第四代分层注水技术内涵、应用与展望

刘合，裴晓含，贾德利，孙福超，郭桐

（中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083）

第四代分层注水技术内涵、应用与展望

刘合，裴晓含，贾德利，孙福超，郭桐

（中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083）

针对目前分层注水技术存在的问题及生产需求，开展了第 4代分层注水技术研究，介绍了其内涵、核心工具及核心技术，分析了现场应用情况，并进行了技术发展展望。第 4代分层注水技术内涵为实现注水井单井分层压力和注水量的数字化实时监测，实现区块和油藏注水动态监测的网络信息化，实现注水方案设计与优化和井下分层注水实时调整为一体的油藏、工程一体化。研发了作为核心工具的一体化配水器，开发了层段流量检测、配注量调整等关键技术，并开展了区块试验，达到了预期效果。为进一步满足生产要求，对井下层段流量检测、井筒无线通信、井下自发电和易损部件投捞技术等核心环节仍需持续攻关，并加强与油藏工程的有机结合，形成可持续支撑水驱开发的、系统的、完善的第4代分层注水技术。图11参14

水驱开发；油藏工程；分层注水；注水合格率；电缆测调；流量检测

0 引言

水驱开发是中国油田的主要开发方式，大庆油田依靠注水开发保持27年5 000×104t稳产，目前仍有67%产量来自水驱，长庆油田98%以上产量来自水驱[1-3]。水驱开发的油田，其水驱采收率取决于注入水的驱油效率和波及体积。对于一个具体油田，即在储集层孔隙结构、流体与岩石表面性质一定的情况下，如果不改变注入水的物理化学性质，在一定注入孔隙体积倍数时，驱油效率基本上不会有大的变化[4-5]。因此，提高水驱采收率的关键在于扩大注入水的波及体积，这对非均质多油层油田尤为重要。

中国油田非均质性普遍，开发对象物性差异大，平面和层间矛盾突出，油层动用不均衡，为实现稳油控水，注入方式采用分层注入。分层注水的目的是通过层间结构调整与层内结构调整实现对薄差层与厚油层的进一步挖潜。层间结构调整主要通过注水井精细注水、采油井精细开采使层间各类油层得到均衡动用；层内结构调整主要利用层内相对稳定的结构界面进行层内细分调整，通过对现有注水层段进一步细分，减少“段内小层数和段内射开厚度”，即针对各油层不同的渗透性能，采用不同的配水量进行注水。分层注水是提高原油采收率和改善油田开发效果的主要途径之一。

中国石油分层注水技术经过60多年的发展，形成了以固定式、钢丝投捞式、电缆测调式为代表的 3代分层注水技术，在支撑油田持续高产稳产、提高水驱采收率等方面发挥了重要作用。但与油田开发初期确立的目标还有很大差距，尤其是针对以大庆油田中高渗油藏高含水、长庆油田特低渗油藏中高含水开发阶段为代表所面临的注采关系复杂、驱替场动态变化频繁等问题，现有工艺技术与生产需求、油藏分析数据支撑间的矛盾还较为突出。因此，发展了第 4代精细分层注水技术，使分层注水工艺向数字化、自动化和集成化方向发展，实现油藏、工程一体化，其核心是实现层段注入参数全过程实时监测和自动调整，实现边注边测边调。利用监测的实时连续数据为精细油藏分析提供有效数据支持，从而增强措施的针对性和合理性，实现精细注水；利用层段实时自动调整功能保障注水合格率，实现有效注水。该套技术从提高地质分析精度和注水合格率上保障注入水的波及体积，进一步提高水驱开发效果。

1 分层注水技术发展历程

中国油田储集层中 92%为陆相碎屑岩沉积，纵向非均质性强，水驱开发过程中注入水易沿高渗层水窜，在20世纪60年代提出并开展了分层注水工艺的研究。发展至今，出现了一系列分层注水工艺及配套技术，形成了以固定式、偏心投捞式、电缆测调式为代表的3代分层注水技术。调整方式从起下管柱调整发展到投捞水嘴调整、地面直读测调，资料录取从单参数发展到多参数，从卡片划线发展到电子存储、地面直读[6]。分层注水管柱从固定式分层注水[7]、活动式分层注水[8]、常规偏心分层注水发展到同心集成分层注水[9]、桥式偏心分层注水[10]，配套测调技术从钢丝投捞发展到钢管电缆直读测调[11-14]。

1.1 固定式分层注水

20世纪60年代初期，研究应用了475-8水力压差式封隔器、745-4固定式配水器、循环凡尔、测试球座及配套的验封、分层测试为主要内容的固定式分层注水工艺，也是首次实现了多层段的定量注水。该工艺的核心是研发了475-8水力压差式封隔器，为中国最早自主研发的封隔器，成为了油田水驱开发的转折点。层段测试时采用投球法进行分层流量测试；层段注入量调整时需要起出井下管柱，在地面更换配水器水嘴。该工艺在大庆油田得到了广泛应用。

1.2 钢丝投捞式分层注水

随着油田开发面积不断扩大，注水井数随之增加，含水率不断上升，需要及时调整各层的注水量以保持注采平衡，第1代分层注水工艺已不能满足生产要求。20世纪80年代，开发了以钢丝投捞测调为特色的分层注水工艺，形成了空心活动式分层注水、偏心分层注水、同心集成细分注水和桥式偏心分层注水等 4套工艺技术。在分层注水层段级数、作业测调时层间干扰方面，桥式偏心分层注水更具优势，成为 20世纪 80年代至90年代中国油田的主体分层注水工艺技术。

桥式偏心分层注水技术工艺管柱由Y341可洗井封隔器、内径46 mm桥式偏心配水器、配水堵塞器、单向阀等组成，利用试井钢丝进行投捞或流量、压力测试，不影响其他注入层的注入状况。以桥式偏心为代表的钢丝投捞式分层注水工艺是当时应用规模最大、最成熟、适应性最强的测调方式，至今国内油田注水井仍有应用。

1.3 电缆测调式分层注水

随着油田开发的深入，层间矛盾加大，需加密测调周期以保障注水合格率，对分层注水工艺测调作业提出了新的生产要求。为了有效缩短现场测试时间和减少工作量，20世纪90年代研制并规模应用了以“桥式偏心、桥式同心和配套电缆高效测调”为核心的分层注水工艺。其核心是用钢管电缆代替钢丝，携带井下电动测调仪作业，当投入指定层段后利用测调仪上集成的传感器实现井下层段流量、压力、温度等信号在线采集；利用测调仪上调节臂与桥式偏心配水器的堵塞器对接，通过电力拖动和传动机构实现层段注入量调整。大幅度提高了注水井的测调效率，已成为目前中国油田注水井的主体分层注水技术。

2 第4代分层注水技术内涵及应用

2.1 生产需求及第4代分层注水技术内涵

随着中国油田开发的不断深入，已进入高—特高含水开发阶段，综合含水接近 90%，尤其是开发老区含水不断上升。现阶段水驱开发面临注采关系复杂、油层动用不均衡、层间矛盾加剧等问题，导致无效水循环严重，含水上升快，储量动用程度低。这就需要不断深入开展精细分层注水、精细管理工作，对分层注水技术提出了更高的要求。主要表现在以下两个方面。

①分层注水总井数逐年增加，单井分段日益精细，测调频次逐步加密，这三者的共同作用使测调工作量成倍增长。截止到2015年年底，大庆油田分层注水井24 567口，年测调83 361井次（见图1），长庆油田分层注水井6 887口，年测调14 112井次（见图2）。大庆油田2015年的年测调工作量是2010年年测调工作量的2.2倍，长庆油田则是3.6倍。

图1 大庆油田历年分层注水井数及测调情况

图2 长庆油田历年分层注水井数及测调情况

②测调周期长，注水合格率下降，注入水无效循环日趋严重，无法实现分层注入量、分层压力的长期连续监测。据统计，大庆油田分层注水 4个月后注水合格率下降到65.3%，长庆油田分层注水3个月后注水合格率下降到 55.6%（见图 3）。在大庆油田获取了具有中高渗油藏特高含水开发阶段代表性的Z501-232注水井（4层段）偏3层段连续监测数据（见图4）。该层段配注量为30 m3/d，调整后该层段的实际注入量为33 m3/d，套压为21.6 MPa。1个月后注入量下降到18 m3/d，套压下降到21.3 MPa。可以看出，短期内该层段注入量已不合格，目前该区块 4个月的调配周期已不能满足生产要求。

图3 大庆、长庆油田分层注水合格率变化情况

图4 Z501-232注水井偏3层段监测数据

新的开发形势下，要实现深度控水稳油，就要提升分层注水工艺技术水平和完善配套措施。近些年，结合先进的传感器、微电机拖动和精密加工等技术，开展了分层注水全过程监测与自动控制技术研究和探索试验，现场试验达到了预期效果。初步确立了第 4代分层注水技术内涵，即可实现注水井单井分层压力和注水量的数字化实时监测，可实现区块和油藏注水动态监测的网络信息化，可实现注水方案设计、优化与井下分层注水实时调整为一体的油藏、工程一体化，有效提高水驱动用程度，控制含水上升，提高水驱开发效果。

2.2 一体化配水器及其核心技术

第 4代分层注水技术中，核心工具为井下一体化配水器（见图5），是层段配注过程中配注参数的检测和调整终端，其功能和性能指标直接关系到第 4代分层注水技术水平。一体化配水器集成了流量计、两路压力计、温度计、通信模块和调节总成（由传动总成、堵塞器和驱动电机组成）。可实现层段注入流量、注入流压、地层压力（堵塞器嘴后压力）、温度的检测，利用电机驱动堵塞器水嘴开度的变化实现层段注水量的流量闭环或人工调整。一体化配水器利用有线或无线等方式与地面系统实现双向通信，从而完成分层注水全过程连续/实时监测和层段自动调整。一体化配水器的核心技术为层段流量的检测和调整。

图5 一体化配水器结构

2.2.1 层段流量检测技术

注水井井下流量检测一直是分层注水技术的重点，也是第 4代分层注水技术中一体化配水器开发的难点。目前分层注水流量测试环节中采用电磁流量计、超声波流量计等，此类流量计具有量程大、对稳流段要求小等优点。但由于其测量原理和传感器结构的限制，存在电极易腐蚀、粘污附着等问题，大大降低了传感器寿命及测量精度。同时该类流量计体积大、功耗高，因此主要应用在测试车携带的投捞式层段流量测量装置中，需定期在地面进行维护和标定。

第 4代分层注水技术中一体化配水器长期置于井下，对流量计的基本要求为可靠性高、体积小和功耗低。鉴于此，采用涡街流量计（见图 6）来实现一体化配水器层段流量检测。在实际应用中，由于涡街流量计探头受井下流体噪声和注水阀截流压差大引起的稳流场性能差等影响，传感器输出包含大量噪声，导致流量计输出值跳变严重、误差大，并间接影响累计流量。

图6 一体化配水器中涡街流量计空间结构

针对上述问题，可设计一种自组双通滤波器，通过分解方式寻找涡街流量计探头输出的有效真值数据，提高井下层段流量检测系统的稳定性。涡街流量计是利用流体力学中卡门涡街原理开发的一种流量测量仪表，其管道内体积流量为：

涡街流量计探头采用压电应力式传感器，流体经过涡街发生体后所产生的涡街信号理论上为纯正的正余弦信号，但实际中由于受到管壁震动、电磁干扰、白噪声的影响，其信号为复合信号。根据实际情况及理论分析，涡街流量计的输出信号模型可表示为：

根据涡街流量计输出信号的特性，以 Mallat算法为基础设计一种自组双通滤波器，通过分解方式寻找有效数据。由于涡街产生的信号s(t)为连续信号，而所处理的信号为离散信号，因此需要将数据离散化为As(n)。根据涡街流量计特性与噪声信号的特点，所设计滤波器均为正交小波滤波器，其表达式为：

设计9阶滤波器，低通滤波器表达式为：

其中

高通滤波器表达式为：

该滤波器用于信号的频带分解，逐级连成树状滤波器组，实现小波变换过程。利用该技术实现井下单层段流量的稳定检测，检测范围为5～100 m3/d，精度为3%。

2.2.2 层段流量调整技术

层段流量调整技术是一体化配水器中另一重要环节。随着微电机拖动、精密加工等技术的发展，高温、高压工况下长期稳定的井下层段调整控制功能得以实现。层段调整总成结构如图 7所示，包括电气连接、控制系统、驱动电机、传动总成和陶瓷水嘴等结构，既能满足高压动密封又能实现低扭矩驱动，同时设置了陶瓷水嘴全关状态下压力平衡结构。

图7 一体化配水器中调整总成结构

自动模式下工作时以流量计反馈信号作为判断依据，控制系统驱动电机，通过拖动传动总成将回旋运动转化为直线运动，实现陶瓷水嘴开度的调节。传动总成内置一套调节复位弹簧，实现左右两端端部运动的复位，即实现反转后螺纹的咬合。陶瓷水嘴是井下流量调节的关键部件，需选用高密度氧化锆陶瓷为原材料，以提高堵塞器强度和寿命，采用高精度模压技术，制作出原始元件后再二次加工打磨形成定型的陶瓷。陶瓷静阀芯内孔与陶瓷动阀芯的外圆周小间隙配合，并在陶瓷静阀芯设计了V形流通口，实现层段注入量节流调整。所设计的动、静阀芯接触面直径为14 mm，长度为20 mm，调节行程为15 mm/7.5 r。

未来企业端重点提供的是好的产品和好的服务。那么好的产品一定是在颜值、核心科技、懂得用户这几方面拥有立体化的优势，才能称得上好产品。最后就是一定牢记：我们追求美好生活的愿望不会改变。

层段调整总成中采用微型永磁同步电机作为执行驱动部件，选用一种低速高扭矩减速电机组件，满足体积小、输出扭矩大这一工程要求。驱动电机外径为28 mm，驱动电压为12 V，额定电流为2 A，最大输出扭矩为3 N·m，电机输出转速为1.5 r/min。

2.3 现场应用

第 4代分层注水技术可实现注水全过程的分层压力、注水量及其动态变化的实时监测和层段注水量自动调整。结合井组无线网络通信技术，可将监测数据直接存储到生产管理系统中以便后续分析，并可在室内操作终端实现层段的调整和生产测试。利用实时监测功能达到注水井精细分析和管理要求，利用实时调整功能达到有效注水要求。在大庆、长庆、吉林和华北等油田先后开展了小规模先导应用试验，取得了预期效果。

2.3.1 层段流量、压力在线实时监测与自动调整

针对大庆油田中高渗特高含水区块开展了小规模先导应用试验。图 8为大庆油田 Z50-310注水井偏 2层段自动调整的连续监测数据，层段配注量为60 m3/d，设置配注精度为±10%。5个月内对配注量影响较大的因素被调整了 4次，在无需人工参与的情况下，注水合格率得到了严格保障，达到了配注要求，套压稳步上升，从19.9 MPa上升到21.7 MPa。对该区块进行综合数据分析，注水合格率得到严格保障后，砂岩厚度动用比例由42%提高到52%。

图8 Z50-310注水井偏2层段监测数据

2.3.2 指示曲线在线测试

第 4代分层注水技术可实现注水指示曲线在线测试，无需动用测试车，满足环保需求，大大节省了现场作业工作量。如图9a所示，在油压17.4、17.9、18.4 MPa这3个台阶下同步监测到注入流量分别为18.7、24.9、29.8 m3/d。可直接绘制出该层段注水指示曲线（见图9b），启动压力为15.5 MPa，吸水指数为33.7 m3/（d·MPa）。同步监测到 3个台阶下对应套压，变化趋势类似。

图9 Z50-310井偏1层段压力流量监测数据和注水指示曲线

2.3.3 静压曲线在线测试

采用传统方法对某层段进行静压测试时，需利用测试车将该层段配水器中堵塞器捞出，再投入存储式测压仪，根据经验在一段时间后（大庆油田一般为3 d）捞出存储式测压仪进行地面数据回放分析，再恢复原有堵塞器。可见，这一过程需要作业两天、投捞4次，现场工作量大，又存在投捞遇卡风险、稳定时间不确定（若在3 d内出现稳压段则影响正常生产，若3 d内未出现稳压段则需重新作业）等问题。利用第 4代分层注水技术在线调整的功能全关被测层段，即可实现静压测试，同时利用实时监测的压力数据可获取静压曲线达到合格的稳定时间，消除了传统静压测试方法的弊端。以Z501-323井偏2层段静压测试为例，得到如图10所示的测试曲线，该层段关闭2 d后，套压由17.71 MPa降至15.03 MPa。

图10 Z501-323井偏2层段静压测试曲线

2.3.4 在线验封测试

第 4代分层注水技术可实现在线验封测试，无需测试车、验封仪及测试工。图11为Z50-310注水井偏1层段验封曲线，层段实际注入量近似为零，套压衰减且不随油压变化而变化，期间出现一次油压下降过快导致洗净凡尔打开的现象，被系统监测到。在线验封测试不仅可以实现两年验封1次的管理要求（大庆油田），还能根据需要随时进行验封，无需增加任何生产成本。

图11 Z50-310注水井偏1层段验封曲线

3 展望

近些年，通过理论研究、新材料与新工具研发、新工艺现场试验，攻克了层段流量检测和调整等核心技术，奠定了第 4代分层注水工艺技术基础，实现了分层注水全过程监测与自动控制等功能，通过小规模区块应用达到了预期效果。为了进一步加快第 4代分层注水技术研制与应用步伐，满足不同油藏、特殊井型及降本增效的要求，在未来几年甚至十几年仍需对井下层段流量检测、井筒无线通信、井下自发电和易损部件投捞等技术加大研究力度，持续攻关核心技术和配套措施，并加强与油藏工程的有机结合，形成可持续支撑水驱开发的、系统的、完善的第 4代分层注水技术。技术发展路线分两个阶段。第 1阶段，分析注采端动态关系，有针对性开展措施调整，进行区块规模化应用：①开展区块应用和综合效果评估；②辅助油藏动态分析，提高水驱动用程度。第2阶段，利用颠覆性技术进一步引领和完善注水工艺，形成工艺规范和标准：①开发第4代工艺中调整端可投捞技术；②开发井下自发电和可溶解发电技术；③研制强电磁、声波井下无线通信技术；④形成工艺规范和标准3～5套。

要实现控制含水上升速度、降低自然递减、提高储量动用程度和降本增效的目标，仍需围绕油藏、工程一体化发展方向开展精细注水相关研究工作，具体内容如下。

①开展配注方案符合率研究，监测区块注水合格率的变化趋势，与现有测调周期进行对比分析，重新核实分层注水合格率指标，并为测调周期的差别化管理提供基础数据。

②开展注水井分层测试和调配方法研究，利用监测的压力数据辅助区块某一层段累计注入量分析，建立区块化资料验收标准。

③研究油层动用厚度变化动态规律，通过吸水厚度动态变化比例对比分析，最大化提高水驱动用厚度。

④研究油层最大注水压力，达到充分利用压力空间的目的，同时研究压力预警标准及解决办法，确定套损报警技术指标。

⑤开展注水工艺技术与油田开发适应性的研究，建立更合理的井网平衡注采比；针对性质不同的油层开展周期注水、轮换注水研究。

⑥开展油藏、工程一体化研究，将第 4代分层注水技术监测数据与油藏工程分析和油藏模拟相结合，根据油藏剩余油分布和压力分布研究结果，调整油藏开发方案，制定分层注水方案，使注水措施与油藏开发状态衔接匹配更加紧密，进一步提高油藏采收率，改善开发效果。

4 结语

中国油田已进入高含水开发后期，如何在注采关系更加复杂、驱替场动态变化频繁的情况下实现油田稳产和高产、有效挖潜剩余油、提高水驱开发效果，给分层注水工艺提出了更高的要求：实现层段实时自动调整、无需动用测试车和人工现场操作，可严格保障注水合格率，投入成本低；实现分层注入量、分层压力的长期连续监测，满足可辅助油藏精细分析的数据要求，为油藏、工程一体化研究提供技术支撑，从而实现有效注水、精细注水，提高水驱开发效果。

对层段流量检测、配注量调整等关键技术进行了开发并进行了先导性区块试验，证明以“分层注水全过程实时监测与自动控制技术”为特点的第 4代分层注水技术为油田水驱开发分层注水工艺的必然选择。随着该套技术的不断完善并与油藏工程有机结合，将在油田分层注水生产环节中发挥重要作用。

符号注释：

As(n)——离散化后的涡街传感器输出信号函数；Ap——信号As(n)在第p层的近似部分（即低频部分）的小波系数；d——旋涡发生体迎面宽度，m；D——节流通径，m；Dp——信号As(n)在第p层的细节部分（即高频部分）的小波系数；f——旋涡发生频率，Hz；fai——低于流体实际频率的第i个频率分量，Hz；fbj——高于流体实际频率的第j个频率分量，Hz；fv——流体频率，Hz；g——高通滤波器； g˜， h˜——时域中的小波分解高通、低通滤波器；h——低通滤波器；H0——低通滤波器组；J——小波分解求和运算级数，J=log2N；k——涡街流量计理想信号幅值的比例系数；Ki——低于流体实际频率的频率分量 i对应信号的幅值；Kj——高于流体实际频率的频率分量 j对应信号的幅值；l，q——求和序号；m——旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面积之比；n——离散时间序号；N——传感器采集信号点数；p——小波分解层数；qv——流量计管道内液体的体积流量，m3/s；s(t)——涡街传感器输出信号函数；Sr——斯特劳哈尔数，无因次；t——时间，s；v——被测流体平均流速，m/s；z——变换方程中的自变量。

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（编辑 胡苇玮）

Connotation, application and prospect of the fourth-generation separated layer water injection technology

LIU He, PEI Xiaohan, JIA Deli, SUN Fuchao, GUO Tong
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

The fourth-generation separated layer water injection technology was studied aiming at problems existing in current separated layer water-flooding technologies and production requirements. This paper discussed the connotation, core tool and key technologies,analyzed field application and prospected further development. The connotation is to realize digital real-time monitoring on single-well separated layer pressure and injection rate of injectors, network informationization of injection performance monitoring of blocks and reservoirs, and integrated reservoir and production engineering by combining injection program design and optimization with real-time adjustment of down hole separated layer water injection. An integrated water distributor, a core tool for this technology, and some key technologies including interval flow rate detection and injection allocation adjustment were developed. Moreover, this new technology was piloted in blocks and achieved expected results. In order to meet production requirements, it is necessary to keep research on key technologies,such as downhole interval flow rate detection, wellbore wireless communication, downhole self-power generation and vulnerable components fishing. In addition, this technology shall be properly combined with reservoir engineering, thereby developing a systematical and complete fourth-generation separated layer water injection technology that can underpin water flooding development sustainably.

water flooding development; reservoir engineering; separated layer water injection; qualification rate of water injection;cable measuring and adjusting; flow rate measuring

国家高技术研究发展计划（863）项目“采油井筒控制工程关键技术与装备”（2012AA061300）

TE357.6

A

1000-0747(2017)04-0608-07

10.11698/PED.2017.04.14

刘合, 裴晓含, 贾德利, 等. 第四代分层注水技术内涵、应用与展望[J]. 石油勘探与开发, 2017, 44(4)： 608-614, 637.

LIU He, PEI Xiaohan, JIA Deli, et al. Connotation, application and prospect of the fourth-generation separated layer water injection technology[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(4)： 608-614, 637.

刘合（1961-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事低渗透油气藏增产改造、机采系统提高系统效率、分层注水和井筒工程控制技术等方面的研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院院办，邮政编码：100083。E-mail： liuhe@petrochina.com.cn

2016-08-19

2017-03-15