海上油田小井眼分注井測調一體化工藝研究

劉義剛 孟祥海 張志熊 藍飛 陳征 張樂 陳華興

(中海石油有限公司天津分公司)

0 引 言

?177.8 mm(7 in)小井眼注水井的鉆完井成本比常規井眼降低23%以上，是低油價時代降本增效的有效措施[1-5]，部分新油田也規劃了一定數量的小井眼注水井，因此，小井眼注水井將成為海上油田未來很重要的一類注水井。截至2019年12月，渤海油田防砂完井最小內通徑82.6 mm(3.25 in)的小井眼注水井有108口，部分待轉注油井、側鉆井和套管補貼井的防砂完井最小內通徑也是82.6 mm。這些井目前只能采用早期開發的一投三分、同心分注、多管分注和空心集成等工藝，存在分注層數受限、調配作業占井時間長和測調效率低的問題。同時，受海上平臺時空特點及油水井集中管理等限制，大部分平臺年作業天數接近或超過年生產天數，作業資源優先滿足油井需求，使得注水井的分注率、調配率和分注井層段合格率均較低，迫切需要提高注水井測調效率。智能測調分注工藝雖然實現了全自動測調，適用于任何井型，目前處于推廣應用階段，但主要在最小內通徑為120.7 mm(4.75 in)的注水井中應用，故障率較高，文獻[6-7]對故障率高的問題進行了研究。邊測邊調分注工藝雖然在測調效率上略低于智能測調工藝，但比傳統的鋼絲投撈分注工藝有極大提升，也只適用于最小內通徑101.6 mm(4 in)以上常規井眼注水井[8]。鑒于此，筆者對大尺寸邊測邊調工藝技術進行了優化改進，形成了適用于82.6 mm內通徑的小井眼分注井測調一體化注水工作筒及配套工具。采用該工具可實現小井眼注水井分層測調一體化注水，達到一趟作業完成驗封和測調的目的，同時保證整個管柱內通徑不小于44 mm，不影響后續相關測試等作業。研究成果可滿足當前開發階段這一類注水井的高效測調需求。

1 技術分析

1.1 管柱設計

海上油田小井眼分注井測調一體化工藝管柱(見圖1)采用一個?82.6 mm測調一體化注水工作筒對應一個注水層，每個工作筒結構都一樣，設有定位對接機構和可調水嘴，可與測調儀器對接定位并控制注水層水量。驗封測調儀器選擇性地去驗封和調節每個工作筒。

1.2 工藝原理及特點

該分注工藝通過插入密封與封隔器的配合完成層間密封，利用注水測調儀器檢測井底溫度、壓力和流量，地面控制設備對井底參數進行監控。通過地面控制器控制注水驗封測調一體化儀器，實現在線驗封并調節注水工作筒工作水嘴的大小，改變各地層注入量大小，提高分注效率。其創新點如下。

(1)可根據具體需求層段數下入配套插入密封(或封隔器)以及注水工作筒，注水層段數不受限制。

(2)可以一趟電纜作業完成所有層位的驗封及調配，大幅提高驗封及測調時效。

(3)在測調過程中，地面可實時監控井下不同層位流量、壓力和溫度并控制調節井下注水工作筒水嘴大小。

(4)采用定測方式對地層注水量進行檢測，提高流量測試精度。

(5)預留剖面測試和氧活化測試通道，滿足注水井測試需求。

1—安全閥；2—滑套；3—頂封和定位密封；4、6、8—?82.6 mm測調注水工作筒；5、7—隔離封隔器和插入密封；9—底部封隔器；10—單流閥。

2 關鍵工具設計

2.1 ?82.6 mm測調一體化注水工作筒

該工作筒整體結構如圖2所示，主要由上接頭、外筒、活動水嘴組件、固定水嘴組件、下接頭以及其他配套密封件組成。工具整體采用同心結構設計，上下兩端設計有73.0 mm(2in) NUB×NUP油管螺紋，依照工具連接方式進行連接，中部設置有中心通道和橋式通道雙流道，實現多層測調分注，下部設置活動水嘴與固定水嘴，活動水嘴組件軸向移動實現水嘴開度大小的控制。

在正常注水過程中，流體從上接頭流入，一部分流體流入中心通道被注入地層；另一部分流體流入橋式通道。經中心通道的部分流體與流經橋式通道的流體在下接頭處匯合后一起流入下一地層。

主要技術參數：長度756 mm，最大外徑80 mm，最小內徑46 mm，最大單層排量1 000 m3/d，耐溫-40～150 ℃，耐壓50 MPa。

1—上接頭； 2、6、8—O形密封圈；3—外筒；4—擋砂圈；5—調節軸套組件；7—固定水嘴組件；9—下接頭。

2.1.1 上接頭結構設計

上接頭是?82.6 mm測調一體化注水工作筒的關鍵結構，如圖3所示，主要包括油管螺紋、普通螺紋、定位臺階、防轉槽、扶正筋、排砂槽、防砂槽和梯形螺紋。其中，上端油管螺紋和普通螺紋分別與油管及工作筒外筒連接；定位臺階與下入井下的測調儀對接；防轉槽也叫導流槽，與下入井下的測調儀防轉塊配合，防止測調過程中電纜及測調儀旋轉，同時在注水及測調過程中該防轉槽也是流體進入橋式通道的入口，具有導流作用；扶正筋主要起扶正作用，上接頭與外筒螺紋連接后，上端與外筒連接，上接頭外壁與外筒內壁形成過流旁通，下端部分無連接結構，整個上接頭下端懸于外筒內部，為防止上接頭下端變形，設計增加扶正結構；擋砂圈防止井下砂子進入梯形螺紋處，避免出現因砂卡導致水嘴無法調節；梯形螺紋是工作筒中活動水嘴組件的移動軌道，其螺距大，傳力效果好，經QPQ強化處理后可保證工作筒順利調節。該結構下端設計有梯形螺紋，且屬于關鍵移動軌道，為保證螺紋強度及工具的整體強度，統一采用17-4PH材質。

1—油管螺紋；2—普通螺紋；3—定位臺階；4—防轉槽；5—扶正筋；6—排砂槽；7—擋砂圈；8—梯形螺紋。

該結構可以理解為將?98.6 mm注水工作筒[8]中上接頭與導向筒進行創新、組合形成。通過該結構設計，不僅減少了原本的焊接工藝，而且還省去了?98.6 mm測調工作筒中的本體組件，使?82.6 mm測調注水工作筒結構簡單、可靠，同時還滿足?98.6 mm注水工作筒的功能需求。

2.1.2 中心通道和橋式通道結構設計

中心通道和橋式通道是關鍵注水流道，中心通道屬于主過流通道，可實現地層多層注水；橋式通道屬于分流通道，既可實現地層測調時多層段注水，還可平衡水嘴前后壓力。?82.6 mm測調一體化注水工作筒在中心通道與橋式通道結構設計上98.6 mm、101.6 mm、120.7 mm及大排量測調注水工作筒不同，分為兩部分。第一部分為上接頭與外筒組成的分體式中心通道與橋式通道(見圖4)，上接頭中心通道即為該部分的整體中心通道，上接頭與外筒連接后，橋式通道由上接頭與外筒之間的環空組成，流體流經中心通道時可由上接頭防轉槽處流入橋式通道，并由橋式通道的下端流入第二段橋式通道。該結構的優點是采用軸套式結構，不僅減小了設計尺寸，還提供了較大尺寸的橋式過流通道。第二部分為固定水嘴處一體式中心通道與橋式通道(見圖5)。該結構位于固定水嘴組件內部，采用月牙槽結構設計，配套線切割加工工藝，這樣就完成了橋式主流通道設計。該結構優點是中心通道和橋式通道為一體式結構，減少了零件數量，提高了可靠性。

圖4 分體式中心通道與橋式通道結構示意圖Fig.4 Structural schematic of split central channel and bridge channel

2.1.3 關鍵測調結構設計

關鍵測調結構包含“一動一靜一密封” 3部分結構。

活動水嘴組件為測調結構中的“一動”部分，是整個注水工作筒的關鍵部件，由擋砂槽、調節槽、梯形轉動螺紋、通壓槽及水嘴陶瓷套等關鍵結構組成，如圖6所示。

圖5 一體式中心通道與橋式通道結構示意圖Fig.5 Structural schematic of integrated central channel and bridge channel

1—擋砂槽；2—調節槽；3—梯形轉動螺紋；4—通壓槽；5—水嘴陶瓷套。

調節槽可與下入井下的測調儀配合，測調儀調節爪插入調節槽內。當測調儀調節爪轉動時，帶動活動水嘴組件沿梯形轉動螺紋旋轉，帶動整體部件在軸向方向上下移動，從而改變陶瓷套與固定水嘴組件中的陶瓷水嘴配合，完成注入水嘴開度大小的控制。調節槽設計關鍵在于調節槽可調節距離與注入水嘴全開至全關距離相等，防止注入水嘴已經全開或全關，而活動水嘴組件仍在上下移動，導致調節位移與水嘴開度不匹配；其次，調節槽上下兩端應設計防扭矩過載結構，確保當注入水嘴已全開或全關時，測調儀調節爪可在調節槽內自動滑脫，反向轉動又可正常調節，避免扭矩過載。

梯形轉動螺紋相當于活動水嘴裝配組件的旋轉齒輪，可沿對應梯形螺紋旋轉并上下移動，此處梯形螺紋強度高、螺距大，表面QPQ處理后可確保水嘴調節的正常運動，有效防止粘連。

水嘴陶瓷套結構選用氧化鋯材質，利用激光焊接工藝固定在活動水嘴組件的本體上，具有硬度高及耐沖蝕的特點，可增加測調工藝的可靠性。

固定水嘴組件為測調結構中的“一靜一密封”部分，主要由陶瓷水嘴、壓環、格萊圈及固定水嘴套等組成，其結構如圖7所示。

1—陶瓷水嘴；2—壓環；3—格萊圈；4—固定水嘴套。

“一靜”是指陶瓷水嘴，通過激光焊接方式與固定水嘴套連接，屬于固定水嘴，與活動水嘴組件中的陶瓷套配合，實現注入水嘴開度大小的控制。其設計不再采用以往的軸套式結構，而是使陶瓷水嘴與活動水嘴組件中陶瓷套在布局方向上相互垂直，具有硬度高、耐沖蝕及可降低調節扭矩的優點。“一密封”是指固定水嘴組件中的密封結構，該密封部件選用格萊圈動密封，適用于軸向上往復運動密封，在高溫高壓下變形量較小，調節阻力小。

2.2 ?82.6 mm驗封測調一體化工具

?82.6 mm驗封測調一體化工具是實現小井眼注水井邊測邊調的關鍵配套工具，主要由超聲流量短節、測調控制短節以及驗封短節構成，結構如圖8所示。

主要技術參數：長度2 170 mm，最大外徑42 mm，耐溫-40～150 ℃，耐壓60 MPa，定位臂每次打開/收回時間5 s，流量測量范圍10～1 000 m3/d，流量測量精度5%，單層配水調整時間8 min。

流量短節主要完成對井下參數的采集，包括流量、溫度和管柱壓力等，并將采集的數據發送至測調板；測調控制短節控制調節臂的張收、正負調動作，同時收集其他短節信息打包發送至地面控制器；驗封短節主要控制驗封電機動作，利用位置傳感器檢測電機位置，進而完成驗封功能，同時采集地層壓力傳送至控制短節。

控制器上的正負調按鈕和上位機軟件的正負調按鍵可以進行配水器的開度調節。上位機軟件實時測量溫度、壓力和流量，并且顯示可調水嘴的開度變化。調節至要求的流量或者要求的開度后可按停止按鈕停止本層的流量調節。

1—流量短節；2—測調控制短節；3—驗封短節。

井下驗封時，儀器在對接的情況下，通過上位機或地面控制器發送驗封命令，儀器執行驗封控制命令，由電機帶動傳動軸轉動，并通過絲杠傳動，擠壓儀器密封段的上下驗封皮碗，使上下皮碗張開，與配水器內壁擠壓形成兩個密封腔，兩個密封腔中間位置與地層相通，通過測調儀上的兩個壓力傳感器測得管柱壓力與地層壓力的壓差即可驗證封隔器的密封性能。

3 現場應用

2019年3月至2020年6月，海上油田小井眼分注井測調一體化工藝技術已在PL、SZ和LD等油田11口注水井試驗應用，單井最大分注層數達到6層，最大下入深度2 700 m，最大應用井斜65°。從應用井測調效果看，基于油藏需求共計驗封調配144層次，一次驗封測調成功率可達97.3%以上，平均單井測調時間在6 h以內，分層驗封效果可達90%以上，分層流量測調誤差在10%以內，測調精度在2%以內，分層配水合格率在95%以上，達到了海上油田小井眼分注井高效測調的時效和技術要求。比傳統鋼絲投撈測調工藝測調時效每次單井節約90 h/以上，節省測調費用120余萬元，分注井測試率提高了15%以上，分層配水合格率提高了近42%，在一定程度上提高了注水開發效率，取得了較好的應用效果。

4 結 論

(1)針對海上油田小井眼注水井缺乏高效測調分注工藝的技術現狀，在現有大尺寸邊測邊調分注工藝基礎上，創新設計了高效測調分注工藝、分注管柱、注水工作筒及驗封測調一體化儀器，形成了適用于海上油田82.6 mm內通徑的小井眼分注井測調一體化分層工藝技術，滿足了海上油田小井眼注水井現階段的精細化注水需求。

(2)現場11口應用井的測調情況表明，該工藝一次性驗封測調成功率高，測調效率高，分層調配合格率高，測調精度高，相比傳統鋼絲投撈測調工藝，可大幅節約單井測調時間，從而大幅縮短占井周期，節省測調費用，可在其余小井眼分注井推廣應用。