趙廣淵，季公明，蘇毅，王春林，郭宏峰，楊樹坤

(1.中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部，天津 300459； 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

渤海油田由于平臺作業(yè)窗口緊張、定向井數(shù)多且井斜大等原因，采用鋼絲/電纜作業(yè)進行分層注水量調配的常規(guī)注水技術適用性日益變差[1-6]，由于通過地面調節(jié)井下液控智能配水器水嘴開度的智能注水工藝操作可靠、調配方便[7-9]，已在渤海油田超過30井次的分注井中推廣應用。

根據(jù)配注方案準確設置不同尺寸水眼的水嘴排列組合機構是該工藝技術應用成功的關鍵。通過調節(jié)水嘴開度改變注入水流過水嘴的節(jié)流壓差，從而實現(xiàn)各層注水量的調配[10-12]。由于水嘴是預先設置集成在配水器內，若水嘴尺寸設計偏大，則節(jié)流壓差偏小，可能導致層位超注且流量調節(jié)范圍將偏小；若水嘴尺寸設計偏小，則節(jié)流壓差偏大，可能導致層位欠注，影響注水開發(fā)效果[13-14]。目前液控智能配水器的水嘴設計主要基于經驗，無相關系統(tǒng)方法。筆者結合平臺注入條件、管柱結構、油藏各層吸水能力等影響因素，以最為典型的3層分注為例，提出一種水嘴尺寸優(yōu)化設計方法。

1 液控智能注水技術介紹

1.1 技術原理及特點

液控智能注水技術系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)、可穿越控制管線的層間封隔系統(tǒng)和液控智能配水器組成。地面控制系統(tǒng)通過液壓管線控制井下各層液控智能配水器的水嘴開度，實現(xiàn)地面或遠程對井下各層注水量的調控，從而達到分層配注量要求。該技術的主要特點有：

(1)分層調配無需鋼絲或電纜作業(yè)，測調效率高，減少作業(yè)綜合成本，滿足大斜度井、水平井、深井的作業(yè)需求；

(2)通過解碼器“3-2”或液壓N+1兩種模式進行調控，最多可實現(xiàn)10級開度調節(jié)，流量可調范圍大；

(3)液壓推力大，相比電纜控制的智能注水方式，更適應井下復雜條件；

(4)地面可實現(xiàn)手動、自動一體化控制，操作快捷、方便。

1.2 液控智能配水器結構及工作原理

液控智能配水器采用液壓控制調節(jié)方式，推力大，能適應井下復雜工況，其通過萬向截止輪機構進行節(jié)點控制，實現(xiàn)井下各層注水量調節(jié)。

液控智能配水器的結構如圖1所示。上接頭帶有液壓油通道，外端與液壓管線連線，內端與上內筒、上外筒通過螺紋連接，與活塞形成環(huán)形液壓缸?；苍诨钊耐苿酉驴梢宰杂苫瑒?。中間套上端與上內筒通過螺紋連接，下端與水嘴套筒通過螺紋連接，水嘴套筒下端又通過螺紋與下內筒連接，形成固定內部結構。銷釘安裝在滑筒上，可以在中間套上的J形槽(如圖2所示)中滑動。下接頭內部帶有液壓油通道，外端與液壓管線連接，內端分別與下內筒和下外筒通過螺紋連接。

圖1 液控智能配水器結構示意圖

圖2 液控智能配水器J形槽結構平面圖

水嘴套筒上分布有直徑不同的水嘴，在上、下活塞推動下，滑筒帶動銷釘上、下滑動，銷釘?shù)竭_J形槽的設計位置時，滑筒上的過水口與水嘴套筒上的某個水嘴對準，通過調節(jié)銷釘在J形槽中的位置，改變與滑筒過水口對準的水嘴，從而調節(jié)液控智能配水器的出水量，最終實現(xiàn)從地面對井下各層注水量的實時調控。

2 預置水嘴尺寸優(yōu)化設計方法

根據(jù)油藏注采動態(tài)預測給出各層配注量范圍，結合各層注水指示曲線，以3層分層注水為例，計算得到各層液控智能配水器井下預置水嘴的尺寸范圍。

2.1 可獲取單層注水指示曲線

注水井各層配注量范圍為：1#層，(q1min，q1max)；2#層，(q2min，q2max)；3#層，(q3min，q3max)，其中，qimin為第i(i=1， 2， 3)層的最小注水量，qimax為第i(i=1，2，3)層的最大注水量。

各層吸水能力一定的情況下，各層注水量層間差異最大的情況有8種組合，將這8種配注制度記為：

{q1max，q2max，q3max;q1max，q2max，q3min;

q1max，q2min，q3max;q1max，q2min，q3min;

q1min，q2max，q3max;q1min，q2max，q3min;

q1min，q2min，q3max;q1min，q2min，q3min}

(1)

每種配注制度對應1個井口總流量，8種配注制度對應的井口總流量記為：

{Q總1，Q總2，Q總3，Q總4，Q總5，Q總6，Q總7，Q總8}

(2)

考慮注水過程中的沿程壓力損失、局部壓力損失，各層的嘴前壓力為[15]：

Pi嘴前=P井口+Pi 靜液-Pi 沿程-Pi 局部

(3)

式中：Pi嘴前、Pi靜液、Pi沿程、Pi局部分別為第i層的嘴前壓力、靜液柱壓力、沿程壓力損失和局部壓力損失，MPa；P井口為井口注水壓力，MPa；計算時取P井口=0.8Pmax，Pmax為考慮注水各節(jié)點壓力損失和地層破裂壓力時的井口安全注水壓力[16-18]。

通過式(1)～式(3)計算得到8種配注下各層的嘴前壓力Pi嘴前。

根據(jù)各層的注水指示曲線資料，計算得到各層配注量極限值對應的地層注入壓力，即嘴后壓力Pi嘴后，那么，(q1min，q1max)對應(P1嘴后min，P1嘴后max)，(q2min，q2max) 對應(P2嘴后min，P2嘴后max)，(q3min，q3max) 對應(P3嘴后min，P3嘴后max)。

式(1)的8種配注制度下對應的各層嘴后壓力為:

{P1嘴后max，P2嘴后max，P3嘴后max；P1嘴后max，P2嘴后max，P1嘴后min；

P1嘴后max，P2嘴后min，P1嘴后max；P1嘴后max，P2嘴后min，P1嘴后min；

P1嘴后min，P2嘴后max，P1嘴后max；P1嘴后min，P2嘴后max，P1嘴后min；

P1嘴后min，P2嘴后min，P1嘴后max；P1嘴后min，P2嘴后min，P1嘴后min}

(4)

注入水通過液控智能配水器的水嘴，嘴損與流量關系符合[19-20]：

(5)

式中:K為嘴損常數(shù)，與水嘴排布方式和形狀有關；di為第i層水嘴的當量直徑，mm。

根據(jù)式(4)、式(5)可求得第i層井下預置水嘴的8個當量直徑din(n=1，2，…，8)，得到第i層水嘴的最小當量直徑dimin和最大當量直徑dimax。再根據(jù)水嘴調節(jié)級數(shù)N，在dimin～dimax之間均勻地選擇(N-2)個當量直徑，組成第i層的N個水嘴當量直徑。

2.2 無單層注水指示曲線

渤海油田平臺空間有限，相對陸地油田油水井測試作業(yè)成本高，多數(shù)注水井缺少吸水剖面測試資料[21]，在此提出一種預設各層嘴后壓力，通過遍歷計算每種情況下的水嘴當量直徑，求得各層的水嘴當量直徑范圍。

分層注水時，各層的最大嘴后壓力為：

Pi嘴后max=P井口max+Pi靜液

(6)

式中：P井口max為最大井口注水壓力，MPa。

根據(jù)礦場實踐經驗，渤海油田液控智能注水最大可調的層間壓差為5 MPa，注水層配注量上下限對應的最大壓差為3 MPa，那么各層最小嘴后壓力為：

Pi嘴后min=Pi嘴后max-3

(7)

且需滿足以下條件：

|Pi嘴后max-Pj嘴后min|≤5

(8)

式中：Pi嘴后、Pj嘴后分別代表第i、j層的嘴后壓力，且i≠j。

根據(jù)式(6)～式(8)預設出各層的Pi嘴后min和Pi嘴后max，采用2.1中所述的同樣計算方法，即可計算得到8種配注制度下各層的8個水嘴當量直徑din。

在預設初始值的基礎上，以0.5 MPa為步長，遍歷各層的嘴后壓力范圍(Pi嘴后min，Pi嘴后max)。

最后，在各層的一系列水嘴當量直徑中選出dimin和dimax，作為各層的水嘴當量直徑設計范圍，然后給出各層的N級水嘴當量直徑。

3 預置水嘴尺寸優(yōu)化設計軟件

依據(jù)預置水嘴尺寸優(yōu)化設計方法，編制了預置水嘴尺寸優(yōu)化設計軟件。軟件計算流程如圖3所示。軟件輸入模塊包括注水井參數(shù)、注水參數(shù)、計算設定參數(shù)3個子模塊。注水井參數(shù)包括注水井井深、井斜、管柱結構數(shù)據(jù)等基礎信息；注水參數(shù)包括分注層數(shù)、井口最大注入壓力、各層配注量；計算設定參數(shù)包括嘴后壓力初始值、嘴后壓力步長、配水器調節(jié)級數(shù)。

圖3 預置水嘴設計軟件計算流程

軟件輸出模塊可計算輸出各層的水嘴當量直徑，并根據(jù)當量直徑優(yōu)化設計出水嘴孔徑和孔數(shù)，同時具有嘴損曲線繪制及嘴損計算等功能，節(jié)省了人工計算工作量。

4 應用實例

渤海油田某油井A13井轉注后分3層注水，該井井口最大注入壓力為12 MPa，根據(jù)油藏注采動態(tài)預測，該井各層配注量范圍如表1所示。

表1 A13井分層配注數(shù)據(jù)

該井轉注作業(yè)時，未測試各層吸水剖面，計劃實施液控智能注水，采用10級調節(jié)液控智能配水器，利用預置水嘴尺寸優(yōu)化設計軟件設計水嘴，結果如表2所示。

表2 A13井各層水嘴配置數(shù)據(jù)

液控智能注水管柱入井后進行分層調配，調配結果如表3所示。

表3 A13井分層調配結果1

2個月后，由于第2注水層對應的新油井投產，需要加大該層位注水量，配注量調整為480 m3/d，補充地層能量；第3注水層對應油井含水上升較快，限制該層注水，配注量調整為110 m3/d。分層調配結果如表4所示。

表4 A13井分層調配結果2

通過2次分層調配發(fā)現(xiàn)，2次配注量有較大變化，設計的預置水嘴尺寸能滿足分層調配需求，對大幅度調整配注量有較好的適應性。

目前，該設計方法在渤海油田應用19井次，經過68井次測調作業(yè)，層段合格率超過85%，證明該水嘴尺寸優(yōu)化設計方法的合理性和有效性。

5 結論

(1)以3層分層注水為例，根據(jù)油藏各層配注量范圍，針對注水井有吸水剖面測試資料和無吸水剖面測試資料2種情況，提出了液控智能注水工藝井下預置水嘴尺寸的優(yōu)化設計方法。

(2)依據(jù)預置水嘴尺寸優(yōu)化設計方法編制了預置水嘴尺寸優(yōu)化設計軟件，利用該軟件設計的預置水嘴尺寸對液控智能注水分層配注具有較好的適應性。目前該方法在渤海油田應用19井次，層段合格率超過85%，證明了該水嘴尺寸優(yōu)化設計方法的合理性和有效性。