下，改變注入方式，沿水平井井段吸水剖面得到有效改善。通過從跟部或趾部或兩端同時(shí)有控制地注水，能最大程度地改善水平井組注采矛盾，提高注水利用率。

基于以上背景，提出水平注水井跟、趾部平衡注水概念并設(shè)計(jì)了一種適合海上油田水平井的平衡注水工藝管柱及配套工具。該工藝管柱能滿足水平井跟、趾部選擇性分流注水要求，實(shí)現(xiàn)水平井多點(diǎn)注入，設(shè)計(jì)的配套工具能通過調(diào)整水嘴個(gè)數(shù)和大小控制跟部和趾部注水量，改善注水效果。同時(shí)，該工藝管柱可輔助水平井調(diào)剖調(diào)驅(qū)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)水平井調(diào)剖調(diào)驅(qū)效果最大化。

1 平衡注水工藝管柱設(shè)計(jì)

1.1 管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對海上油田水平注水井目前開發(fā)特點(diǎn)（單點(diǎn)注入），提出水平井跟、趾部分開注水的平衡注水工藝技術(shù)概念，結(jié)合海上油田鋼絲/電纜作業(yè)在井斜超過60°后難以下入的特點(diǎn)，提出平衡注水工藝管柱設(shè)計(jì)思路：在井斜小于60°位置下入一套平衡注水工作筒，工作筒下端通過油管扣與油管相連，油管下入至水平井趾部，工作筒具有徑向和軸向過流通道，可實(shí)現(xiàn)水平井跟部、趾部選擇性分流注水。工作筒內(nèi)部下入平衡注水配水器，配水器具有徑向和軸向水嘴，分別對應(yīng)工作筒徑向和軸向過流通道，通過調(diào)整配水器水嘴大小，滿足跟、趾部流量調(diào)配要求。平衡注水配水器內(nèi)徑大于52mm，保障后期吸水剖面測試工具能順利通過。平衡注水工藝管柱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，工藝管柱主要包括井下安全閥、環(huán)空封隔器、平衡注水工作筒（內(nèi)置配水器）、油管、帶孔圓堵或引鞋。

圖1 水平井平衡注水工藝管柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of horizontal well balanced water injection process string

1.2 技術(shù)原理

如圖1所示，注入水經(jīng)油管到達(dá)平衡注水工作筒，在工作筒處進(jìn)行分流。一部分沿工作筒徑向水嘴流出，從跟部流向趾部；一部分從油管底部帶孔圓堵處流出，從趾部流向跟部。

平衡注水工作筒（內(nèi)置平衡注水配水器）放置到井斜小于60°位置（原井頂部封隔器上下位置均可），方便鋼絲作業(yè)打撈平衡注水配水器。平衡注水工作筒有徑向和軸向兩個(gè)注水通道，分別對應(yīng)水平井跟部和趾部注水。平衡注水配水器上裝有可調(diào)水嘴，通過改變配水器水嘴大小從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)配的目的。關(guān)閉配水器徑向水嘴，注入水從帶孔圓堵處流出，從趾部流向跟部，關(guān)閉配水器軸向水嘴，注入水從工作筒徑向水嘴處流出，從跟部流向趾部。配水器最小內(nèi)徑52mm，滿足后期吸水剖面測試工具串（外徑45mm）下入要求。平衡注水管柱利用新下入的封隔器對油套環(huán)空進(jìn)行隔離保護(hù)，保證井筒的安全性。該工藝管柱主要解決長水平段注水井單點(diǎn)注入，吸水剖面不均勻，注水效果差，無法常態(tài)化進(jìn)行吸水剖面測試等問題。

1.3 測試原理

平衡注水管柱采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測試，流量測試工具串組合：加重桿+萬向節(jié)+扶正器+超聲波流量計(jì)+扶正器+導(dǎo)向頭。超聲波流量計(jì)內(nèi)含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，井下測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在流量計(jì)內(nèi)，在地面用電腦讀取井下流量數(shù)據(jù)。測試作業(yè)時(shí)，鋼絲作業(yè)將流量計(jì)工作串下至工作筒以下30m位置，井口開始注水，記錄井口注水壓力，此處測得流量數(shù)據(jù)為趾部吸水量，趾部吸水量測試結(jié)束后上提工具串至工作筒以上30m位置。在相同注水壓力下開始流量測試，此處測得流量數(shù)據(jù)為整井吸水量，利用流量遞減法計(jì)算各層吸水量。例：井口壓力為P，流量計(jì)在工作筒上部測得流量為整井吸水量Q整，在工作筒下部測得流量為趾部吸水量Q趾，則跟部吸水量為Q跟=Q整-Q趾。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1）滿足水平井多點(diǎn)注入要求。工藝管柱具有一個(gè)徑向出水通道和一個(gè)軸向出水通道，將水平井注水方式由單點(diǎn)注入變?yōu)槎帱c(diǎn)注入，通過跟、趾部同時(shí)或分開注水，有效改善吸水剖面。

2）滿足水平井跟、趾部注水量調(diào)控要求。平衡注水工作筒與配水器下至井斜小于60°位置，滿足鋼絲作業(yè)投撈要求，通過更換平衡注水配水器上水嘴的大小控制水平井跟部和趾部的注水量。

3）滿足水平井精細(xì)調(diào)剖調(diào)驅(qū)要求，工藝管柱最小內(nèi)徑52mm，滿足吸水剖面測試工具串下入要求。調(diào)剖作業(yè)前，先下入吸水剖面測試工具，測試全井段吸水剖面，根據(jù)測試結(jié)果，選擇調(diào)剖體系從跟部注入或趾部注入或同時(shí)注入，能最大程度做到精準(zhǔn)封堵。

1.5 技術(shù)參數(shù)

1）適用條件：長水平段注水井。

2）最大注入量：800m3/d。

3）耐壓等級：35MPa。

4）耐溫等級：120℃。

5）工藝管柱最小內(nèi)通徑：52mm（配水器）。

2 配套工具設(shè)計(jì)

2.1 平衡注水工作筒

平衡注水工作筒主要由本體、水嘴護(hù)罩兩部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。工作筒通過本體上下油管扣與油管連接下入井中，工作筒本體上有徑向和軸向兩個(gè)出水通道，徑向出水通道滿足從跟部注入要求，軸向通道滿足從趾部注入要求，水流方向如圖4紅色箭頭所示。工作筒徑向水嘴上下位置有密封面，與配水器密封盤根配合，實(shí)現(xiàn)水嘴上下密封。水嘴護(hù)罩主要用于阻擋水流直接沖擊防砂管柱篩盲管。

圖2 平衡注水工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of balanced water injection cylinder

圖4 A1H井調(diào)驅(qū)井組曲線Fig.4 Curve of well cluster of well A1H

2.2 平衡注水配水器

平衡注水配水器主要由打撈頭、密封盤根、徑向水嘴短接、連接筒、軸向水嘴短接等幾部分組成，如圖3所示。平衡注水配水器具有徑向和軸向水嘴，與工作筒配合使用，分別對應(yīng)平衡注水工作筒徑向和軸向注水通道。配水器內(nèi)徑52mm，下至井斜小于60°位置，不影響吸水剖面測試工具串下入（吸水剖面測試工具串最大外徑45mm）。配水器上部水嘴結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有“空心集成”水嘴結(jié)構(gòu)相同，下部水嘴結(jié)構(gòu)和“一投三分”水嘴結(jié)構(gòu)相同，方便使用。配水器下部出水短接具有帶水嘴和不帶水嘴兩種型號(hào)，下部出水短接可現(xiàn)場更換，正常注水時(shí)，配水器下部為無水嘴短接，保障工藝管柱內(nèi)通徑為52mm，需要調(diào)控趾部注水量時(shí)，撈出井下配水器，下入有水嘴結(jié)構(gòu)的短接。配水器上下出水孔間距大于1.5m，滿足裝水嘴后趾部流量測試要求。

圖3 平衡注水配水器結(jié)構(gòu)示意圖（帶水嘴）Fig.3 Structural diagram of balanced water injection distributor (with nozzle)

3 實(shí)施效果

以海上某油田A1H為例，屬于單砂體水平井組開發(fā)，油藏平均溫度為72.6℃，平均孔隙度26.7%，平均滲透率1461mD，屬于中高孔滲油藏。2014年5月投產(chǎn)，2014年11月注水，注水開發(fā)6個(gè)月后井組見水，之后含水快速上升，調(diào)驅(qū)前井組含水為74%。

2018年9月10日，A1H井實(shí)施了水平井平衡注水工藝并進(jìn)行吸水剖面測試，9月22日該井開始在線組合調(diào)驅(qū)，10天后受益井含水即開始下降，最大降幅達(dá)到15%以上，目前井組含水下降10%，日增油達(dá)30m3，起到了良好的降水增油效果。

截至2021年底，水平井平衡注水工藝在渤海油田累計(jì)應(yīng)用12井次，現(xiàn)場作業(yè)成功率100%。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，此工藝能夠滿足水平井跟、趾部分開或同時(shí)注水需求，同時(shí)可有效提高穩(wěn)油控水措施效果，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

1）實(shí)現(xiàn)了海上油田長水平段注水井平衡注入，改變了長期以來水平井籠統(tǒng)注水的現(xiàn)狀，具有開創(chuàng)性的意義。

2）實(shí)現(xiàn)水平井根部、趾部選擇性分流注水和分流調(diào)配，可以最大程度地改善水平井開發(fā)存在的注采矛盾，有效提高了水驅(qū)開發(fā)效果。

3）有效提高穩(wěn)油控水措施效果，具有輔助調(diào)剖調(diào)驅(qū)的積極作用，對渤海同類水平井高效開發(fā)具有重要的推廣意義。

4）海上油田首次應(yīng)用該技術(shù)成果，且其使用效果明顯。在更換平衡注水管柱后實(shí)施調(diào)驅(qū)，10天后含水開始下降，最大降幅達(dá)到15%以上，起到了良好的穩(wěn)油控水效果。調(diào)驅(qū)后，井組降水增油效果明顯。