套管水平井多級多段分注工藝技術與應用
——以紅河油田A井為例

熊 佩

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006）

水平井注水具有注水井段長、波及效率高、注 入壓力低、注入量大等優勢，該技術在國內外油田都取得了一定的效果[1–4]。目前，水平井注水主要采用籠統注水方式，但水平段上的儲層滲透率差異會導致高滲段超注與低滲段欠注，壓力剖面推進不均勻導致對應油井過早水淹[5]，注水有效期短，嚴重影響水平井的均衡注水開發效果。

針對水平井籠統注水存在的問題，勝利油田研發了3 段集成注水管柱，采用連續管進行測試，實現了高效測調[6]，但兩段分注時不能保護直井段套管。吉林油田研發了水平井井下分注工藝管柱，采用連續管實現水嘴更換和測試調配工藝，可分4段分注，但投配水嘴具有一定難度[5]。

為了提高分段注水的密封可靠性、測調效率和解封成功率[6]，本文研制了多級多段分注工藝管柱和水平井無線測調技術，并在紅河油田[7]進行了現場試驗，該技術可實現水平井分段流量自動測調及生產參數實時錄取與存儲，對致密油油藏注水開發具有重要意義。

1 水平段注水管柱受力分析

為了實現水平段的分段注水，在注水管柱設計時，一般采用多個封隔器注水管柱。假設注水管柱一共有n個封隔器，除去最后一個封隔器，則該注水管柱總共有n-1個中間封隔器[8]。

1.1 封隔器對管柱的作用力計算

1.1.1 兩個封隔器之間管柱形變量和力的計算

假設A封隔器為水平井的尾端，B封隔器為水平段的前段，確定封隔器A、B之間管柱的形變量與力的變化相當于單一或復合封隔器的情況。封隔器之間管柱所承受的軸向應力與徑向應力關系如下：

式中：F為螺旋彎曲力，kN；FA為封隔器A處的作用力，kN；FB為封隔器B處的作用力，kN。

由于實際注水過程中管柱所含井下工具非常復雜，因此在管柱受力分析時，可采用復合管柱結構跟多級封隔器管柱類似的方法。

2 水平井多級多段分注

2.1 管柱結構

水平井分注管柱由地面無線控制設備、智能配水器、注水封隔器等組成（圖1）。

2.2 主要技術參數

水平井分注管柱耐溫可達120 ℃，耐壓25 MPa，適用于套管外徑為139.7 mm的注水開發水平井；無線測調分段數不超過5段，壓力精度0.3%，流量精度0.5%。

圖1 套管固井完井水平井分段注水管柱

管柱中水平段的密封可靠性主要由注水封隔器和智能配水器來實現。常規多級注水封隔器是通過管柱上提同時解封的，解封負荷成倍增加（在直井中經常出現3級封隔器負荷達到20 t以上），加上水平井的原因，修井機的上提負荷只能部分傳遞到井下工具，多級注水管柱可能會出現遇卡的情況。為此，針對水平井多段注水管柱，設計了 Y341–114逐級解封可洗井注水封隔器（圖2）。

管柱中注入水的分流主要是通過智能配水器來實現，具體結構如圖3所示。智能配水器記錄井下注水狀態，可實時監控井底流量、壓力、溫度，電腦操作平臺可根據需要隨時調節控制井下各水嘴出水量。系統可實現注水井的分層測調、管理和動態監測。

2.3 工作原理

2.3.1 坐封與驗封

圖2 Y341-114逐級解封可洗井注水封隔器結構

圖3 智能配水器工作筒結構

從油管中心加壓，液壓從中心管進入坐封機構，推動坐封機構的活塞向上，將液壓力傳遞到密封機構，壓縮密封件（膠筒）與套管接觸。當液壓達到8～10 MPa時，密封件與套管間的接觸應力達到密封條件，實現段間封隔。在活塞上行的過程中，鎖緊機構同步運動，完成鎖緊動作，防止泄壓后密封機構回退失效，完成坐封。

地面發送指令，無線控制中間段智能開關器開啟，上下段的智能開關器關閉后，對中間段升壓。然后發送檢測地層壓力的指令，即可檢測到上下段地層壓力是否有壓力波動，如果壓力波動，則封隔器失效；反之封隔器密封良好。

2.3.2 注水與測試調配

地面無線控制開啟被測段，關閉其他段的智能開關器，逐步提高注入壓力，記錄各個壓力點上的注入量。根據壓力和流量的對應關系，可繪出吸水指示曲線，算出吸水指數。根據吸水指數，地面無線控制智能配水器的水嘴開度，使各段達到配注，監測注入壓力和流量并存儲信息。

注水時，地面閥組關閉一段時間，注水壓力下降，形成“0”的二進制編碼；再打開一段時間，注入壓力又上升，形成“1”的二進制編碼。井下智能配水器也可關閉和打開水嘴，同樣產生“0”和“1”的二進制壓力波。通過壓力波的形式，實現了地面設備和井下設備的無線數據傳輸。

2.3.3 反洗井

需要反洗井時，從油套環空進入的洗井液，能推開反洗活塞，將封隔器的反洗通道打開，洗井液流經封隔器、底部球座，再從油管內返出，從而將油套環空的機雜、近井地帶的堵塞物、油管內的結垢等洗出。

2.3.4 解封

需要解封時，上提油管帶動封隔器的中心管，中心管帶動釋放套上行，與指形爪接觸后使指形爪內收。解除指形爪與鎖套的咬合，依靠膠套的回彈力，推動鎖套下行，實現解封（圖4）。

圖4 封隔器鎖緊、解鎖機構

逐級解封隔器的設計是在不改變常規成熟的密封結構的情況下，在解封方式上進行改進。將釋放套設計為可調整位置的方式。管柱中每級封隔器裝配的釋放套位置不同，解封行程也就不同。行程短的先解封，行程長的后解封。從上至下，各級封隔器逐漸增大解封距，那么解封順序也是從上至下解封，從而實現逐級解封（圖5）。

圖5 逐級解封原理

3 現場試驗

A井為紅河油田一口注水水平井，于 2014年完鉆，2015年轉注。該井完鉆井深2 905 m，水平段長692 m（2 213～2 905 m），為二級井身結構，采用φ139.7 mm生產套管固井完井，可鉆橋塞分6段壓裂。A井層段非均質性嚴重，孔隙度、油層厚度以及儲層發育等都存在較大層間差異，前期采用籠統注水。從前期的吸水剖面測試情況看，水平段吸水嚴重不均，在3 MPa壓力及產液量150 m3/d情況下，水平段兩端吸水（相對吸水質量分數分別為35.33%、15.33%），中間段不吸水，不能滿足均衡注水的要求，因此需要進行分注[9–14]，實現均衡注入。

3.1 分段注水管柱及測試調配

綜合考慮A井水平段的分層密封可靠性以及測試準確、簡便、高效原則，采用多級多段分注管柱，于2019年6月順利實施多級多段分注管柱，管柱結構自下而上采用導錐絲堵+水平井單向閥+智能配水器 3#+扶正器+Y341–114注水封隔器+拉脫式安全接頭+智能配水器 2#+扶正器+Y341–114注水封隔器+安全接頭+智能配水器1#。

先對A井進行籠統注水，在全井吸水穩定且壓力上升后，再進行分層流量測調。測試前分別將流量計在內徑62 mm和內徑44 mm管內進行標定，將得到的數據進行地面回放。依據測試繪制的分層指示曲線，1#層實注19.5 m3/d（配20.0 m3/d），2#層實注10.5 m3/d（配10.0 m3/d），3#層實注19.5 m3/d（配20.0 m3/d），均滿足配注要求。

3.2 實施效果

水平井A井實施多級多段分注管柱注水2個月，其仍密封可靠、注水有效，分層流量偏差仍小于3%，提高了水平井分段注水的有效率。該井對應的油井生產效果明顯改善，日產油由實施前1.2 t上升至3.0 t，含水由89.6%下降至77.5%，水驅效果顯著。

4 結論

（1）水平井多級多段分注管柱采用多級封隔器和無線測調結構，解決了水平井分段注水密封可靠性差、測試效率低和測試成功率低的技術難題，適用于儲層非均質性嚴重的水平井分段均衡注水。

（2）多級封隔器具有反洗機構，延長了注水管柱的有效期。

（3）無線測調技術的開發與應用能降低測調難度，測調不需要現場作業，保障井場安全可靠，降低了作業成本。