雙通道智能分層注水工藝研究與應用

白鵬飛

（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

油田注水開發是當前眾多油田的主要開發方式之一。與陸地油田相比，海上油田注水井單井注入量大，但由于海上油田層間矛盾突出，造成各層段注入量不均問題非常明顯。以渤海油田為例，一口注水井中吸水能力較好的層段單日注入量可高達上千方，而吸水能力較差的層段單日注入量可低至十數方，注水井排量跨度較大，對注水工作筒提出了更高的要求。

目前現有的分層注水技術調配過程均需要人為干預[1-4]，投撈式配水器調配需要反復投撈配水器芯子進行人工更換水嘴[5,6]，邊測邊調配水器需要電纜作業配合人為控制井下水嘴開度[7,8]，自動測調配水器雖然可以以測試實際注水量與配注量的差值為依據對配水器水嘴開度自動進行相應的開大或關小，但是海上油田各層吸水量差異大，部分層段吸水能力有限，即使配水器水嘴全部打開也存在無法達到配注量的情況，此時自動測調配水器持續進行水嘴開度調節，需人為干預進行停止，現場應用效果并不理想[9-15]。

1 雙通道分層注水工具

針對現有產品存在的問題，設計一種海上油田注水井雙通道流量控制系統及方法，解決海上油田大測試范圍需求下的自動流量控制問題。將以往的注水井被動測調變為主動自動測調，適用于海上油田大測試范圍的分層注水測試、調配，利用不同排量的兩個工具，實現雙通道智能分層注水。

1.1 工作原理

雙通道智能分層注水控制系統將信號電纜作為系統電力及信號的傳輸介質，設計有兩個內通徑大小不同的測控過流通道。兩個過流通道的下端連通，并通過測調水嘴的閥芯軸向位置變化，實現出水口與過流通道的調節，同時實現出水口與過流通道之間過流面積的調控，達到海上油田注水井分層注水量10m3/d～1000m3/d流量精確測控的目的。

雙通道智能分層注水控制系統測控電路由采集模塊、水嘴調節模塊和控制模塊組成，在控制模塊的協調控制下可完成分層注水數據的自動采集和水嘴開度自動調節；地面綜合診斷分析控制儀設有分析處理模塊、存儲模塊和發解碼模塊，通過信號電纜與配水器的測控電路的發解碼模塊連接。地面綜合診斷分析控制儀和雙測控通道配水器雙向通訊，一方面實時接收雙測控通道配水器采集的分層注水數據，根據實時注水數據進行自動分析并給出優化的水嘴開度數據；另一方面，將水嘴開度數據與調控指令下發給雙測控通道配水器，并實時監測雙測控通道配水器的分層注水量和水嘴調控過程，指導雙測控通道配水器水嘴自動調節，實現智能注水。

有纜測調工作筒下井到位后，管柱內的水流經過接頭流入儀器。在儀器內部水流分為兩部分：一部分經過流管流向下層，一部分經過儀器內部流量計和水嘴后流入本層。本層流量流經流量計便可完成流量測量，水嘴開度可調節，用于調節注水流量。

儀器的上、下接頭分別用于連接油管管柱。儀器內部的螺環組件主要用于兩端連接電纜；電路板組件用于采集和處理各傳感器數據，并將數據通過電纜發送至地面，同時用于接收地面指令；水嘴用于注水開關機流量調節；流量計用于計算本層注入流量。電路板組件內還設計了壓力、溫度傳感器，用于測量油管壓力、底層壓力和儀器的環境溫度，壓力傳感器同時可用于封隔器的驗封。

1.2 技術指標

有纜測調工作筒的技術指標見表1。有纜測調工作筒可測量當前注水層的流量、流量測量范圍為60m3/d~500 m3/d，有纜測作筒可測量注水壓力、地層壓力，壓力測量范圍為0 MPa～60 MPa，溫度測量范圍為0℃～120℃。

表1 3.88″有纜測調工作筒技術指標Table 1 Specifications of 3.88″ cabled test and adjustment mandrel

1.3 工具特點

1）適用范圍廣。目前可實現深井、多層細分注水的海上開發井，不受井斜限制，單層排量范圍大，適用于各種井型。

2）安全性高。雙通道智能分層注水工藝完全采用成熟的控制機構及測試機構，井下工具穩定性高。

3）滿足寬量程需求。通過雙通道設置，分別滿足了單層大排量及小排量精細測試的需求，單只儀器適用量程范圍廣，排量范圍可達60 m3/d～500 m3/d，對海上油田精細化注采具有重大意義。

2 雙通道排量節流壓差有限元分析與試驗

雙通道有纜智能測調工作筒采用大小通道分別實現了不同排量的測試，因此針對不同通道的節流件進行有限元分析模擬，驗證通道的節流壓差，滿足現場節流需求。

根據工作筒內過流通道的設計尺寸，提取出儀器流道，并導入FLUENT中流量計流道結構。對流道模型進行網格劃分，對孔板及出水口部分網格進行細化。在入水口和出水口分別設置壓力作為邊界條件，模擬儀器進出口條件。分別計算各邊界條件下的流量，流量數據見表2。

利用表2中的數據繪制流量壓損關系曲線，如圖1。壓差與流量呈近似二次曲線管線關系。

圖1 流量壓損關系曲線Fig.1 Flow pressure loss relationship curve

表2 流量通道邊界條件與計算流量Table 2 Flow channel boundary conditions and calculated flow

在有限元分析的基礎上對某支儀器進行實際流量壓損數據標定，分別記錄孔前、孔后壓力數據、流量數據等，數據記錄見表3。

通過對表3數據分析，流量標定曲線如圖2。試驗表明，壓差與流量的平方成正相關關系，擬合公式為：

圖2 流量檢定曲線Fig.2 Flow verification curve

表3 計算流量和標定臺流量Table 3 Calculated flow and calibration bench flow

其中，P為壓差，Pa；Q為流量，m3/d。

根據擬合公式，計算當排量小于536.45m3/d，壓力損失小于1Mpa，滿足單層注入500m3/d的設計要求。

3 現場應用

雙通道智能分層注水工藝技術在渤海油田已現場應用20余井次，滿足了不同排量的需求，每口井調配層數≥2，調配精度滿足油藏需求，為精細注水提供了重要技術保障。以X-01井為例，該井分5層注水，配注量為1216 m3/d，更換為智能分注管柱后，利用雙通道有纜智能測調工作筒，經過分層調配作業實際注入量為1228 m3/d，單層最大注入誤差為2.63%，均在允許誤差范圍內。X-01井配注量與實際注入情況見表4。

表4 X-01井注入情況Table 4 Injection of well X-01

4 結論

1）大排量分層注水技術，滿足了大排量注入需求，又同時滿足了小排量精細注水的需求，單個工作筒可滿足60m3/d～500m3/d注入需求。

2）通過有限元分析及現場試驗表明，單層排量為536.45 m3/d，壓力損失小于1 MPa，滿足單層注入500 m3/d的設計要求。

3）現場應用表明，雙通道智能分層注水管柱工具可靠，配注量與實際注入量誤差較小，滿足現場分注需求，為全面實現渤海油田智能測調提供了解決思路。