王現(xiàn)鋒 王良杰 于繼飛 楊萬有 羅昌華 張鳳輝 王 柳

（1．中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452； 2．中海油研究總院 北京 100028）

渤海油田高壓差注水井兩層分注工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用＊

王現(xiàn)鋒1王良杰1于繼飛2楊萬有1羅昌華1張鳳輝1王 柳1

（1．中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452； 2．中海油研究總院 北京 100028）

根據(jù)渤海油田完善注采井網(wǎng)需要，部分采油井轉(zhuǎn)注后需上返射孔防砂完井，實(shí)現(xiàn)2個(gè)層段的分層注水，但由于兩注水層層間壓差較大，層間干擾大，實(shí)際操作調(diào)配難度大，常規(guī)注水工具無法滿足配注要求?；诓澈Ｓ吞锔邏翰钭⑺畠蓪臃肿⒁螅O(shè)計(jì)了配水工作筒及配套的配水器芯子，提出了高壓差注水井兩層分注工藝。渤海中部某油田A井應(yīng)用表明，本文提出的高壓差注水井兩層分注工藝可以實(shí)現(xiàn)較大壓差注水井的兩層分注，提高注水驅(qū)油效能，能夠成為渤海油田注水井提質(zhì)增效新的有效手段。

渤海油田；高壓差；注水井；兩層分注；工藝設(shè)計(jì)；配水工作筒；配水器芯子

渤海油田是以注水開發(fā)為主的油田，以明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組、沙河街組四套層系同時(shí)開發(fā)，層間物性差異較大，需要分層注水。分層注水是保持地層壓力、提高原油采收率的重要手段，是實(shí)現(xiàn)渤海油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要方式和主要手段［1－3］。為進(jìn)一步提高采收率，完善注采井網(wǎng)，平衡注采關(guān)系，渤海油田需要對部分采油井進(jìn)行轉(zhuǎn)注，轉(zhuǎn)注后實(shí)施上返射孔防砂完井，實(shí)現(xiàn)2個(gè)層段的分層注水，但由于兩注水層層間壓差較大（15 MPa以上），層間干擾大，實(shí)際操作調(diào)配難度大，常規(guī)的水嘴式分注工具無法滿足配注要求［4－9］。

從工藝原理上來說，目前渤海油田利用同心雙管分注工藝可實(shí)現(xiàn)高壓差注水井兩層分注［10］，該分注方式由于2個(gè)注入壓力通道獨(dú)立，可徹底避免層間干擾，但是存在如下問題：①大、小油管環(huán)空之間缺少安全控制裝置，現(xiàn)有的環(huán)空安全閥無認(rèn)證資質(zhì)，與日益增強(qiáng)的海上安全操作要求不符；②需要改造井口，加工特殊井口裝置工作量大、人工成本較高；③雙層油管下入，物料成本也較高。針對以上問題，結(jié)合渤海油田注水井自身井況特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)了高壓差注水井兩層分注工藝，解決了水平井高壓差兩層分注難題，為渤海油田水平井分注提供了一種新思路。

1 高壓差注水井兩層分注工藝設(shè)計(jì)

1．1 設(shè)計(jì)原則

為降低用井成本，實(shí)現(xiàn)一口井滿足不同油組的注水需求，從井下管柱／工具的工藝角度出發(fā)，提出了高壓差注水井兩層分注工藝技術(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循以下原則：

1）滿足海上油田大斜度井和水平井采用鋼絲作業(yè)進(jìn)行分注的前提；2）解決海上油田注水井高壓差下兩層分注的難題；3）能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、工藝可靠，成本低的大環(huán)境需求。

1．2 配水工作筒與配水器芯子設(shè)計(jì)

1．2．1 配水工作筒

1）結(jié)構(gòu)組成。所設(shè)計(jì)的配水工作筒主要由定位筒總成、上工作筒、連接筒和下工作筒等組成（圖1），定位于防砂封隔器內(nèi)部，其作用是密封及層間封隔。該配水工作筒最大外徑139．7 mm，總長1 982 mm，最小內(nèi)徑62 mm，中心孔內(nèi)設(shè)有不同尺寸的止落定位臺(tái)階和鎖定機(jī)構(gòu)，用于配合不同規(guī)格的配水器芯子，實(shí)現(xiàn)配水器芯子與工作筒之間的密封配合。其中，下工作筒內(nèi)設(shè)有橋式通道，平衡上下壓差，可保證配水器芯子的順利打撈。

圖1 配水工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Scheme of injection barrel structure

2）適用特點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的配水工作筒適用于定向井（包括大斜度井、水平井）可鋼絲投撈作業(yè)兩層分注工具，將該工作筒置于井內(nèi)可投撈位置（井斜小于60°處），可解決鋼絲／電纜作業(yè)因井斜較大不能分注的難題，能夠?qū)崿F(xiàn)海上油田防砂完井水平注水井分兩段注入和測試調(diào)配要求；同時(shí)，配水工作筒上的橋式通道及定位臺(tái)階可以保證兩層分注的可靠性與精確性。

1．2．2 配水器芯子

1）結(jié)構(gòu)組成。所設(shè)計(jì)的配水器芯子與工作筒密封配合，實(shí)現(xiàn)雙通道分層注水，其本體設(shè)有密封件UT盤、多級水嘴、彈性爪及定位臺(tái)階等結(jié)構(gòu)（圖2），最大外徑63 mm，總長2 747 mm。該配水器芯子上水嘴組可裝水嘴1～8個(gè)，可實(shí)現(xiàn)1～8級水嘴的軸向串聯(lián)安裝，具體串聯(lián)個(gè)數(shù)可根據(jù)所需壓降值和配注量確定，每級水嘴直徑2～7 mm（級差0．2 mm），可實(shí)現(xiàn)多級水嘴逐級降壓，有效控制壓降；而下水嘴組可裝水嘴1～6個(gè)，側(cè)壁徑向安裝，其安裝個(gè)數(shù)由所需配注量決定，且流量可實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)。

圖2 配水器芯子結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Scheme of injection mandrel structure

2）多級水嘴確定。在滿足高壓層注入條件的前提下，實(shí)現(xiàn)低壓層的降壓增注是該工具的主要難點(diǎn)，也是技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。配水器芯子上水嘴組采用多級水嘴串聯(lián)，逐級降壓，可有效控制壓降，減少水嘴處沖蝕；配水器芯子下水嘴組徑向安裝，可裝多級控制水嘴，流量調(diào)節(jié)范圍大；兩組水嘴配合使用，可實(shí)現(xiàn)高壓差下的分層調(diào)配。

多水嘴逐級降壓分層調(diào)配技術(shù)采用同一配注層段可軸向串聯(lián)安裝多個(gè)水嘴（安裝個(gè)數(shù)視具體壓降數(shù)決定）進(jìn)行水量調(diào)配，注水作業(yè)時(shí)安有水嘴的配水器芯子下入深度為1 000多米，注水壓力均大于1 MPa，且注水壓力較為穩(wěn)定，水嘴孔徑與下入深度的比值遠(yuǎn)大于1／10。結(jié)合水嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，水嘴壓力損失、水嘴流量與水嘴過流面積滿足式（1）：

式（1）中：Δp 為水嘴壓力損失，MPa；Q 為水嘴流量，m3／d，多個(gè)水嘴時(shí)為流經(jīng)各個(gè)水嘴的流量之和；A為水嘴總過流面積，mm2。單個(gè)水嘴時(shí)d2，其中d為水嘴直徑，mm；多個(gè)水嘴時(shí)A為各水嘴過流面積之和，各水嘴直徑可以不同。

1．3 工藝管柱設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的高壓差注水井兩層分注工藝管柱主要包括油管、定位旁通、頂部封隔器、插入密封、配水器芯子、配水工作筒、隔離封隔器、水力錨、帶孔管、圓堵、變扣等，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。下入封隔器、配水工作筒和插入密封等注水管柱實(shí)現(xiàn)層間封隔，注入液一部分經(jīng)多級串聯(lián)水嘴組進(jìn)入上層，其余部分經(jīng)多級徑向水嘴組、密封筒環(huán)空和連接油管進(jìn)入下層，實(shí)現(xiàn)高低壓差下的兩層分注。其中，配水器芯子與配水工作筒實(shí)現(xiàn)定位配合，配水器芯子上裝有上、下水嘴組，上水嘴組由1～8級水嘴串聯(lián)組成（圖4），通過不同型號的水嘴組合可實(shí)現(xiàn)多級水嘴逐級降壓，有效控制壓降，減少水嘴處沖蝕，實(shí)現(xiàn)高壓差下分層調(diào)配；下水嘴組由6個(gè)水嘴并聯(lián)組成，可實(shí)現(xiàn)大排量下的分層注入。

圖3 高壓差兩層分注工藝管柱示意圖Fig．3 Scheme of two separated layers injection pipe in high pressure contrast

圖4 多級水嘴降壓局部示意圖Fig．4 Scheme of multi－grade depressurization water nozzle

1．4 工藝流程設(shè)計(jì)

實(shí)施高壓差注水井兩層分注工藝的前提是采用鋼絲作業(yè)形式，具體流程如下：

1）正常配注作業(yè)。井口自由投入配水器芯子，坐落于配水器工作筒定位臺(tái)階處，配水器芯子上水嘴組（1～8級水嘴可根據(jù)需要自由組合）與配水器工作筒出水孔對應(yīng)配合，一部分液體經(jīng)此注入上層油組，另一部分液體經(jīng)配水工作筒上的橋式通道、配水器芯子上的過流通道進(jìn)入下水嘴組，并通過油管組合注入下層油組，從而實(shí)現(xiàn)兩層分注。

2）層間分隔。連接管柱，依次下入封隔器、插入密封和配水工作筒等配套工具，且配水工作筒放置于井斜小于60°位置（配水器芯子可投撈，超過60°無法實(shí)現(xiàn)投撈），插入密封配管至原井頂部封隔器密封筒內(nèi)，注入液一部分經(jīng)多級串聯(lián)水嘴組進(jìn)入上層，其余部分經(jīng)多級徑向水嘴組、密封筒環(huán)空和連接油管進(jìn)入下層，實(shí)現(xiàn)高低壓差下的兩層分注。

3）分層測試。鋼絲投撈下入分層驗(yàn)封儀進(jìn)行層間驗(yàn)封，分別測試上、下兩層吸水指數(shù)曲線。

4）分層調(diào)配。根據(jù)分層指數(shù)曲線選配水嘴，投撈配水器芯子，進(jìn)行層間配注。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

渤海中部某油田A井由于生產(chǎn)需要擬在明化鎮(zhèn)組和沙河街組實(shí)施兩層分注作業(yè)。A井注水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，該井明化鎮(zhèn)組和沙河街組兩注水層層間壓差達(dá)15．3 MPa，高壓差導(dǎo)致層間干擾大，造成調(diào)配困難，常規(guī)注水工具無法滿足配注要求。因此，在滿足沙河街組配注壓力25 MPa要求的同時(shí)須兼顧明化鎮(zhèn)組配注壓力9．7MPa的要求，需要對上層進(jìn)行降壓配注。

表1 渤海某油田A井注水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Table 1 Basic water injection data of Well A in Bohai oilfield

應(yīng)用本文提出的高壓差注水井兩層分注工藝，需要根據(jù)壓降確定上注水組串聯(lián)水嘴級數(shù)。

1）上注水組為單個(gè)水嘴。注水流量150 m3／d情況下，要實(shí)現(xiàn)15．3 MPa壓降，由式（1）可計(jì)算流經(jīng)單個(gè)水嘴面積為9．19 mm2，水嘴當(dāng)量直徑為3．42 mm。根據(jù)牛頓流體水力計(jì)算公式可得此時(shí)流經(jīng)水嘴的流速高達(dá)189 m／s。因此，若使用單個(gè)水嘴實(shí)現(xiàn)15．3 MPa壓降，理論上只需配備一個(gè)直徑3．42 mm 水嘴即可，但水嘴流速高達(dá)189 m／s，將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的水嘴沖蝕現(xiàn)象，故不能采用單個(gè)水嘴。

2）上注水組為多級水嘴。要實(shí)現(xiàn)15．3 MPa壓降，可在2～8級水嘴中選擇。水嘴選擇的原則有3個(gè)：一是最大流量時(shí)盡量使每個(gè)水嘴壓損保持在3．5MPa以下，可減小水嘴流速，有效防止沖蝕現(xiàn)象發(fā)生；二是盡量選用直徑較大的水嘴，避免由于注入水雜質(zhì)造成水嘴堵塞；三是若用少量水嘴級數(shù)能滿足高壓差注入需求就不采用多級水嘴設(shè)計(jì)，提高工具的整體可靠性，減少不必要的風(fēng)險(xiǎn)。表2～4分別給出了注水流量150 m3／d、壓降15．3 MPa情況下該井5、6、8級水嘴串聯(lián)選配計(jì)算結(jié)果。結(jié)合水嘴選擇原則，優(yōu)選了表3水嘴選配方案。該井投產(chǎn)后兩注水層均滿足地層配注要求，現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明相關(guān)受益井日產(chǎn)油量顯著提高（表5），達(dá)到了預(yù)期目的。

表2 渤海某油田A井上注水組5級水嘴串聯(lián)選配計(jì)算結(jié)果（注水流量150 m3／d、壓降15．3 MPa情況下）Table 2 Series matching results of 5upper water nozzles size of Well A in Bohai oilfield（water injection flow150 m3／d，pressure drop 15．3 MPa）

表3 渤海某油田A井上注水組6級水嘴串聯(lián)選配計(jì)算結(jié)果（注水流量150 m3／d、壓降15．3 MPa情況下）Table 3 Series matching results of 6upper water nozzles size of Well A in Bohai oilfield（water injection flow150 m3／d，pressure drop 15．3 MPa）

表4 渤海某油田A井上注水組8級水嘴串聯(lián)選配計(jì)算結(jié)果（注水流量150 m3／d、壓降15．3 MPa情況下）Table 4 Series matching results of 8upper water nozzles size of Well A in Bohai oilfield（water injection flow150 m3／d，pressure drop 15．3 MPa）

表5 渤海某油田A井注水配注量及受益井效果對比Table 5 Comparison table of water injection quantity and beneficial effects of Well A in Bohai oilfield

3 結(jié)論

基于渤海油田高壓差注水井兩層分注要求，設(shè)計(jì)了配水工作筒及配套的配水器芯子，提出了高壓差注水井兩層分注工藝，有效解決了渤海油田注水井層間壓差較大而無法進(jìn)行兩層分注的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了不同注水層段的高壓差分層注水，避免了高壓差注水井一貫采用多管分注工藝的方式，為渤海油田注水井提質(zhì)增效提供了一種新的有效手段。

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Development and application of two－layer injection technology for high pressure－contrast wells in Bohai oilfield

WANG Xianfeng1WANG Liangjie1YU Jifei2YANG Wanyou1LUO Changhua1ZHANG Fenghui1WANG Liu1
（1．CNOOC EnerTech －Drilling ＆ Production Co．，Tianjin 300452，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing100028，China）

According to the requirements of offshore well pattern optimization，well completion with a sand control mechanism is necessary in the injection wells which are converted－producers to implement two－separate－layer injection．For the high pressure－contrast wells，there is a big difference between the injection pressures of the two layers and serious disturbance in the layers will occur，which makes the smooth injection difficult．At present，the traditional injection technology is not appropriate for water injection in these wells．Based on the requirements of the injection in high pressure－contrast wells in Bohai oilfield，an injection mandrel as well as a corresponding injection barrel were designed and the separate injection technology was proposed for these wells．The technology was successfully applied in Well A，a well of this kind，in Bohai oilfield，indicating that it can improve the flooding efficiency and represent an effective method for enhancing the performance of injection wells in Bohai oilfield．

Bohai oilfield；high pressure－contrast；injection well；two－layer injection；process design；injection mandrel；injection barrel

TE357．6＋2

A

王現(xiàn)鋒，王良杰，于繼飛，等．渤海油田高壓差注水井兩層分注工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．中國海上油氣，2017，29（5）：114－118．

WANG Xianfeng，WANG Liangjie，YU Jifei，et al．Development and application of two－layer injection technology for high pressure－contrast wells in Bohai oilfield［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：114－118．

1673－1506（2017）05－0114－05

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．016

＊“十三五”國家科技重大專項(xiàng)“海上稠油油田高效開發(fā)鉆采技術(shù)”子課題“海上高效注采系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究（編號：2016ZX05025－002－005）”部分研究成果。

王現(xiàn)鋒，男，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)從事海上采油工藝研究工作。地址：天津市塘沽區(qū)濱海石油新村研究院主樓一樓（郵編：300452）。E－mail：wangxf10＠cnooc．com．cn。

2016－12－13 改回日期：2017－03－15

（編輯：孫豐成）