液控智能注水井下预置水嘴尺寸优化设计研究

2022-07-10赵广渊季公明苏毅王春林郭宏峰杨树坤

北京石油化工学院学报 2022年2期

赵广渊，季公明，苏毅，王春林，郭宏峰，杨树坤

(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)

渤海油田由于平台作业窗口紧张、定向井数多且井斜大等原因，采用钢丝/电缆作业进行分层注水量调配的常规注水技术适用性日益变差[1-6]，由于通过地面调节井下液控智能配水器水嘴开度的智能注水工艺操作可靠、调配方便[7-9]，已在渤海油田超过30井次的分注井中推广应用。

根据配注方案准确设置不同尺寸水眼的水嘴排列组合机构是该工艺技术应用成功的关键。通过调节水嘴开度改变注入水流过水嘴的节流压差，从而实现各层注水量的调配[10-12]。由于水嘴是预先设置集成在配水器内，若水嘴尺寸设计偏大，则节流压差偏小，可能导致层位超注且流量调节范围将偏小；若水嘴尺寸设计偏小，则节流压差偏大，可能导致层位欠注，影响注水开发效果[13-14]。目前液控智能配水器的水嘴设计主要基于经验，无相关系统方法。笔者结合平台注入条件、管柱结构、油藏各层吸水能力等影响因素，以最为典型的3层分注为例，提出一种水嘴尺寸优化设计方法。

1 液控智能注水技术介绍

1.1 技术原理及特点

液控智能注水技术系统主要由地面控制系统、可穿越控制管线的层间封隔系统和液控智能配水器组成。地面控制系统通过液压管线控制井下各层液控智能配水器的水嘴开度，实现地面或远程对井下各层注水量的调控，从而达到分层配注量要求。该技术的主要特点有：

(1)分层调配无需钢丝或电缆作业，测调效率高，减少作业综合成本，满足大斜度井、水平井、深井的作业需求；

(2)通过解码器“3-2”或液压N+1两种模式进行调控，最多可实现10级开度调节，流量可调范围大；

(3)液压推力大，相比电缆控制的智能注水方式，更适应井下复杂条件；

(4)地面可实现手动、自动一体化控制，操作快捷、方便。

1.2 液控智能配水器结构及工作原理

液控智能配水器采用液压控制调节方式，推力大，能适应井下复杂工况，其通过万向截止轮机构进行节点控制，实现井下各层注水量调节。

液控智能配水器的结构如图1所示。上接头带有液压油通道，外端与液压管线连线，内端与上内筒、上外筒通过螺纹连接，与活塞形成环形液压缸。滑筒在活塞的推动下可以自由滑动。中间套上端与上内筒通过螺纹连接，下端与水嘴套筒通过螺纹连接，水嘴套筒下端又通过螺纹与下内筒连接，形成固定内部结构。销钉安装在滑筒上，可以在中间套上的J形槽(如图2所示)中滑动。下接头内部带有液压油通道，外端与液压管线连接，内端分别与下内筒和下外筒通过螺纹连接。

图1 液控智能配水器结构示意图

图2 液控智能配水器J形槽结构平面图

水嘴套筒上分布有直径不同的水嘴，在上、下活塞推动下，滑筒带动销钉上、下滑动，销钉到达J形槽的设计位置时，滑筒上的过水口与水嘴套筒上的某个水嘴对准，通过调节销钉在J形槽中的位置，改变与滑筒过水口对准的水嘴，从而调节液控智能配水器的出水量，最终实现从地面对井下各层注水量的实时调控。

2 预置水嘴尺寸优化设计方法

根据油藏注采动态预测给出各层配注量范围，结合各层注水指示曲线，以3层分层注水为例，计算得到各层液控智能配水器井下预置水嘴的尺寸范围。

2.1 可获取单层注水指示曲线

注水井各层配注量范围为：1#层，(q1min，q1max)；2#层，(q2min，q2max)；3#层，(q3min，q3max)，其中，qimin为第i(i=1， 2， 3)层的最小注水量，qimax为第i(i=1，2，3)层的最大注水量。

各层吸水能力一定的情况下，各层注水量层间差异最大的情况有8种组合，将这8种配注制度记为：

{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)

每种配注制度对应1个井口总流量，8种配注制度对应的井口总流量记为：

{Q总1，Q总2，Q总3，Q总4，Q总5，Q总6，Q总7，Q总8}

(2)

考虑注水过程中的沿程压力损失、局部压力损失，各层的嘴前压力为[15]：

Pi嘴前=P井口+Pi 静液-Pi 沿程-Pi 局部

(3)

式中：Pi嘴前、Pi静液、Pi沿程、Pi局部分别为第i层的嘴前压力、静液柱压力、沿程压力损失和局部压力损失，MPa；P井口为井口注水压力，MPa；计算时取P井口=0.8Pmax，Pmax为考虑注水各节点压力损失和地层破裂压力时的井口安全注水压力[16-18]。

通过式(1)～式(3)计算得到8种配注下各层的嘴前压力Pi嘴前。

根据各层的注水指示曲线资料，计算得到各层配注量极限值对应的地层注入压力，即嘴后压力Pi嘴后，那么，(q1min，q1max)对应(P1嘴后min，P1嘴后max)，(q2min，q2max) 对应(P2嘴后min，P2嘴后max)，(q3min，q3max) 对应(P3嘴后min，P3嘴后max)。

式(1)的8种配注制度下对应的各层嘴后压力为:

{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)

注入水通过液控智能配水器的水嘴，嘴损与流量关系符合[19-20]：

(5)

式中:K为嘴损常数，与水嘴排布方式和形状有关；di为第i层水嘴的当量直径，mm。

根据式(4)、式(5)可求得第i层井下预置水嘴的8个当量直径din(n=1，2，…，8)，得到第i层水嘴的最小当量直径dimin和最大当量直径dimax。再根据水嘴调节级数N，在dimin～dimax之间均匀地选择(N-2)个当量直径，组成第i层的N个水嘴当量直径。

2.2 无单层注水指示曲线

渤海油田平台空间有限，相对陆地油田油水井测试作业成本高，多数注水井缺少吸水剖面测试资料[21]，在此提出一种预设各层嘴后压力，通过遍历计算每种情况下的水嘴当量直径，求得各层的水嘴当量直径范围。

分层注水时，各层的最大嘴后压力为：

Pi嘴后max=P井口max+Pi静液

(6)

式中：P井口max为最大井口注水压力，MPa。

根据矿场实践经验，渤海油田液控智能注水最大可调的层间压差为5 MPa，注水层配注量上下限对应的最大压差为3 MPa，那么各层最小嘴后压力为：

Pi嘴后min=Pi嘴后max-3

(7)

且需满足以下条件：

|Pi嘴后max-Pj嘴后min|≤5

(8)

式中：Pi嘴后、Pj嘴后分别代表第i、j层的嘴后压力，且i≠j。

根据式(6)～式(8)预设出各层的Pi嘴后min和Pi嘴后max，采用2.1中所述的同样计算方法，即可计算得到8种配注制度下各层的8个水嘴当量直径din。

在预设初始值的基础上，以0.5 MPa为步长，遍历各层的嘴后压力范围(Pi嘴后min，Pi嘴后max)。

最后，在各层的一系列水嘴当量直径中选出dimin和dimax，作为各层的水嘴当量直径设计范围，然后给出各层的N级水嘴当量直径。

3 预置水嘴尺寸优化设计软件

依据预置水嘴尺寸优化设计方法，编制了预置水嘴尺寸优化设计软件。软件计算流程如图3所示。软件输入模块包括注水井参数、注水参数、计算设定参数3个子模块。注水井参数包括注水井井深、井斜、管柱结构数据等基础信息；注水参数包括分注层数、井口最大注入压力、各层配注量；计算设定参数包括嘴后压力初始值、嘴后压力步长、配水器调节级数。