机械式智能分层注水工艺技术研究与应用

张成君，李 越，王 磊，张清龙，满宗通，仲兆宇

（中海油田服务股份有限公司，天津300459）

注水开发是实现油田开发长期高产和稳产的重要技术手段[1]，能够保持油层压力，降低递减率，提高注水井的分注率、层段合格率，完善注采关系，是海上油田稳产增产的重要技术保障。实施分层注水能有效解决层间矛盾，提高各层动用程度，最终增加原油产量。目前，渤海油田已进入全面注水开发阶段，一投三分、同心分注、空心集成等常规的分层注水工艺[2⁃11]在现场应用过程中存在以下问题：

（1）测试调配工作需要钢丝作业反复投捞配水器芯子，测调工作量大、作业周期长、成本费用高、调配精度低；

（2）平台作业量大，占用时间长；

（3）受井斜影响严重，井斜超过60°无法正常完成作业；

（4）无法实时监控井下各层位的流量、温度、注水压力和地层压力等，同时无法实现在线实时测调。

针对以上问题，为提高测试调配效率，实现精细化分层注水，井下参数的实时监测及在线调配，提出研制适合海上油田的机械式智能分层注水技 术[12⁃22]。

1 机械式智能分层注水设备

1.1 地面集成控制系统

地面集成系统包括地面控制器、地面数据信号采集设备和监控计算机。地面数据信号采集设备和监控计算机，可实时监测井下各层位的流量、温度、注水压力和地层压力，并通过地面控制器实行自动或手动控制井下多级流量控制装置（简称流量阀或ICV），实现分层流量在线调节。

1.2 穿越液控管线的隔离/定位密封

隔离密封、定位密封是与防砂封隔器、密封筒配合使用将油层分开，防止层间串流的重要工具。由于每层的流量阀都需要连接液控管线，因此隔离/定位密封必须具有穿越液控管线的功能，如图1所示。

图1 可穿越式隔离/定位密封示意Fig.1 Diagram of isolation seal/location seal

1.3 多级流量控制装置及解码器

井下多级流量控制装置包括开启总成、关闭总成、防漂移锁、多级水嘴等，是一种自平衡、地面控制、井下安装的装置，可实现多达11级调控，流量可控范围灵活，精度更高。流量阀的控制逻辑为单相控制，一根液控管线控制阀开启，另一根液控管线控制阀关闭，液控管线由井口油管挂、采油树穿出连接至地面液控系统，实现地面控制，如图2所示。

图2 多级流量控制装置Fig.2 Multi⁃level flow control device

当井下多级流量控制装置数量超过两个时，为减少液控管线数量，实现三根液控管线精准控制，一般采用解码器。解码器是实现井下层位选择的液压解码装置，主要由一个常开二位二通阀和一个常闭二位二通阀组成，通过液控管线的给压顺序的变化(不同排列组合)来选择对应的多级流量控制装置。

1.4 油藏（流量/温度/压力）监测系统

油藏监测系统主要包括文丘里流量计、信号采集探头、集成传输电路板等，具备流量、压力、温度实时监测功能，能有效监测各层油藏的动态，并将井下动态（压力、温度和流量）传输给地面。

2 机械式智能分层注水工艺与原理

2.1 测调工艺流程

数据信号采集系统将井下温度、流量、压力等数据采集后，作业人员通过地面控制系统手动或自动调节井下多级流量控制装置，工艺图如图3所示,具体测调流程如下：

（1）通过穿越液控管线的隔离/定位密封进行分层；

（2）油藏监测系统(井下流量计)测得各层实际流量反馈至地面数据采集和控制系统；

（3）根据油藏对各层配注量要求,确定对应层位多级流量控制装置水嘴的开度；

（4）地面控制柜操控（手动/自动）调节对应的多级流量控制装置至需要的开度；

（5）油藏监测系统(井下流量计)测得实时更新的流量数据至地面显示；

（6）根据需要再次调整多级流量控制装置开度大小。

循环以上步骤，直到调配结果达到设计要求。

2.2 测调工艺原理

测调工艺原理根据是否下入解码器可分为液压N+1控制原理(无解码器）和液压3-2控制原理(含解码器）。

图3 机械式智能分层注水工艺图Fig.3 Mechanical intelligent layered injection process

2.2.1 液压N+1控制原理(无解码器） 液压N+1控制模式是由N+1根液控管线控制N个井下多级流量控制装置；所有井下多级流量控制装置共用一根液控管线控制关闭；每个多级流量控制装置通过独立液控管线进行控制开启。图4为3根液控管线控制2个多级流量控制装置原理示意图，当需要关闭所有流量阀时，液控管线1进行打压，在需要开启某一层时，对对应该层位流量阀的液控管线打压即可实现流量阀开启。

图4 液压N+1控制原理示意Fig.4 Hydraulic N+1 control principle diagram

2.2.2 液压3-2控制原理(含解码器） 液压3-2控制模式是在每层的流量阀上端连接一个解码器，通过三根液控管线精准选择对应解码器，从而控制对应层位的流量阀。控制原理如图5所示，1#控制线与解码器的关闭口连接；2#控制线与解码器的打压口和解码器进入多级流量控制装置关闭口连接；3#控制线与解码器保压口和解码器进入多级流量控制装置开启口连接。通过三根液控管线打压、保压、泄压的顺序不同实现多级流量控制装置的开关，具体过程如下：

通过地面控制柜给出开启解码器指令时，3#控制线先保压，2#控制线再打压，此时解码器开启。2#对应的解码器进入流量阀关闭口与流量阀关闭口导通，3#对应的解码器进入流量阀开启口与流量阀开启口导通；地面给出开启流量阀指令时，3#控制线打压，流量阀开启。地面给出关闭流量阀指令时，2#控制线打压，流量阀关闭；地面给出关闭流量阀指令时，1#控制线打压，解码器关闭。

图5 液压3-2控制原理示意Fig.5 Hydraulic 3-2 control principle diagram

2.3 技术特点

该技术可实现井下数据实时采集、多级注水装置在线液压控制一体化，主要优势及技术特点如下：

（1）该工艺注水监测及调配装置采用井下常置式安装，实现了注水井实时监测和在线测调的功能，无需钢丝/电缆作业，测调效率高，同时受井斜影响小，满足大斜度定向井、水平井、深井的作业需求；

（2）采用液压机械控制方式调节井下多级流量控制装置，相比电动控制方式，推力大、可靠性高，更适应井下复杂工况；

（3）井下多级流量控制装置可实现多达11级调控，流量可控范围灵活，调节精度高，采用了关闭锁、防漂移压力锁等先进机构，充分保证了长期安全注水的要求；

（4）建立了“液压N+1控制”和“液压3-2解码控制”两种井下控制模式，研制的解码器能满足井下多级流量调控装置的伺服调控要求及远程调控要求；

（5）无需对当前的生产设施进行改造，适应性广，井下无活动的电子元器件，系统寿命长，可随时进行海上酸化、测试等作业。

3 渤海某油田X井的现场应用

渤海某油田位于渤海中部海域。区域上，构造位于渤中坳陷石臼坨凸起的中部，凸起周边为渤中、秦南和南堡三大富油凹陷所环绕，是渤海海域油气富集的有利地区之一。

该油田构造具有埋藏浅、构造幅度低、规模大、局部圈闭多等特点。储集层埋藏浅，成岩作用较弱，因此砂岩疏松，储层物性好。物性分析显示为高孔、高渗储层。受构造、断层、岩性的多重制约，油水系统复杂，油藏类型多样，发育有岩性油藏、构造岩性油藏、岩性构造油藏、构造油藏。该油田属于黏度高、密度大的稠油油田；天然气成分主要以甲烷为主；地层水水型为NaHCO3型，矿化度平均约4 500 mg/L。

3.1 作业目的

结合周边油井压力监测数据及注水井注入情况估算目前地层压力为8.0 MPa左右（原始地层压力11.3 MPa），储层能量低，供液能力不足。由于该区域夹层发育，为了能给NmⅡ2小层补充足够的能量，改善水驱开发效果，减少无效水循环，对P2防砂段（NmⅡ油组）进行分注作业。

3.2 方案与工艺

3.2.1 分注方案 P1（NmⅠ油组）、P2（NmⅡ1）和P5（NmⅢ油组）大修后暂时关闭，对P3（NmⅡ2）、P4（NmⅡ3）防砂段进行分层注水。根据渤海某油田注水井破裂压力，最大井口压力为12.5 MPa，该井注水量及未来最大配注量见表1。

表1 分层配注量推荐表Table 1 Stratification with the amount of injection recommended table

3.2.2 实施流程 在防砂管柱下入后，进行注水管柱（见图6）下入及后续作业如下：

图6 注水管柱Fig.6 Water column diagram

（a）注水管柱组合：7.30 cmEU圆堵+7.30 cmEU倒角油管+隔离密封+下层流量阀+可穿越隔离密封总成+7.30 cmEU倒角油管及短接+上层流量阀+可穿越隔离密封总成+可穿越定位密封总成+水力锚+8.89 cmEU油管+井下安全阀+8.89 cmEU油管+油管挂。

流量阀及隔离/定位密封总成已经在车间组装完毕，现场只需按设计连接油管及配长短接，连接液控管线试压合格即可，操作简单。液控管线带压下入，每个油管接箍安装管线护罩，保障管线安全下入。

（b）安装地面控制系统。

（c）试压：关闭井下流量阀，正打压35 MPa，稳压15 min，放压至零，合格；环空打压21 MPa，稳压15 min，放压至零，合格。

（d）分层调配后开始正常注水。

3.3 分层调配效果

作业完成，正常注水一段时间后，测得注水曲线如图7所示。

从图7可以看出，注入量稳定，并达到配注量要求，验证了流量阀的精准调配能力；长时间注水后，井口并无套压产生，确认了穿越液控管线的隔离/定位密封的功能及可靠性。

图7 注水曲线Fig.7 Water injection curve

本次作业免除了后期钢丝投捞、测调等作业，大大降低作业费用，节省作业时间，地面实时调控井下多级流量控制装置，操作简单，测调精准，达到分层配注的设计要求，机械式智能分层注水工艺技术的安全性、时效性、适用性、可靠性均得到了验证。

4 结 论

机械式智能分层注水工艺技术采用液压机械式控制方式，并集成了智能化井下监测、自动化工具调控等功能，实现了实时监测、在线测调的功能。在渤海某油田X井的成功应用，验证了该工艺技术的安全性、时效性、适用性和可靠性。

该工艺不需要对当前的生产设施进行改造，适应性广，井下无活动的电子元器件，系统寿命长，能适应井下复杂工况，为渤海油田分层注水开发技术提供了新的思路。