分層定量注水分層測壓一體技術

宋顯民張立民張宇輝張建忠劉宇飛劉世英

1.中國石油冀東油田公司；2.中國石油華北油田公司；3.中國石油玉門油田公司

分層定量注水分層測壓一體技術

宋顯民1張立民1張宇輝2張建忠1劉宇飛1劉世英3

1.中國石油冀東油田公司；2.中國石油華北油田公司；3.中國石油玉門油田公司

引用格式：宋顯民，張立民，張宇輝，張建忠，劉宇飛，劉世英. 分層定量注水分層測壓一體技術［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（4）：526-530.

注水井分層注水過程中地層的壓力、溫度監測可以為油層地質分析提供真實的資料，而現有分注測試技術存在著無法全程測試地層壓力、溫度的問題。基于偏心定量注水技術和井下測試技術的原理和工具結構，采用技術集成化研究和設計方法，研制了具有測試總成的注水測壓堵塞器、帶有測試通道的注水測壓工作筒、帶有閥底支撐總成且滿足斜井投送注水測壓堵塞器需要的專用投送器等關鍵工具，形成了注水井分層定量注水分層測壓一體技術。室內實驗表明關鍵工具密封可靠且滿足在斜井上投撈更換注水測壓堵塞器的需要。目前該技術現場應用5口井，投撈成功率100 %，測壓、測溫數據提取合格率100%，擴展了現有偏心分層注水技術的功能，具有廣闊的應用前景。

配水器；工作筒；投送器；定量注水；分層測壓

注水井分層注水過程中的地層壓力和溫度監測可以為油層動態分析提供真實資料。注水井測壓技術只能在關井狀態下測試壓力恢復和封隔器驗封，如用鋼絲或電纜下入壓力計測試地層壓力恢復，或者通過將水嘴式壓力計投到工作筒偏孔內來驗證封隔器密封性或測試分段壓力恢復，在測試地層壓力過程中無法實現分層定量注水［1-7］。目前偏心定量技術是分層注水的主體技術，調配后的各段流量在注水過程中不隨井口壓力變化而波動，但在分層定量注水過程中無法監測地層壓力、溫度［8-14］。基于目前偏心定量分注技術，研制了注水測壓堵塞器、注水測壓工作筒、專用投送器等關鍵工具，形成了注水井分層定量注水分層測壓一體技術。

1　關鍵工具研制Development of key tools

1.1定量注水測壓堵塞器

Plug for quantitative water-flooding and pressure monitoring

在常規定量配水器基礎上增加測試總成，將定量配水機構和壓力溫度監測總成集成設計為一體，形成定量注水測壓堵塞器。

（1）技術原理。定量注水測壓堵塞器由上部的投撈總成、中部的測壓總成、下部的定量注水總成組成。投撈總成與配水堵塞器相同。測壓總成的上部有感壓元件，用于測試油壓；其中間為電路板，用于存貯數據；其下部有感壓、感溫元件及測試孔，與工作筒測壓孔對應，用于測試地層壓力和地層溫度；最底部為電池倉，用于容納電池。定量注水總成利用預壓彈簧的彈力來使閥芯復位，利用注水壓力來控制閥芯的上下移動距離以及閥芯和水嘴的間距，保證通過水嘴的流量為常數，達到定量注水目的，如圖1所示。

圖1　投撈式注水測壓堵塞器結構Fig.1 Structure of recoverable water-flooding and pressuremonitoring plug

（2）技術指標。上部臺階直徑?22 mm，本體直徑?19.7 mm，長度340 mm，額定流量5～150 m3/d，流量精度±5%，最大工作壓差35 MPa，最大工作壓力70 MPa；測試時間240 d；定流量值10～100 m3/d；外型尺寸與普通堵塞器相同。

1.2注水測壓工作筒

Working barrel for water flooding and pressure monitoring

在偏心定量注水工作筒上增加測壓部分，將注水工作筒和測壓工作筒設計成一體，具有注水通道、測壓通道和定流輔助通道，形成注水測壓工作筒。

（1）技術原理。如圖2所示，注水測壓工作筒主要由2部分構成。一是組合導向對準機構：開口槽頂端呈V字型開口的扶正體+上部導向體+下部導向體，在投送過程中，當投送手臂張開的投送器向下沖擊時，組合導向對準機構可使投送器徑向旋轉，并使投送手臂及所攜帶的堵塞器對準工作筒的偏孔。二是測壓注水機構（即工作筒主體），工作筒主體上的偏孔用于容納注水測壓堵塞器，工作筒主體的偏孔與外壁有上下2個通孔，上部通孔用于測試地層壓力和溫度，下部通孔用于定量注水；偏孔與主通道有一個通孔，與注水測壓堵塞器的油管壓力導壓孔對應，用于提供定量注水時所需的油管壓力。

（2）技術參數。外徑?114 mm；內徑?46 mm；長度120 mm；工作壓力35 MPa；工作溫度135 ℃。

圖2　注水測壓工作筒結構Fig.2 Structure of water-flooding and pressure-monitoring barrel

1.3專用投送器

Special delivery device

定量注水測壓堵塞器與偏心定量堵塞器外徑相同、長度增加100 mm。由于被投送工具長度增加，隨著井斜增大，用常規投送器投送定量注水測壓堵塞器時，盡管投送器經工作筒導向機構驅動發生正常的旋轉導向，但連接在投送器上的堵塞器無法對準工作筒偏孔，無法被投送到工作筒偏孔內，而是會從工作筒主通道通過。為滿足長度較長的注水測壓堵塞器的投送需要，在常規投送器上增加支撐機構，提高投送時堵塞器與工作筒偏孔的對準程度，由此形成了定量注水測壓堵塞器的專用投送器。

（1）技術原理。專用投送器設計有強制支撐機構，克服被投撈工具長度和重力增加而造成的堵塞器對不準工作筒偏孔的問題，結構如圖3所示。大斜度井內投送長堵塞器時，支撐塊機構可將長堵塞器徑向支撐出開口槽槽口之外，并與投撈送器軸線平行，注水測壓堵塞器經過工作筒導向后能夠對準工作筒偏孔，并投送到工作筒偏孔內；當長堵塞器從投送頭意外脫落時，不會卡于油管和投送器的間隙內，而會掉入投送器口袋，避免卡投送器事故發生。

（2）技術參數及指標。外徑?40 mm；長度110 mm；可投送堵塞器長度330 mm，工作壓力35 MPa；工作溫度135 ℃，適應最大井斜55°。

圖3　專用投送器結構Fig.3 Structure of the special delivery device

2　分層定量注水分層測壓一體技術原理Principles of integrated separate-layer quantitative water-flooding and pressuremonitoring

（1）井下管柱。井下用注水測壓工作筒和封隔器組配成分注分測管柱。管柱結構（以3段為例）：絲堵+油管+注水測壓工作筒+注水封隔器+油管+注水測壓工作筒+注水封隔器+油管+注水測壓工作筒+油管+逐級解卡錨定器+油管（至井口）。

（2）水量調配方式。按流量10 m3/d、20 m3/d、30 m3/d……100 m3/d來制造定流量的偏心定量注水測壓堵塞器，注水井井下各段水流調配時，用打撈器撈出井下工作筒中原有的注水測壓堵塞器，用投送器投入符合配注流量要求的定量注水測壓堵塞器。

（3）測溫、測壓過程及數據提取方式。分注井井下測試資料包括各段油管壓力、地層壓力和地層溫度。連續測溫、測壓時間長度決定于電池容量和測點間隔的步長，長期監測可按10 min取一組點來設定，連續測試時間可達8個月。現場在定量注水過程中可全程監測井下各段壓力和溫度，在需要讀取數據的時候（或電池電量即將耗盡時），用專用打撈器撈出注水測壓堵塞器，將注水測壓堵塞器中測壓部分拆卸，并連接于電腦上讀取數據，獲得對應層段的定量注水期間 的地層壓力、油管壓力和地層溫度資料，更換電池后再將注水測壓堵塞器投入到井下預定的工作筒內。溫度、壓力數據提取也可在分注井水量調配操作時進行。

（4）操作過程。在各級注水測壓工作筒內投入壓力計或堵塞器，使各工作筒處于封閉狀態；按管柱結構在地面組配管柱；下入注水測壓管柱至預定深度；校核管柱深度；從油管內憋壓坐封封隔器和錨定器；下入大斜度井打撈器依次撈出各級堵塞器（或驗封堵塞器），撈出每級堵塞器后可油管打壓驗封，驗證封隔器密封性；根據配注要求，地面用鋼絲攜帶專用投送器將相應的注水測壓堵塞器投入到各段工作筒內，投送過程與偏心分注技術投撈過程相同；開始分層定量注水和分層測壓、測溫，一段時間（一般半年）后需要調配水量、更換水嘴或電池電量不足時用鋼絲攜帶專用打撈器撈出各段工作筒內的注水測壓堵塞器，打撈過程與偏心分注技術打撈過程相同；地面回放各段地層壓力、油管壓力和地層溫度；按配注要求對各段再次投入注水測壓堵塞器，繼續分層定量注水和分層測壓測溫。

（5）技術指標。適應井斜≤55°；最大工作壓差35 MPa，溫度135 ℃；最大工作壓力70 MPa；連續測試時間240 d。

3　注水測壓堵塞器室內實驗Lab tests of water-flooding and pressuremonitoring plug

（1）將注水測壓堵塞器放入加壓裝置內，加壓70 MPa，穩壓12 h后取出拆開，液壓密封合格，連接電腦回放數據正常。

（2）在實驗室內將注水測壓定量堵塞器中的定量部分用絲堵連接，并投入工作筒偏孔內，對工作筒進行密封性測試，測試壓差35 MPa，密封合格。

（3）實驗室內用投送器和打撈器進行注水測壓堵塞器投撈實驗，實驗結果見表1，說明投送器滿足60°以內井斜投撈需要。

表1　鋼絲投撈實驗結果Table 1 Test results of wireline positioning and recovery

4　分層定量注水分層測壓一體技術現場試驗On-site tests of integrated separate-layer quantitative water-flooding and pressuremonitoring

（1）基礎狀況。L35-4井為柳贊油田的一口注水井，1991年完鉆，最大井斜37°/1 354 m，油層套管?139.7 mm，人工井底3 199.15 m，固井質量合格，注水層位Es3位。此次分3段注水，上段井段2 252～ 2 865 m，31.2 m/6層，不注水；中段井段2962 ～3 005 m，15.2 m/4層，日配注40 m3；下段井段3 019.3～3 053.3 m，10.0 m/3層，日配注30 m3。2014年10月21日開始施工。

（2）實施過程。①在地面上在工作筒內投入測壓堵塞器或堵塞器。②地面組配管柱，管柱結構為：固定球座（3 061 m）+油管+注水測壓工作筒（3 042 m）+油管+Y341注水封隔器（3 011 m）+油管+注水測壓工作筒（2 981 m）+油管+Y341注水封隔器（2 941 m）+逐級解卡錨定器（2 940 m）+油管至井口。③管柱下到預定深度并校深。④在地面上用泵車打壓座封。⑤撈出下段工作筒內堵塞器，用泵車打壓10 min，壓力最高10 MPa，之后撈出中段工作筒內測壓堵塞器，在地面上進行壓力數據回放。數據顯示套壓不隨著驗封壓力變化而變化，說明下部封隔器密封合格。⑥用泵車打壓10 min，壓力最高10 MPa，套管壓力無變化，說明上部注水封隔器密封合格。⑦用專用投送器連接投偏心定量注水測壓堵塞器（30 m3/d），向下段工作筒內投送，入孔時下沖速度80 m/min，投送成功。⑧用專用投送器連接投注水測壓堵塞器（40 m3/d），向下段工作筒內投送，入孔時下沖速度80 m/min，投送成功。⑨1個月后用專用投撈器分別打撈下段和中段的定量注水測壓堵塞器，在地面上將壓力計連接到計算機上回放壓力數據，得到1個月定量注水情況的壓力和溫度數據。⑩將2個注水測壓堵塞器繼續投送到中段和下段工作筒內，繼續邊定量注水邊測壓測溫。

（3）回放數據分析。2014年11月26日撈出下段工作筒內定量注水測壓堵塞器，單段注量30 m3/ d，每5 min取1個點，總共取點4 900組。如圖4所示曲線可得到3點結論：獲得了下段井底流壓（油管壓力）的變化情況，初期波動較大，后期波動較小，長期呈下降趨勢，由47 MPa下降到45 MPa；獲得了下段地層壓力變化情況，相比注水壓力，地層壓力波動很小，長期呈上升趨勢，由41.4 MPa上升到43.2 MPa；獲得了下段嘴損壓力（井底油壓-地層壓力）的變化情況，最高8 MPa、最低1 MPa，初期波動較大，后期波動較小，長期呈下降趨勢，平均由4.4 MPa下降到2.1 MPa，而單段注水量為30 m3/d恒定，說明定量水嘴水量與嘴損壓差無關。圖5為地層實際測溫數據生成曲線，從曲線中可以看出初期未注水時地層溫度93 ℃～98 ℃，后期由于注水原因，地層溫度下降到72 ℃。該技術目前應用5口井，施工成功率100 %，投撈操作20次，投撈成功率100 %；井下各段壓力回放10次，測壓測溫數據提取合格率100%。

圖4　L35-4井下段定量注水過程中測壓數據Fig.4 Pressure datas acquired during quantitative water-flooding in the lower section of Well L35-4

圖5　L35-4 井下段定量注水過程中測溫數據Fig.5 Temperature datas acquired during quantitative waterflooding in the lower section of Well L35-4

5　結論Conclusions

（1）形成了一套完整的注水井分段定量注水分段測壓一體技術，定量注水測壓堵塞器在原有偏心定量注水堵塞器結構上設置了測溫測壓總成，注水測壓工作筒在原偏心注水工作筒結構上增加了測試通道，投送定量注水測壓堵塞器的專用投送器在原有偏心投送器結構上增加了閥底支撐總成機構。

（2）定量注水測壓堵塞器滿足70 MPa密封要求，專用投送器滿足了60°以內井斜投撈需要。注水井分段定量注水分段測壓一體技術現場成功應用5口井，投撈調配和壓力數據錄取全部成功。

（3）該技術在分層定量注水同時能夠全程監測各層地層壓力、地層溫度、油管壓力，可以通過專用投撈器定期投撈注水測壓堵塞器來調配分注井各段水量和提取各段壓力溫度數據，擴展了現有偏心分層注水技術的功能，具有廣闊的應用前景。

［1］ 張鵬，劉文杰， 溫會波，董保富. 注水井分層測壓工藝及資料應用［J］. 油氣井測試，2013，22（2）：29-31. ZHANG Peng， LIU Wenjie， WEN Huibo， DONG Baofu. Separated layer pressure measurement technology and data application for the injection well［J］. Well Testing，2013， 22（2）: 29-31.

［2］ 黃剛，劉顯亭. 分注井層段壓力測試技術的研究［J］.斷塊油氣田，2005，12（5）：86-88. HUANG Gang， LIU Xianting. The research of pressure test technology in-bed injector water layers［J］. Fault Block Oil & Gas Field， 2005， 12 （5）: 86-88.

［3］ 王金友. 大慶油田分層測壓工藝及資料應用［J］. 石油鉆采工藝，2003，25（1）：63-66. WANG Jinyou. Separate layer pressure testing techniques and data application in Daqing Oilfield［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2003， 25 （1）: 63-66.

［4］ 馮宇涵，王敏，尚小峰，劉勇. 分層測壓技術在油田開發中的應用［J］. 石油和化工設備，2013，16（3）：36-37. FENG Yuhan， WANG Min， SHANG Xiaofeng， LIU Yong. Application of separate-layer pressure-monitoring technique in oilfield development ［J］. Petro & Chemical Equipment， 2013， 16 （3）: 36-37.

［5］ 王朝英.橋式偏心注水測試技術在文中—文東油田的應用［J］. 內蒙古石油化工，2011，（15）：106-107. WANG Chaoying. Application of bridge-type eccentric water-flooding and monitoring technology in Wenzhong-Wendong Oilfield ［J］. Inner Mongolia Petrochemical，2011 （15）: 106-107.

［6］ 韓修廷， 朱麗俠， 李慶芬. 利用分層測壓技術判斷高壓注水層破裂方法［J］. 大慶石油地質與開發，2001，20 （3）：53-55. HAN Xiuting， ZHU Lixia， LI Qingfen. Water injection formation fracture using separate zone pressure measure technique ［J］. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing， 2001， 20 （3）: 53-55.

［7］ 韓振國，郭雷. 一種新型注水井分層測壓管柱實踐及認識［J］. 油氣田地面工程，2002，21（4）：123-124. HAN Zhenguo， GUO Lei. Development and application of an innovative pipestring for separate-layer pressure monitoring in water-injection well ［J］. Oil-Gasfield Surface Engineering， 2002， 21 （4）: 123-124.

［8］ 宋顯民，孫成林，陳雷，田晶蒙，彭丙軍，吳訓平，宋利彬.深斜井偏心定量早期分注技術 ［J］ .石油鉆采工藝，2007，29（增刊）： 78-81. SONG Xianmin， SUN Chenglin， CHEN Lei， TIAN Jingmeng， PENG Bingjun， WU Xunping， SONG Libin. Technology for eccentric quantitative early separate injection in deep deviated wells［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2007， 29（S0）: 78-81.

［9］ 中國石油天然氣股份有限公司.氣舉注水雙用工作筒：201220176949.3 ［P］. 2012-12-12. PetroChina Company Limited. Working barrel for gaslifting and water flooding operations: 201220176949.3 ［P］. 2012-12-12.

［10］ 王海全，肖國華，張昊. SQSPXP-110雙導向橋式偏心配水器［J］. 石油機械，2013，41（4）：94-97. WANG Haiquan， XIAO Guohua， ZHANG Hao. SQSPXP-110 double orientation bridge eccentric water distributor［J］. China Petroleum Machinery， 2013， 41（4）: 94-97.

［11］ 姚春東，董趙朋.一種新型定差式恒流量注水堵塞器［J］.石油機械. 2008，36（10）：47-50. YAO Chundong， DONG Zhaopeng. A new constant difference and constant flow water injection plug ［J］. China Petroleum Machinery， 2008， 36（10）: 47-50.

［12］ 劉永勝，宋雪杰，趙世新，叢繼功.老油田恒定量注水工藝技術［J］.油氣田地面工程，2005，24（7）：20. LIU Yongsheng， SONG Xuejie， ZHAO Shixin， CONG Jigong. Water-flooding at constant flow rate in matured oilfields ［J］. Oil-Gasfield Surface Engineering， 2005，24 （7）: 20.

［13］ 高運宗，胡峻，何光智，李萬喜，王延輝. 注水井恒流定量注水工藝的理論與實踐［J］. 油氣田地面工程，2004，23（5）：2-3. GAO Yunzong， HU Jun， HE Guangzhi， LI Wanxi，WANG Yanhui. Theories and practices of quantitative water-flooding at constant flow rate through water injectors ［J］. Oil-Gasfield Surface Engineering， 2004，23 （5）: 2-3.

［14］ 趙振旺，王春耘. 分層注水定量配水工藝技術研究與應用［J］. 石油鉆采工藝，2000，22（4）：63-65. ZHAO Zhenwang， WANG Chunyun. Research and application of separate layer water injection and quantification injectional location［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2000， 22 （4）: 63-65.

（修改稿收到日期 2016-06-04）

〔編輯 李春燕〕

Integrated technology of separate-layer quantitative water flooding and pressure monitoring

SONG Xianmin1， ZHANG Limin1， ZHANG Yuhui2， ZHANG Jianzhong1， LIU Yufei1， LIU Shiying3
1. PetroChina Jidong Oilfield Company， Tangshan， Hebei 063004， China； 2. PetroChina Huabei Oilfield Company， Renqiu， Hebei 062550， China；3. PetroChina Yumen Oilfield Company， Jiuquan， Gansu 735019， China

Monitoring formation pressure and temperature during separate-layer water flooding can provide reliable data for geologic study of relevant formations， but monitoring techniques currently available can not monitor formation pressure and temperature all the way. Based on principles and tool structure of eccentric quantitative water flooding technique and downhole monitoring technique，integration of separate-layer quantitative water flooding and pressure monitoring has been achieved by adopting integration research principles and designs. During the course， a plug with water-flooding and pressure monitoring capacities， water-flooding and pressuremonitoring barrel with testing channels， and special delivery device with valve-bottom supporting assembly have been developed. Lab test results show all the key tools have reliable sealing performance to satisfy demands related to place， recover and replace of waterflooding and pressure-monitoring plugs. Up to now， the technique has been used in 5 wells with a success rate of 100%. Moreover， 100% of pressure and temperature data acquired are qualified， expanding the function of conventional eccentric separate-layer water flooding technique， the newly developed system has bright prospects of application on site.

water regulator； working barrel； delivery device； quantitative water flooding； separate-layer pressure monitoring

TE934

B

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0526- 05

10.13639/j.odpt.2016.04.023

SONG Xianmin， ZHANG Limin， ZHANG Yuhui， ZHANG Jianzhong， LIU Yufei， LIU Shiying. Integrated technology of separate-layer quantitative water flooding and pressure monitoring［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 526-530.

宋顯民（1971-），西南石油大學石油礦場機械專業在讀博士研究生，現從事采油工藝研究工作，高級工程師。通訊地址：（063004）河北省唐山市路北區光明西里冀東油田鉆采院。電話：0315-8768028。E-mail：songxm@petrochina.com.cn