海上油田大排量分層測調注水技術研究及應用

黃澤超，沙吉樂，劉鐵明，王 柳，鄭春峰，薛德棟

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

近年來，渤海油田作為主力水驅開發油田，注水井數量逐漸增多，分注率逐步提高。截至2021年底，總注水井約1000口，其中分注井數約990口，分注率約達99%。整體注水工藝經過幾十年的發展，形成了空心集成注水、邊測邊調注水、纜控智能注水和無纜注水4項主流注水工藝技術，且隨著智能化、數字化技術在石油領域的推廣應用，空心集成注水工藝的應用推廣逐漸減少，調配方式由純機械調配向著多層段、智能在線調配發展[1,2]。隨著海上油田開采進入中后期，地層能量逐漸虧空嚴重，部分注水井的注水量已無法滿足地層對于能量補充的需求，大排量分層配注是及時補充地層能量的有效手段[3,4]。然而，常規4.75″、3.88″、3.25″防砂完井工藝內通徑尺寸較小，工藝管柱和注水工具在安全注入流速下無法滿足2000m3以上注水，且現有邊測邊調分注、有纜預置電纜分注和無纜分注工藝無配套大排量測調注水工具，滿足不了大排量注入需求，有纜液控智能注水工藝具有配套7″、9-5/8″注水工具，可實現大排量注入，但僅能實現分擋位控制，無法實現大排量精細配注[5-11]。

鑒于此，開發了海上油田大排量分層測調注水技術，設計大排量注水管柱、大排量注水工具、測調儀器和地面控制器，利用電纜將測調儀器下入井下，在線監測注水量。根據油藏需求精確調節地層配注，提高注水井大排量注水測調效率和配注精度，為海上油田受益井及時補充地層能量，保障受益井產能。

1 技術分析

1.1 管柱方案

海上油田大排量分層測調注水技術管柱主要由油管、安全閥、水力錨定器、隔離封隔器、測調工作筒、底部支撐錨和單流閥等組成，如圖1。測調工作筒、層間封隔器及錨定工具等通過油管下入井下，封隔器實現地層分隔，錨定工具實現注水段管柱雙向錨定，防止管柱蠕動，測調工作筒實現各地層分層注水。測調儀器通過電纜下井，并與地面控制器及井下測調工作筒對接，地面控制器控制測調儀器監測地層注入參數，調節工作筒水嘴大小。

圖1 大排量分層測調注水技術管柱Fig.1 Large-displacement stratified measurement and adjustment water injection technology string

1.2 技術原理

海上油田大排量分層測調注水技術適用于6″防砂注水管柱和套管完井管柱，根據油藏對注水井的分層注水需求，管柱攜帶多套隔離封隔器和測調工作筒下入，通過對測調工作筒水嘴的開關和開度調節，達到多層段分層注水的目的。

測調時，電纜連接地面控制器和測調儀器，測調儀器隨電纜下井，通過電纜下入深度對比判斷測調儀器在井下的位置，逐層測調。測調儀器在井下與測調工作筒對接后，地面控制器通過電纜向測調儀器發送作業指令，測調儀器根據作業指令監測井下流量、壓力等井下數據，調節測調工作筒水嘴開度，并將監測到的數據回傳地面控制器，測調功能一體，確保調配精度。當注地層注水量不滿足油藏注水需求時，增大測調工作筒水嘴，即為正調；當地層注水量超出油藏注水需求時，減小測調工作筒水嘴，即為負調。

驗封時，鋼絲作業下入配套驗封儀器，將驗封儀器定位在測調工作筒內部，通過自身攜帶的密封盤根在測調工作筒水嘴上下位置封隔水嘴，油管內打壓，利用驗封儀器攜帶的壓力計監測油管內和油管外壓力，通過對比兩個壓力數據的變化，確定分注管柱層間封隔效果。

1.3 技術特點

1）適用于6″防砂注水管柱和套管完井管柱注水井大排量注水，適用井斜≤60°，一體化工藝管柱。

2）可在線監測井下注入流量、注入壓力數據，邊測試邊調節，配注精度高。

3）一趟電纜作業完成各層段注水測調，測調效率高、成本低。

2 配套工具設計

2.1 測調工作筒

2.1.1 結構及主要技術參數

測調工作筒是大排量分層注水的關鍵注水工具，主要由1-上接頭、2-外筒、3-調節軸套、4-水嘴座及5-下接頭組成，內部設置扶正結構、定位防轉結構、調節結構、橋式通道和動密封保護結構等。為避免測調時測調儀器過載，調節結構采用全開、全關極限位置脫扣設置，同時為避免注水時流速過高沖蝕水嘴，水嘴處選用硬質合金材料。整體結構如圖2。

圖2 測調工作筒結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the test and adjustment mandrel

測調工作筒的主要技術參數：耐溫等級：150℃，最高工作壓力：35MPa（壓差），最大外徑：φ135mm，最小內徑：φ53mm，水嘴當量直徑：φ24mm，全井最大設計注入量：2990m3/d，單層最大注入量：1450m3/d（壓差1MPa）。

2.1.2 工作原理

流體通過上接頭進入測調工作筒，一部分流體進入中心注入通道，另一部分流體進入橋式通道，中心通道中的流體一部分眼水嘴注入地層，另一部分流向下一地層。橋式通道內的流體主要流向下一地層，保證單層測調時，其他層位正常注水。當測調時中心通道注水量無法滿足注水需求時，橋式通道內的流體同樣也可注入當前層。

測調儀器下井與測調工作筒對接時，扶正結構對測調儀器進行導向和扶正，便于對接和下入，定位防轉結構與儀器定位臂和防轉臂對接，防止測調時儀器攜帶上部電纜轉動，調節結構內部設置調節槽與儀器調節臂配合，如圖3。

圖3 測調儀器與測調工作筒配合示意圖Fig.3 Schematic diagram of the coordination between the test and adjustment instrument and the test and adjustment mandrel

測調時，調節軸套隨著測調儀器的調節臂旋轉，沿水嘴座上的行程螺紋上下移動，帶動測調工作筒的活動水嘴上下移動，實現水嘴開度調控。調節軸套順時針轉動，測調工作筒的活動水嘴向下移動，水嘴開度減小，注水量減小；調節軸套逆時針轉動，測調工作筒的活動水嘴向上移動，水嘴開度增大，注水量增大。

當調節軸套隨著測調儀器旋轉至水嘴全開或水嘴全關極限位置時，調節結構與測調儀器的調節臂脫離配合，調節軸套不再隨測調儀器發生旋轉。此時，反向調節水嘴開度，調節結構與測調儀器調節臂恢復配合，調節軸套可隨測調儀器反向旋轉。

動密封保護結構用于防止水嘴開關過程中由于注入流體流速過高導致動密封件受到沖擊脫離密封槽，影響水嘴的密封效果或水嘴的可調性能。當調節水嘴由打開至全關時，活動水嘴向下移動，將動密封保護結構推開，活動水嘴與動密封配合；當調節水嘴由全關至打開時，動密封保護結構隨著活動水嘴向上移動，活動水嘴與動密封結構分離，動密封保護結構覆蓋動密封。

2.2 井下測調儀

2.2.1 結構組成

測調儀器主要由：1-電纜頭、2-外磁式電磁流量計、3-溫度、壓力傳感器、4-測控電路模塊、5-電機模塊、6-導向凸輪、7-定位臂、8-調節臂、9-加重桿連接頭組成，如圖4。電磁流量計和壓力、溫度傳感器可測試注入流量、壓力和溫度數據，并將數據回傳至測控電路模塊；測控電路模塊連接變速伺服電機，電機連接多級減速器，電機輸出軸通過高壓防水密封后與支撐臂、定位臂連接。

圖4 測調儀器結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the measuring and adjusting instrument

測調作業時，單芯電纜連接過載保護電纜頭，為測調儀器供電和傳輸控制信號、數據，測調儀器接收到地面控制器指令后，測試地層注入流量、壓力、溫度等參數，同時控制電機轉動，帶動調節臂調節測調工作筒水嘴開度，進而調節地層注水量，并將測試到的地層注入數據傳遞給地面控制器，直到地層注水量滿足油藏需求。

2.2.2 技術參數

主要技術參數包括：儀器外徑：φ48 mm，儀器長度：1830mm，流量測試范圍：50m3/d～3000m3/d，流量測試精度：≤3%，壓力測試范圍：0MPa～70MPa，壓力測試精度：0.2%FS，輸出扭矩：40N·m，耐溫等級：150℃，工作電源：130VDC～140VDC，供電與通訊：單纜變頻載波。

2.3 地面控制器

通過RS485與上位機連接，通過電纜與測調儀器連接，接收上位機命令，向測調儀器發送作業指令，控制測調儀器調節測調工作筒水嘴開度，接收井下回傳數據，傳遞上位機實現在線直讀。

適用溫度：-30℃～80℃，輸入電源：220V±0.5%、50 Hz±1，防爆等級為ExdII BT6，防護等級為IP55～IP56， 輸 出 電 源：0 VDC～ 175 VDC、0 mA～500 mA，供電與通信：單纜變頻載波。

3 現場應用

研發完成的大排量分層測調注水工藝技術已在海上XX36-1油田和XX11-6油田進行了2口大排量注水井試驗應用，最大分層數3層，最大下入深度2500m，最大應用井斜50°。從應用井情況看，全井最大注入量達到3500m3/d，單層最大注入量1400m3/d，單層最小注入量60m3/d，單井測調時間在8h以內，分層流量測調誤差在5%以內，分層配注合格。調配過程中，測調工作筒與測調儀器對接成功率100%，水嘴開關順利，測調儀器通訊良好，測調性能可靠，達到了海上油田大排量分注井高效測調的時效和技術要求。相比現有注水工藝單層最大注入800m3/d，單層注水效率提升81%，相比現有注水工藝全井最大注入量1500m3/d，全井注水效率提升了100%，提高了注水開發效率，取得了較好的應用效果。

4 結論

1）研發海上大排量分層測調注水工藝技術，設計了測調工作筒、測調儀器和地面控制器，適用于6″防砂注水管柱和套管完井注水管柱，滿足海上油田大排量分層測調注水需求。

2）測調工作筒開關性能良好，與井下測調儀器對接成功率高，測調儀器在井下通訊良好，測調性能可靠，實現了井下參數的精確監測和各層注水量的精確調配。

3）大排量分層測調注水技術提高了注水效率，及時補充地層能量，且一趟電纜作業完成所有層位調配，測調效率高，降低了作業成本，滿足海上油田低成本、高效開發需求，有較高的應用推廣價值。