液控智能分注工艺调配及分层注水量计算方法

赵广渊 ，季公明 ，杨树坤 ，吕国胜 ，杜晓霞 ，郭宏峰

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

油田进入开发后期，分层注水是实现高效注水、维持油田稳产的主要开发方式。对于油藏精细注水开发，分层注水量是分析注水受效和评价水驱效果的重要动态参数。为提高油田分层调配作业的效率，尤其是针对海上油田作业空间有限等特点，分层注水工艺由投捞式分层注水和边测边调分层注水逐渐向可在地面控制井下水嘴的智能注水方向发展［1-10］。

液控智能分注工艺是将可调水嘴预置于井下配水器，利用地面控制系统，通过液控管线控制、调节井下配水器水嘴的开度，从而实现分层调配的目的。该工艺的主要工具包括地面控制系统、液控管线、可穿越线缆的层间封隔器和液控智能配水器［11-15］。液控智能配水器为机械结构，通过液控管线的加压实现水嘴开度的调节，不具备监测井下各层注水量的功能，因此无法获知调配后各层的实际注水量。

利用液控智能分注工艺可在地面控制井下配水器的特点，本文提出了一种新的分层调配方法，根据单层注入指示曲线和全井注入指示曲线计算井下各层的注水量，从而实现分层注水的动态解释，为油藏精细注水管理和开发层位调整提供决策依据。

1 注入水流动分析

注入水从井口注入地层，主要包括注水管流、水嘴嘴流和地层流动3个流动阶段，而压力是注入水在各流动阶段的驱动力。

1.1 注水管流

注水管流主要包括从井口至嘴前的流动，嘴前压力可表示为

式中：pchf为嘴前压力，MPa；ptb为井口注入压力（一般指油管压力），MPa；phy为静液柱压力，MPa；pfr为管柱沿程摩阻压力损失，MPa；plo为局部压力损失，MPa。

各注水层的静液柱压力可由该层以上的静水柱重力决定。式（2）适用于定向井、大斜度井的计算。

式中：ρ为注入水的密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；h为注水层的垂深，m；L为注水管柱长度，m；α为井斜角，（°）。

管柱沿程摩阻压力损失主要是由注入流体与管柱内壁之间的摩擦和液体分子之间的内摩擦造成的，可根据达西-威斯巴合公式［16］确定：

式中：λ为水力摩阻因数（由雷诺数和注水管柱内壁的粗糙度决定）；D为注水管柱内径，m；v为注入水的流速，m/s。

在层间封隔器、液控智能配水器等分层注水工具与油管的连接位置，管柱的内径局部变大或变小会造成局部压力损失［17-18］。由管径变小造成的局部压力损失plo1为

由管径变大造成的局部压力损失plo2为

（2）预裂面开挖后的不平整度应≤15cm。预裂面不平整度通常是指预裂孔所形成预裂面的凹凸程度，其是衡量钻孔和爆破参数合理性的重要指标，可依此验证、调整设计数据。

式中：ζ为局部水头损失因数；v1，v2分别为管径变化前、后的流速，m/s；A1，A2分别为管径变化前、后的过流面积，m2。

1.2 水嘴嘴流

注入水从嘴前经过水嘴流动至嘴后产生的压力损失（即嘴损）与水嘴直径、注水量之间存在函数关系［19］。通过大量实验分析，嘴损的计算公式为

式中：pch为嘴损，MPa；pche为嘴后压力（即地层的有效注入压力），MPa；K为嘴损常数（与水嘴排布方式和形状有关）；d为水嘴当量直径，mm；q为注水量，m3/d。

1.3 地层流动

对于液控智能分注工艺，注入水在地层中的流动由有效注入压力与地层静压之间的压差决定，可以由单层注入指示曲线测试结果表征。

2 分层调配方法

分层注水的根本目的是满足各层配注量的要求。液控智能分注工艺可利用地面控制系统实现井下水嘴开度的实时调节和开关，但无法监测井下各层的注水量。因此，该工艺调配的关键在于，一是将水嘴调节至满足分层配注量的目的开度，二是利用地面测试数据计算井下各层的注水量。

利用地面控制系统将测试层配水器的水嘴调至任意开度d，其他层位的水嘴关闭，测得单层注入时各层配注量qp下对应的井口注入压力ptb，根据式（1）—（6），各层的有效注入压力为

式中：pche，i，ptb，i，phy，i，pfr，i，plo，i，pch，i分别为第 i层的有效注入压力、井口注入压力、静液柱压力、管柱沿程摩阻压力损失、局部压力损失、嘴损（其中，管柱沿程摩阻压力损失和局部压力损失均指从井口至第i层，以下同），MPa；i为注水层序号。

将各层水嘴调节至满足配注量的目的开度d′后，全井注水时，则

式中：p′fr，i，p′lo，i，p′ch，i分别为配水器水嘴在开度 d′时第i层的管柱沿程摩阻压力损失、局部压力损失、嘴损，MPa。

根据矿场实践，各注水层纵向跨度较小（小于300 m）时，各层之间的沿程摩阻压力损失、局部压力损失接近，则式（8）简化为

在同一时间，不同水嘴开度下同一层位的有效注入压力相同。 将式（6）、式（7）代入式（9），根据“有效注入压力高的层位，选择较大的水嘴开度”这一基本原则，计算得到各层配注量下对应的水嘴目的开度。

3 分层注水量计算

3.1 注入测试数据

3.1.1 单层注入指示曲线

利用地面控制系统，将测试目的层位的水嘴调节至目的开度，关闭其他层位的水嘴，测试井口注入压力随注水量的变化数据；然后，打开另外一个测试层位的水嘴，关闭其他层位，测试该层井口注入压力随注水量的变化数据。依此类推，得到所有注水层位的井口注入压力随注水量的变化关系：

式中：qi为第 i层的注水量，m3/d。

根据式（7），将井口注入压力折算为有效注入压力，得到有效注入压力与注水量的变化关系：

3.1.2 全井注入指示曲线

首先，将所有注水层位配水器的水嘴开度调节至目的开度，恢复全井注水。然后，调节全井注水时的井口总流量，测试不同井口总流量下井口注入压力的变化，根据测试数据拟合得到井口注入压力与井口总流量的关系，即全井注入指示曲线。随着井口总流量增加，井口注入压力一般呈线性增大，可表示为

式中：Qt为全井注水时的井口总流量，m3/d；a，b 为常数，a代表视吸水指数的倒数，b代表注水井开始吸水的启动压力。

3.2 计算方法

根据井口注入压力、井口总流量和式（1）—（6），计算得到第1层的嘴前压力pchf，1。全井注水时，各层的注水量满足：

式中：Ii为第 i层的吸水指数，m3/（d·MPa）；Δpi为第 i层的注水压差，MPa；pri为第 i层的地层静压，MPa。

由式（11）可知，有效注入压力与各层的注水量一般呈线性关系：

式中：c，e为常数，c代表第i层吸水指数的倒数，e代表第i层的地层静压。

将式（14）代入式（13），结合式（6）得到第 1 层的注水量q1。

再根据第1层嘴前压力pchf，1、第1层以下层位的总流量（Qt－q1）和式（1），计算得到第 2 层的嘴前压力pchf，2。

重复式（13）—（15）的计算过程，可求得第2层的注水量q2。

以此类推，计算得到1个井口注入压力对应的所有层位的注水量。然后，根据式（12）得到不同井口注入压力下对应的井口总流量，再计算各层的注水量，用以指导注水井工作制度的选择。

3.3 计算软件

为了便于计算，根据前述计算方法，编制了调配设计及分层注水量计算软件。软件包括基础数据输入、测试数据输入和计算分析3个模块。软件输入的基础数据包括注水井井身结构数据、注入水流体数据、注水管柱组合和结构数据、水嘴参数和嘴损曲线，测试数据包括各层配注量对应的井口注入压力、单层注入指示曲线和全井注入指示曲线，通过计算可输出满足配注要求的各层水嘴的目的开度、不同井口注入压力下对应的井口总流量和分层注水量，根据分层配注量要求，给出最能满足配注要求的井口注入压力。

4 应用实例

为了提高调配效率，渤海油田××-1井于2019年3月下入液控智能分注管柱，利用地面控制系统，通过液压控制井下配水器水嘴的开度。该井分2层注水，第1层的水嘴当量直径为6.08～9.05 mm，第2层的水嘴当量直径为7.55～10.64 mm，2套配水器水嘴均分别设计10个开度等级。2019年6月，第1层的配注量为120 m3/d，第2层的配注量为150 m3/d，根据配注量下对应的井口注入压力测试结果，第1层的水嘴开度调节至7.95 mm，第2层的水嘴开度调节至10.64 mm。

在水嘴目的开度下，进行了单层注入指示曲线和全井注入指示曲线测试。利用前述计算方法，计算不同井口注入压力下对应的井口总流量和分层注水量。根据渤海油田±15%的调配误差要求，调配后各层注水量为配注量的85%～115%，就认为各层满足配注要求。根据分层注水量计算结果（见表1），最能满足配注要求的井口注入压力为12.0 MPa。调配后，为了验证分层注水量计算结果的准确性，该井实施了氧活化吸水剖面测试，计算结果与测试结果对比见表1。从表1可以看出，计算结果与实测结果之间存在差异，最大误差为2.5%，能满足工程需求（误差在5%以内）。因此，该计算方法可以满足现场分层调配作业的需求，在实际应用中具有较好的效果。

表1 分层注水量计算结果与测试结果对比

5 结论

1）在分析分层注水过程中注入水流动阶段的基础上，结合液控智能分注工艺可在地面调节水嘴开度的特点，提出了一种新的分层调配方法。

2）针对液控智能分注工艺不能监测井下各层注水量的缺点，提出了利用单层注入指示曲线和全井注入指示曲线测试数据计算分层注水量的方法，并编制了软件。

3）现场应用表明，该调配方法可靠，分层注水量计算方法能满足工程需求。分层注水解释结果对注水井精细注水管理具有重要的意义。