自源閉式注水技術探索與應用

馬喜超，余 潞，沙吉樂，黃澤超，張 磊，郭沛文

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452）

圖1 自源閉式分層注水管柱組成Fig.1 Composition of self-sourced closed layered water injection string

目前海上油田開發已經全面進入中后期開發階段，渤海油田利用注水技術補充地層能量已經實施20余年。南海油田開發較晚，在開發初期，其邊底水能量充足，在開發初期采用自噴、電泵生產，未進行水驅開發，在油田整體開發方案階段未考慮水驅開發，地面未配備注水設備。隨著開發過程深入，地層能量逐漸出現虧空，需要及時地補充地層能量。為解決地面沒有配套注水設備的現狀，開發出一種就地利用近源天然水層在井下閉式環境實施人工注水的工藝方案[1-5]，實現自源閉式注水，為南海油田開發解決了無地面注水設施又急需補充地層能量的問題，有效地補充地層能量，實現了高效開發[6-8]。

1 自源閉式注水工藝組成

1.1 管柱組成

自源閉式注水工藝管柱由滑套、電潛泵、雙層油管、測調工作筒等系統組成。電潛泵采用寬頻高揚程設計，采出地下水源層位水進行增壓，為井下注水提供注水壓力，同時通過泵頻的改變，實現變流量注入，從而滿足油藏開發需求。循環滑套位于頂部封隔器上方，其目的是實現循環壓井，從而控制注水路開關。利用雙層油管，實現采水、注水兩條獨立的通道，從而實現分層注水。雙管邊測邊調工作筒，實現水嘴開度調節從而實現分層配注。調配時，下入測調儀器，通過測調儀器實現注水量的邊測邊調，從而有效地保障調配成功率。

圖2 雙管式邊測邊調工作筒Fig.2 Double-tube type working cylinder while measuring and adjusting

1.2 工作原理

返排：管柱下入到位后，為緩解修井液對近井地帶早層的污染，需要對井液進行返排，通過堵塞器下入到Y接頭部分，將中心通道關閉，地層產出液通過電潛泵增壓，舉升至地面，從而實現返排功能。

正常注水：管柱下入到位后，水源層水通過雙層油管的環空通過雙管定位密封裝置，到達油套環空內部，通過電潛泵增壓，增壓后回注水進入雙層油管內部空間，通過雙管邊測邊調工作筒實現分層注入。

分層調配：將中心通道堵塞器全部撈出，下入邊測邊調測調儀，對雙管邊測邊調工作筒進行調配。調配過程中，可以實時地對分層注水量進行直讀，利用一趟鋼絲作業，可以實現多層的調控。

1.3 工藝特點

1）不動管柱返排等工況下，閉式注水工藝難題。

2）寬頻高揚程設計+可視化在線調配實現分層注水，調控效率高。

3）不動管柱實現了地層酸化、示蹤劑注入等功能，提高措施效率。

2 自源閉式注水工藝關鍵工具

自源閉式注水工藝由雙管式邊測邊調工作筒、測調儀器、雙層油管等關鍵工具組成。雙管式邊測邊調工作筒用于分層注水，同時實現層間過流。測調儀器實現工作筒注入量的調節，雙層油管建立換空通道，實現了采水、注水通道。

2.1 雙管式邊測邊調工作筒

1）工具組成

雙管邊測邊調工作筒由測調儀器定位臺階、測調儀器防轉槽、調節套、水嘴內套、水嘴外套、橋式通道等結構組成。

2）工作原理

雙管邊測邊調工作與雙管配合，其主要設計目的是實現內層管內注入水進入地層，同時保障內管和外管之間的過流通道保持獨立。因此，在常規邊側邊調工作筒的基礎上增加了外層管結構，延續引用了常規邊測邊調工作筒的測調儀器定位臺階、測調儀器防轉槽、調節套等結構。同時在水嘴處設置結構，將內層水嘴直接與外部通道相連，實現中心管注入水直接進入地層。同時在水嘴側面設置有橋式通道結構，保障內外層管通道的獨立，從而形成獨立的注水通道。

3）工具特點

①為保障在熱水驅環境下工作筒的可靠性，對工具密封結構進行優化，優選Balseal動密封結構，滿足150℃高溫，60MPa高壓作業環境，確保高溫高壓環境下的雙向密封，并降低調節扭矩。

②針對水嘴結構，優選氮化硅陶瓷水嘴，滿足沖蝕條件的同時，滿足后續酸化、調驅作業要求。

③在水嘴下部添加動密封防護結構，防止動密封部件被流體高速沖擊，沖出密封槽。

4）工具關鍵參數

單層最大排量800m3/d，外徑148mm，內徑46mm，長度1340mm，耐壓60MPa，耐溫150℃。

2.2 測調儀器

1）工具組成

圖3所示，測調儀器結構組成包括：防過載電纜頭，外磁電磁流量計，壓力、溫度傳感器，控制、測量模塊，變速控制伺服電機，收、放位置檢測傳感器，角度傳感器，支撐執行機構，同心調節執行機構，加重連接頭。

圖3 測調儀器結構圖Fig.3 Structure diagram of measuring and adjusting instrument

導向調節部分決定儀器和橋式雙層邊測邊調工作筒的對接位置，確保調節爪和橋式同心配水器的調節部分可靠掛接，與雙層邊測邊調工作筒的防轉槽配合，防止儀器在調節過程反方向轉動，調節爪主要作用是和雙層邊測邊調工作筒的調節部分配合，實現工作筒的正負調節和脫扣。

2）工作原理

調節機構工作原理：測調儀支撐臂由導入筆尖定位，調節爪與雙層邊測邊調工作筒調節結構配合。當測調儀調節爪正旋時，帶動工作筒內調節機構轉動，調節機構由于螺紋結構作用帶動工作筒內層套管往下移動，閥內、外套間環空間隙減小，流量減小，此為正調；當測調儀調節爪反旋時，帶動工作筒內調節機構轉動，調節機構由于螺紋結構作用帶動工作筒內層套管往上移動，閥內、外套間環空間隙增大，流量增大，此為反調。

圖4 雙層油罐結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the double-layer oil tank

流量測試原理：流量測量采用注水油管中心流速式外磁電磁流量計，依據法拉第電磁感應定律，即導電性液體在油管中切割電磁流量計的磁力線時產生感應電動勢，其感應電動勢與導電液體流速、磁感應強度、導體寬度成正比。該感應電動勢由電磁流量計管壁上的兩對電極檢測到，通過運算就可以得到流量。

3）工具特點

①開發適用于閉式注水環境下的可視化在線測調技術，調配誤差＜2%。

②一趟電纜作業，無需反復投撈。

③可任意調節任意一級工作筒，不影響其它級正常注水。

④數據直接讀取，實現地面測調同步，測調效率和配注精度高。

⑤攻克了地熱水驅所需高溫高壓分層注水的技術難題，耐溫150℃，耐壓60MPa。

4）關鍵參數

外徑42mm，長度1650mm，流量測試范圍50m3/d～1200m3/d，耐溫等級150℃，耐壓等級60MPa。

2.3 雙層油管

雙層油管是工藝的重要組成部分，通過雙層油管實現了采水、注水獨立通道，從而實現了閉式環境下的分層注水工藝。雙層管式油管采油“4.5″套管+2-7/8″油管”組合：內管過流直徑59mm，環空當量過流直徑69.1mm，最小當量過流直徑53.5mm，雙層管式油管內管最大排量1800m3/d，雙層管式油管環空最大排量1500m3/d。

3 現場應用

南海M油田目前進入開發中后期階段，長期大排量開發導致地層能量補充慢，供液不足，需盡快補充能量，同時地面沒有配套注水設備，井槽緊張。針對以上問題，2020年9月在M油田的A20井成功實施閉式分層注水工藝，依據油藏需求及各注水層吸水能力情況，以優先保障韓江2-21層配注為調配目標，將韓江2-21層、韓江2-22A層水嘴全開，調配韓江2-15層、韓江2-17層水嘴，最終調配結果基本達到油藏配注要求，實現了自源閉式工藝的可視化分層注水。地層壓力整體回升約3MPa，地層壓力水平從最低的59%提升到71%，受效井日產油從60桶/天逐漸增加至170桶/天，增油量超過100桶/天；含水從98.3%逐漸降低至95.1%，含水降低3.2%，受效明顯。

表1 M油田A20井分層注水調配結果Table 1 The results of layered water injection in Well A20 in M Oilfield

4 結論

1）形成了自源閉式注水技術及配套管柱工藝、工具，解決了地面無注水設備平臺注水問題，補充地層能量，提高水驅開發效率。

2）形成了適用于閉式注水的轉向分流工具、可視化測調技術等系列工具，有效解決了閉式注水工藝注采通道轉向、精細化注水等難題。

3）通過海上現場實施，有效地對地層能量進行了補充，保障開發效果。自源閉式注水工藝技術，為海上油田開發提供經濟、高效、低碳的水驅開發解決方案。