新型恒流配水堵塞器的研制與應用

張 云

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163853)

0 引 言

目前，大慶油田以注水開發為主。注水開發方式是保持油田地層壓力穩定，提高油田中單井產量，進而提高油田綜合采收率的最重要的方式之一。針對于非均質、多油層、層間矛盾突出的油田，實施了分層注水開發的試井技術。此技術既可有效提高薄、差油層的整體注入能力，又對高滲透、大厚度的油層實現有效地定量控制，進而減小油田注水開發中的層間矛盾，使油田中的各類型油層都能得到全面、有效地利用。注水井分層流量調配是全面完成地質配注方案，有效實現“注夠水、注好水”的重要環節。但隨著油田水驅開發的不斷深入和外圍薄、差、小油層的接替動用，各個注水層段之間的矛盾也在日益突出，注水井分層流量調配難度不斷加大，效率不高[1]。面對這一系列的實際性問題，油田技術人員通過不斷探索和研究，在注水井測調技術工藝方面取得了重大的突破。提出將恒流注水技術予以修正和完善，發揮恒流優勢，克服不穩定弊端，更好地為油田測試服務。

本文首先從恒流配水技術的工作原理入手，通過深入剖析恒流配水堵塞器的內部構造,提出技術關鍵環節的解決措施，從而達到提高水井測調效率和延長穩定周期的目的。

1 恒流配水技術的工作原理

恒流偏心配水堵塞器是為了保證注水方案精確實施和有效延長平均測調周期而研制的新型配水裝置，其工作原理主要是應用液壓調速閥的技術原理，在注水壓力發生變化的情況下,仍然可以保證注入層段流量恒定。這樣，既可保證注水井中各層段的配注量，又可有效地降低注水井中的層間干擾[2]。

假設普通陶瓷水咀屬于薄壁小孔類，其過流公式為：

(1)

(2)

式中：μ為流體粘度，MPa·s；A為孔徑面積，m3；d為層段水咀直徑，mm。

假設注水井某一注入層段的單層吸水指示曲線屬于線性變化規律，其注入流量公式為：

Δpl=KQ

(3)

式中：Δpl為注入壓差即新型恒流堵塞器出口壓力，MPa；K為常數，即層段吸水指數的倒數;Q為層段實際注入量， m3/d。

在注水井中應用新型恒流堵塞器之前，應先對該井進行一次分層流量測試。測試時，記錄油壓py、測試層段的水咀直徑d和關井時油壓pg等基礎數據，如不計管線流程損失可得公式：

py-pg=Δp+Δpl

(4)

假設在該注水層段投入啟動壓力為pq的恒流堵塞器，設其達到配注要求q時的油壓為pt，由公式(1)、(2)、(3)、(4)可以得到如下經驗公式，公式(1)中流量系數μ取0.8[3]。

(5)

式中：pt為達到配注時的油壓，MPa；q為層段配注量， m3/d；Q為層段實測注入量，m3/d;py為測試時油壓，MPa；pg為關井時油壓，MPa；pq為啟動壓力，MPa；d為層段水咀直徑，mm。

2 恒流技術應用中存在的技術問題及改進措施

2.1 恒流技術應用中存在的技術問題

通過多年的恒流配水技術研究，其在應用中存在的問題主要表現在以下三個方面：

1)注入壓力波動大。投入恒流堵塞器后，采用兩級彈簧調節方式，注入井壓力仍然波動較大，波動范圍可達到0.5～1.5 MPa。一般需要3～5 d后，才能達到壓力穩定狀態。

2)壓力調節彈簧變形、出現大面積腐蝕。恒流堵塞器的工作環境惡劣，井下溫度高，注入水質差，腐蝕性很強。在使用恒流堵塞器1-2個月后，其內部的壓力調節彈簧頂部一般會出現明顯的變形，并存在嚴重的腐蝕情況。

3)恒流水嘴閥芯移動不順暢。由于井下工作環境惡劣，恒流水嘴閥芯的耐用性是一個很重要的影響因素。閥芯的整體移動不順暢，致使彈簧縱向彈力的一部分損失在側壁的摩擦阻力上，壓縮形變量將不能達到應用要求[4]。

2.2 恒流注水技術瓶頸的改進措施

為了深入研究影響“腐蝕”與“形變”兩大技術難題的重要因素，對于原有恒流堵塞器腐蝕嚴重的問題，采用全新的防砂濾網，驗證井下堵塞器的腐蝕情況是否主要來自于粘污性腐蝕；對于原有恒流堵塞器彈簧壓縮形變的問題，在壓力調節彈簧的一側改用圓柱型穩定裝置，以驗證壓力傳導與彈性形變的關系。

2016年3月5日，在大慶油田的高2x-斜x2偏Ⅰ層位和高3x-x7偏Ⅰ層位投入“改進”的恒流堵塞器，并于6月17日撈出，驗證、分析兩個技術難題的影響因素。

實驗結果及分析如下：

1)壓力調節彈簧出現一側變形。由于壓力調節彈簧底部加裝了穩定裝置未出現變形，而彈簧的頂部則出現了明顯的變形。變形后，使彈簧彈力的一部分損失在側壁的摩擦阻力上，這一因素直接導致層段注入量由開始測量時的10 m3/d,后期變化為6 m3/d。

2)壓力調節彈簧未出現大面積腐蝕。井下工作環境惡劣，井下溫度高，注入水質差，腐蝕性很強。投入的恒流堵塞器彈簧本身未出現大面積的腐蝕，證實了堵塞器的腐蝕主要來源于注入水質差的粘污影響。

對于原有恒流堵塞器在應用中存在的技術問題，具體解決措施如下。

針對于井口油壓波動大的問題，增加了閥芯通孔不僅實現壓力的線性傳導，還使注入壓力能更快地傳導進入堵塞器內腔；采用氧化鋯外膜的陶瓷水嘴可防止長期沖刷帶來的孔徑變化。

針對于恒流水嘴閥芯移動不順暢的問題，將密封圈位置上移，使內部活動空間更大，且內壁采用可控離子滲入技術，保證壓力滑動裝置的靈活性；將傳壓裝置整體縮短2 mm，在彈簧被完全壓縮時，仍然可以正常注水。

3 關鍵部件技術參數設定

4 新型恒流堵塞器的應用效果

4.1 恒流堵塞器應用前提及范圍

在注水井中應用新型恒流堵塞器前，首先，應該了解新型恒流堵塞器壓力調節彈簧的啟動壓力。應用新型恒流堵塞器前先測試一次檢測卡片，根據檢測卡片逐層計算出層段吸水量，然后根據水表水量值與測量值的比例關系計算出各層的實際吸水量，充分了解注水井的各個注入層段的實際吸水能力。測試時，準確記錄井口注入壓力、泵壓值、水表水量值。測試后，對選定的測試井進行關井操作并及時、準確錄取關井后的井口油壓。按照公式(5)試計算各個注入層段投入新型恒流堵塞器后的油壓。如果對注入層段所計算的油壓數值都小于注水井的泵壓值，則該井可以投入新型恒流堵塞器進行分層注水。符合條件后，我們主要應用在強吸水層段，先克服全井中的主要矛盾，進而提升測調施工工作效率。

4.2 恒流堵塞器的數據標定及現場應用

基于新型恒流堵塞器在內部結構、加工工藝和彈簧強度等諸多方面進行了技術改進，并通過實驗室模擬井下流體標定恒流數據，并驗證恒流堵塞器在井下工作的穩定性、可靠性，對恒流效果給出準確的評價。

模擬井中的數據標定是在大慶采油工程研究分層開采實驗室內進行的。在數據標定過程中，注入水一直處于循環狀態，裝置可以采集嘴前的壓力、流量，也可采集嘴后的壓力、流量，驗證恒流效果及壓力損失數值。標定數據表明：恒流效果較好，隨壓力變化后壓力傳導機構能夠對流量進行迅速調整。額定數值為10 m3/d的恒流堵塞器能夠穩定在9～10 m3/d的流量值，如圖1所示。

圖1 新型恒流堵塞器壓力、流量標定數據

為了驗證裝置的現場效果，在大慶油田的杏1x-x9注水井進行了井口模擬實驗。首先，關閉總生產閘門，利用井口上返水流模擬井下水流，并用裝置模擬井下配水器，進行了水量和壓力測試。試驗開始后2 min內，堵塞器的內外壓力已經保持了定壓、定量，現場效果較好，如圖2所示。

圖2 井口模擬裝置及測試數據

新型恒流堵塞器的穩定時間由3～5 d減少為2～3 min，主要是由于在堵塞器底部，通過閥芯傳導進來的壓力迅速形成反向背壓，并作用在壓力調節彈簧上，使壓力調節彈簧能夠在很小的注入壓力下，立即進入工作狀態，有效地減小了恒流堵塞器的啟動壓差。

為了驗證恒流堵塞器的實際應用效果，在大慶油田進行了井下長期壓力、流量跟蹤試驗。對試驗井的層段流量、壓力數據，每月都要進行檢配施工，并進行現場資料回放、打印工作，保證數據的準確性、可靠性。通過7個多月的連續監測，恒流效果較好，層段注水穩定，如圖3所示。

圖3 試驗井現場數據打印成果

新型恒流堵塞器有效延長測調穩定周期由2～3個月延長至6～7個月，主要是兩個方面的重要作用：一是在壓力傳導方向上，采用增大閥芯導角的錐型結構可減少壓力損失，使壓力調節彈簧的形變量保持在允許變化范圍內，大大提升恒流堵塞器的使用周期；二是壓力調節彈簧均采用納米級金屬技術，可以滿足彈性和抗腐蝕的技術要求[6]，且主體與閥芯均采用可控離子滲入技術，提高恒流堵塞器的工作性能和使用壽命[7]。

5 結 論

1)新型恒流堵塞器有效克服了井口油壓波動大的問題，波動范圍在0.1～0.3 MPa之間，穩定時間由3～5 d減少為2～3 min，且壓力、流量長期處于穩定狀態。

2)新型恒流堵塞器有效延長了測調穩定周期，使測調周期由2～3個月延長至6～7個月，提高測調工作效率。

[1] 閆術任,成 峰,李興國.注水井壓降資料應用分析[J].油氣井測試,2000,16(2):24-28.

[2] 梁德海.恒流式偏心配水堵塞器的改進與應用[J].中國石油和化工標準與質量,2013,22(6):49.

[3] 馬 偉,趙學增,劉長運.恒流堵塞器的建模和參數分析[J].機械工程師,2006,37(9):112-114.

[4] 郭英偉.KHPX-20型恒流偏心配水堵塞器的研究與應用[J].中國科技信息,2005,16(13):137-140.

[5] 欒云天.分層注水技術中恒流堵塞器的應用[J].內蒙古石油化工,2014,23(6):102-104.

[6] 伍建林,李著信,趙揚名.地面恒流注水器的研究與試驗[J].石油機械,2005,33(4):59-59.

[7] 趙奇祥.新型投撈式恒流配水器設計與應用[J].石油礦場機械,2010,39(7):49-53.