渤海油田高压差注水井两层分注工艺设计及应用＊

王现锋 王良杰 于继飞 杨万有 罗昌华 张凤辉 王 柳

（1．中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452； 2．中海油研究总院 北京 100028）

渤海油田高压差注水井两层分注工艺设计及应用＊

王现锋1王良杰1于继飞2杨万有1罗昌华1张凤辉1王 柳1

（1．中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452； 2．中海油研究总院 北京 100028）

根据渤海油田完善注采井网需要，部分采油井转注后需上返射孔防砂完井，实现2个层段的分层注水，但由于两注水层层间压差较大，层间干扰大，实际操作调配难度大，常规注水工具无法满足配注要求。基于渤海油田高压差注水井两层分注要求，设计了配水工作筒及配套的配水器芯子，提出了高压差注水井两层分注工艺。渤海中部某油田A井应用表明，本文提出的高压差注水井两层分注工艺可以实现较大压差注水井的两层分注，提高注水驱油效能，能够成为渤海油田注水井提质增效新的有效手段。

渤海油田；高压差；注水井；两层分注；工艺设计；配水工作筒；配水器芯子

渤海油田是以注水开发为主的油田，以明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组四套层系同时开发，层间物性差异较大，需要分层注水。分层注水是保持地层压力、提高原油采收率的重要手段，是实现渤海油田高产、稳产的重要方式和主要手段［1－3］。为进一步提高采收率，完善注采井网，平衡注采关系，渤海油田需要对部分采油井进行转注，转注后实施上返射孔防砂完井，实现2个层段的分层注水，但由于两注水层层间压差较大（15 MPa以上），层间干扰大，实际操作调配难度大，常规的水嘴式分注工具无法满足配注要求［4－9］。

从工艺原理上来说，目前渤海油田利用同心双管分注工艺可实现高压差注水井两层分注［10］，该分注方式由于2个注入压力通道独立，可彻底避免层间干扰，但是存在如下问题：①大、小油管环空之间缺少安全控制装置，现有的环空安全阀无认证资质，与日益增强的海上安全操作要求不符；②需要改造井口，加工特殊井口装置工作量大、人工成本较高；③双层油管下入，物料成本也较高。针对以上问题，结合渤海油田注水井自身井况特点，研发设计了高压差注水井两层分注工艺，解决了水平井高压差两层分注难题，为渤海油田水平井分注提供了一种新思路。

1 高压差注水井两层分注工艺设计

1．1 设计原则

为降低用井成本，实现一口井满足不同油组的注水需求，从井下管柱／工具的工艺角度出发，提出了高压差注水井两层分注工艺技术，在设计时主要遵循以下原则：

1）满足海上油田大斜度井和水平井采用钢丝作业进行分注的前提；2）解决海上油田注水井高压差下两层分注的难题；3）能够实现结构简单、工艺可靠，成本低的大环境需求。

1．2 配水工作筒与配水器芯子设计

1．2．1 配水工作筒

1）结构组成。所设计的配水工作筒主要由定位筒总成、上工作筒、连接筒和下工作筒等组成（图1），定位于防砂封隔器内部，其作用是密封及层间封隔。该配水工作筒最大外径139．7 mm，总长1 982 mm，最小内径62 mm，中心孔内设有不同尺寸的止落定位台阶和锁定机构，用于配合不同规格的配水器芯子，实现配水器芯子与工作筒之间的密封配合。其中，下工作筒内设有桥式通道，平衡上下压差，可保证配水器芯子的顺利打捞。

图1 配水工作筒结构示意图Fig．1 Scheme of injection barrel structure

2）适用特点。所设计的配水工作筒适用于定向井（包括大斜度井、水平井）可钢丝投捞作业两层分注工具，将该工作筒置于井内可投捞位置（井斜小于60°处），可解决钢丝／电缆作业因井斜较大不能分注的难题，能够实现海上油田防砂完井水平注水井分两段注入和测试调配要求；同时，配水工作筒上的桥式通道及定位台阶可以保证两层分注的可靠性与精确性。

1．2．2 配水器芯子

1）结构组成。所设计的配水器芯子与工作筒密封配合，实现双通道分层注水，其本体设有密封件UT盘、多级水嘴、弹性爪及定位台阶等结构（图2），最大外径63 mm，总长2 747 mm。该配水器芯子上水嘴组可装水嘴1～8个，可实现1～8级水嘴的轴向串联安装，具体串联个数可根据所需压降值和配注量确定，每级水嘴直径2～7 mm（级差0．2 mm），可实现多级水嘴逐级降压，有效控制压降；而下水嘴组可装水嘴1～6个，侧壁径向安装，其安装个数由所需配注量决定，且流量可实现大范围调节。

图2 配水器芯子结构示意图Fig．2 Scheme of injection mandrel structure

2）多级水嘴确定。在满足高压层注入条件的前提下，实现低压层的降压增注是该工具的主要难点，也是技术关键点。配水器芯子上水嘴组采用多级水嘴串联，逐级降压，可有效控制压降，减少水嘴处冲蚀；配水器芯子下水嘴组径向安装，可装多级控制水嘴，流量调节范围大；两组水嘴配合使用，可实现高压差下的分层调配。

多水嘴逐级降压分层调配技术采用同一配注层段可轴向串联安装多个水嘴（安装个数视具体压降数决定）进行水量调配，注水作业时安有水嘴的配水器芯子下入深度为1 000多米，注水压力均大于1 MPa，且注水压力较为稳定，水嘴孔径与下入深度的比值远大于1／10。结合水嘴结构特点，水嘴压力损失、水嘴流量与水嘴过流面积满足式（1）：

式（1）中：Δp 为水嘴压力损失，MPa；Q 为水嘴流量，m3／d，多个水嘴时为流经各个水嘴的流量之和；A为水嘴总过流面积，mm2。单个水嘴时d2，其中d为水嘴直径，mm；多个水嘴时A为各水嘴过流面积之和，各水嘴直径可以不同。

1．3 工艺管柱设计

所设计的高压差注水井两层分注工艺管柱主要包括油管、定位旁通、顶部封隔器、插入密封、配水器芯子、配水工作筒、隔离封隔器、水力锚、带孔管、圆堵、变扣等，具体结构如图3所示。下入封隔器、配水工作筒和插入密封等注水管柱实现层间封隔，注入液一部分经多级串联水嘴组进入上层，其余部分经多级径向水嘴组、密封筒环空和连接油管进入下层，实现高低压差下的两层分注。其中，配水器芯子与配水工作筒实现定位配合，配水器芯子上装有上、下水嘴组，上水嘴组由1～8级水嘴串联组成（图4），通过不同型号的水嘴组合可实现多级水嘴逐级降压，有效控制压降，减少水嘴处冲蚀，实现高压差下分层调配；下水嘴组由6个水嘴并联组成，可实现大排量下的分层注入。

图3 高压差两层分注工艺管柱示意图Fig．3 Scheme of two separated layers injection pipe in high pressure contrast

图4 多级水嘴降压局部示意图Fig．4 Scheme of multi－grade depressurization water nozzle

1．4 工艺流程设计

实施高压差注水井两层分注工艺的前提是采用钢丝作业形式，具体流程如下：

1）正常配注作业。井口自由投入配水器芯子，坐落于配水器工作筒定位台阶处，配水器芯子上水嘴组（1～8级水嘴可根据需要自由组合）与配水器工作筒出水孔对应配合，一部分液体经此注入上层油组，另一部分液体经配水工作筒上的桥式通道、配水器芯子上的过流通道进入下水嘴组，并通过油管组合注入下层油组，从而实现两层分注。

2）层间分隔。连接管柱，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（配水器芯子可投捞，超过60°无法实现投捞），插入密封配管至原井顶部封隔器密封筒内，注入液一部分经多级串联水嘴组进入上层，其余部分经多级径向水嘴组、密封筒环空和连接油管进入下层，实现高低压差下的两层分注。

3）分层测试。钢丝投捞下入分层验封仪进行层间验封，分别测试上、下两层吸水指数曲线。

4）分层调配。根据分层指数曲线选配水嘴，投捞配水器芯子，进行层间配注。

2 现场应用

渤海中部某油田A井由于生产需要拟在明化镇组和沙河街组实施两层分注作业。A井注水基础数据见表1，该井明化镇组和沙河街组两注水层层间压差达15．3 MPa，高压差导致层间干扰大，造成调配困难，常规注水工具无法满足配注要求。因此，在满足沙河街组配注压力25 MPa要求的同时须兼顾明化镇组配注压力9．7MPa的要求，需要对上层进行降压配注。

表1 渤海某油田A井注水基础数据表Table 1 Basic water injection data of Well A in Bohai oilfield

应用本文提出的高压差注水井两层分注工艺，需要根据压降确定上注水组串联水嘴级数。

1）上注水组为单个水嘴。注水流量150 m3／d情况下，要实现15．3 MPa压降，由式（1）可计算流经单个水嘴面积为9．19 mm2，水嘴当量直径为3．42 mm。根据牛顿流体水力计算公式可得此时流经水嘴的流速高达189 m／s。因此，若使用单个水嘴实现15．3 MPa压降，理论上只需配备一个直径3．42 mm 水嘴即可，但水嘴流速高达189 m／s，将会发生严重的水嘴冲蚀现象，故不能采用单个水嘴。

2）上注水组为多级水嘴。要实现15．3 MPa压降，可在2～8级水嘴中选择。水嘴选择的原则有3个：一是最大流量时尽量使每个水嘴压损保持在3．5MPa以下，可减小水嘴流速，有效防止冲蚀现象发生；二是尽量选用直径较大的水嘴，避免由于注入水杂质造成水嘴堵塞；三是若用少量水嘴级数能满足高压差注入需求就不采用多级水嘴设计，提高工具的整体可靠性，减少不必要的风险。表2～4分别给出了注水流量150 m3／d、压降15．3 MPa情况下该井5、6、8级水嘴串联选配计算结果。结合水嘴选择原则，优选了表3水嘴选配方案。该井投产后两注水层均满足地层配注要求，现场数据表明相关受益井日产油量显著提高（表5），达到了预期目的。

表2 渤海某油田A井上注水组5级水嘴串联选配计算结果（注水流量150 m3／d、压降15．3 MPa情况下）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井上注水组6级水嘴串联选配计算结果（注水流量150 m3／d、压降15．3 MPa情况下）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井上注水组8级水嘴串联选配计算结果（注水流量150 m3／d、压降15．3 MPa情况下）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对比Table 5 Comparison table of water injection quantity and beneficial effects of Well A in Bohai oilfield

3 结论

基于渤海油田高压差注水井两层分注要求，设计了配水工作筒及配套的配水器芯子，提出了高压差注水井两层分注工艺，有效解决了渤海油田注水井层间压差较大而无法进行两层分注的技术难题，实现了不同注水层段的高压差分层注水，避免了高压差注水井一贯采用多管分注工艺的方式，为渤海油田注水井提质增效提供了一种新的有效手段。

［1］ 刘敏．“一投三分”分层配注及分层测试技术［J］．中国海上油气（工程），2000，12（4）：38－39，45．LIU Min．Water injection technique for three intervals in one step and separate measuring［J］．China Offshore Oil and Gas（Engineering），2000，12（4）：38－39，45．

［2］ 刘敏，程心平，罗昌华．海上油田防砂完井注水井插入式多水嘴集成分层注入工艺技术［C］∥吴奇，主编．注水技术研讨会论文集．北京：中国石化出版社，2005．

［3］ 程心平，刘敏，罗昌华，等．海上油田同井注采技术开发与应用［J］．石油矿场机械，2010，39（10）：82－87．CHENG Xinping，LIU Min，LUO Changhua，et al．Development and application of single well integral injection／production technique［J］．Oil Field Equipment，2010，39（10）：82－87．

［4］ 程心平，马成晔，张成富，等．海上油田同心多管分注技术的开发与应用［J］．中国海上油气，2008，20（6）：402－403，415．CHENG Xinping，MA Chengye，ZHANG Chengfu，et al．The development and application of concentric multi－barrel separated water injection technology for offshore oilfield［J］．China Offshore Oil and Gas，2008，20（6）：402－403，415．

［5］ 罗昌华，程心平，刘敏，等．海上油田同心边测边调分层注水管柱研究及应用［J］．中国海上油气，2013，25（4）：46－48．LUO Changhua，CHENG Xinping，LIU Min，et al．The research and application of concentric test and adjustment zonal injection string in offshore oilfield［J］．China Offshore Oil and Gas，2013，25（4）：46－48．

［6］ 杨万有，王立苹，张凤辉，等．海上油田分层注水井电缆永置智能测调新技术［J］．中国海上油气，2015，27（3）：91－95．DOI：10．11935／j．issn．1673－1506．2015．03．014．YANG Wanyou，WANG Liping，ZHANG Fenghui，et al．A new intelligent testing and adjustment process with implanted cables for zonal water injection wells in offshore oilfields［J］．China Offshore Oil and Gas，2015，27（3）：91－95．DOI：10．11935／j．issn．1673－1506．2015．03．014．

［7］ 李明，王治国，朱蕾，等．桥式偏心分层注水技术现场试验研究［J］．石油矿场机械，2010，39（10）：66－70．LI Ming，WANG Zhiguo，ZHU Lei，et al．Application test of bridge eccentric stratified water flooding in oilfield［J］．Oil Field Equipment，2010，39（10）：66－70．

［8］ 邹皓，罗懿．斜井小排量油套分注工艺技术研究及应用［J］．石油机械，2004，32（8）：7－9．ZOU Hao，LUO Yi．Study and application of separate－layer water injection technology through tubing and casing［J］．China Petroleum Machinery，2004，32（8）：7－9．

［9］ 吉洋，刘敏，王立苹，等．海上油田分层注水反洗井技术研究与应用［J］．中国海上油气，2015，27（2）：87－92．DOI：10．11935／j．issn．1673－1506．2015．02．015．JI Yang，LIU Min，WANG Liping，et al．Research and application of integrated technology for zonal injection and backwashing in offshore oilfields［J］．China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：87－92．DOI：10．11935／j．issn．1673－1506．2015．02．015．

［10］ 朱骏蒙，赵霞，穆停华，等．海上液控分层注水一体化工艺技术优化应用［J］．石油矿场机械，2015，44（9）：72－75．ZHU Junmeng，ZHAO Xia，MU Tinghua，et al．Optimization and application of offshore hydraulic separate layer water injection integrated technology［J］．Oil Field Equipment，2015，44（9）：72－75．

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

王现锋，王良杰，于继飞，等．渤海油田高压差注水井两层分注工艺设计及应用［J］．中国海上油气，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”国家科技重大专项“海上稠油油田高效开发钻采技术”子课题“海上高效注采系统关键技术研究（编号：2016ZX05025－002－005）”部分研究成果。

王现锋，男，工程师，硕士，2012年毕业于中国石油大学（华东）机械工程专业，现从事海上采油工艺研究工作。地址：天津市塘沽区滨海石油新村研究院主楼一楼（邮编：300452）。E－mail：wangxf10＠cnooc．com．cn。

2016－12－13 改回日期：2017－03－15

（编辑：孙丰成）