桥式同心井下恒流分层注水技术

杨玲智， 周志平， 杨海恩， 姬振宁

（1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院, 陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西西安 710018）

精细分层注水可有效缓解油藏层间、层内非均质性导致的纵向水驱不均难题，大幅提高油藏水驱采收率，是国内外最经济、最有效的水驱稳产手段。截至目前，国内已发展形成了固定式分注、偏心分注和桥式分注等分层注水技术，满足了直井、定向井精细分层注水的要求，已规模化应用6万余口井[1–7]。但应用分层注水技术时，测调周期内水嘴的开度是固定的，当注水压力波动时，分层注水量变化幅度大，尤其在低渗透油藏小注水量分注时尤为突出[8–10]。长庆油田低渗透油藏目前就存在分层注水合格率受压力波动等因素影响而下降快的问题。对于该问题，缩短测调周期可在一定程度上改善，但测调费用会大幅升高，严重影响了分层注水的经济性[9]。为了解决长庆油田低渗透油藏分层注水合格率受压力波动等因素影响大的问题，笔者分析了井下恒流控制原理，设计了井下小体积水嘴自调节机构，将其集成于桥式同心井下恒流分层配水器，以缓解压力波动导致的分层注水量不稳定的问题，并基于此形成了桥式同心井下恒流分层注水技术。该技术在长庆油田应用40余井次，提高了分层注水合格率，延长了测调周期，降低了测调费用，取得了很好的综合应用效果。

1 井下恒流控制原理

依据伯努利方程[11]，对水嘴的水力学特性进行了分析。水嘴流量可表示为：

式中：Q为水嘴流量，m3/d；Cd为流量系数；A为水嘴开度面积，m2；Δp为水嘴前后压差，MPa；ρ为注入水密度，kg/m3。

由式（1）可知，注水过程中，注入水密度ρ、流量系数Cd为定值，水嘴调节周期内水嘴开度面积A也为定值，要使水嘴流量Q相对恒定，需控制水嘴前后压差Δp的变化幅度。

基于式（1），设计了控制井下恒流的自调节机构（见图1）：p1为进液口前（减压前）的压力，p2为经自调节机构过流通道后（减压后）的压力，通过侧向导压通道将压力p2导向自调节机构的大圆柱下端和小圆柱上端，经过人工调节水嘴流出，出液口外（节流后）的压力为p3，与自调节机构大圆柱上端的弹簧腔相通（Fs为弹簧弹力，N）。其控制原理：自调节机构中平衡弹簧产生附加压力Δp'（Δp'=p2－p3），使水嘴前后实际压差变为Δp+Δp'，抵消注水压力增量，来控制水嘴流量Q使之保持平稳，即通过自动调节Δp'来确保流量恒定不变。

图1 恒流控制原理示意Fig.1 Principle of constant flow control

2 关键结构设计

桥式同心井下恒流分层注水工具主要由验封测调一体化仪器、桥式同心井下恒流配水器组成。其中，验封测调一体化仪器是成熟工具。因此，桥式同心井下恒流配水器是该技术的核心部分，需要实现恒流组件的小型化设计及小流量恒流控制。

2.1 井下恒流配水器的结构

考虑配水器本体空间限制、自调节机构调节启动压差等因素，井下恒流配水器采用同心齿轮啮合调节机构。即通过调节大齿轮带动传动齿轮副旋转，传动齿轮副带动调节水嘴阀芯运动，来调节配水器水嘴开度。配水器本体内设计自调节机构，置于中心通道与节流组件之间，建立分层水流通道。

井下恒流配水器主要由上接头、定位筒、外护筒、本体、节流组件、调节套、下接头、出水口、水嘴阀芯、传动齿轮副、平衡弹簧及自调节机构组成，本体上设计了出水口、自调节机构，节流组件包括水嘴阀芯、传动齿轮副，如图2所示。

图2 恒流配水器和节流组件的结构Fig.2 Structures of constant-flow water distributor and throttling assembly

2.2 井下小体积水嘴自调节机构设计

自调节机构需满足小型化及恒流调节控制要求。为此，进行了如下设计：配水器外径0.114 m，最大内通径 0.046 m，按照配水器承压 60 MPa、抗拉强度550 kN，配水器本体上自调节机构的环空间隙0.018 m，考虑密封胶圈安装，将自调节机构的最大外径设置为0.017 m，机构上端、下端用胶圈密封；因为平衡弹簧为恒流控制关键，用Δp（Δp=p1－p2）在自调节机构端部产生的作用力平衡弹簧压缩；过流面设计为矩形，长度0.004～0.009 m，承压移动距离0.006 m，用其平衡弹簧的压缩行程；考虑平衡弹簧的工作环境、压力波动的敏感性、承载压力循环载荷频率等因素，压力波动值设计为0.2～1.5 MPa；弹簧的初始参数：工作行程0.006 m，外径0.015 m，最小载荷 39.2 N，最大载荷 196.5 N。

假定弹簧预紧安装形变量为0.005 m，最小载荷为 39.2 N，压紧形变量为 0.011 m，最大载荷为 196.5 N，弹簧材料的抗拉强度为1750 MPa，依据力学疲劳公式，求得极限剪切应力为875.0 MPa。同时，求得线径0.002 m弹簧的极限载荷为213.0 N；以弹簧作用10 000次循环应变的疲劳验算，疲劳强度安全系数为1.245，达到设计要求。

3 室内性能试验

3.1 基础性能试验

由文献[4]可知，桥式同心井下恒流配水器应在25.0 MPa压差下，水嘴密封可靠，满足封隔器坐封要求。同时，常压测调扭矩应小于5.0 N·m，带压测调扭矩应小于 18.0 N·m。

3.1.1 配水器密封性试验

将桥式同心井下恒流配水器的水嘴关闭后，安装于密封性测试装置，在内外压差25.0 MPa条件下稳压 5.0 min，无压降，密封合格。

3.1.2 调节扭矩试验

在常压条件下，模拟调节仪带动水嘴旋转开关，试验得到测调扭矩为3.0～4.0 N·m，符合测调扭矩小于 5.0 N·m 的要求。

在内压 20.0 MPa、环空压力 18.0 MPa 条件下，模拟正常注水时打开水嘴的情况，试验得到扭矩为10.0～14.0 N·m，满足测调扭矩小于 18.0 N·m 的要求。

3.2 恒流性能试验

为了解桥式同心恒流配水器的恒流性能，设计了恒流试验装置（如图3所示），进行了恒流性能试验。试验分3组进行：1）单配水器恒流恒流性能试验；2）恒流配水器与常规配水器恒流性能对比试验；3）2支恒流配水器相互影响试验。

图3 恒流配水器试验装置示意Fig.3 Testing apparatus for constant-flow water distributor

3.2.1 单配水器恒流性能试验

将1支桥式同心恒流配水器连接于试验装置，设置初始注入压力 1.5 MPa，压力上升幅度 0.3 MPa，最大注入压力3.6 MPa，出口压力为大气压，试验结果如图4所示。

图4 单支恒流配水器恒流性能试验结果Fig.4 Constant-flow performance test of a single constantflow water distributor

由图4可知，压力上升最大幅度2.1 MPa，流量变化7.0%，满足分层注水要求。

3.2.2 恒流配水器与常规配水器恒流性能对比试验

将1支桥式同心恒流配水器与1支常规配水器串联连接于试验装置，设置初始注入压力1.0 MPa，初始流量10.7 m3/d，测试注入压力分别为1.1，1.9和3.6 MPa时2支配水器的流量，结果如图5所示。

图5 恒流配水器与常规配水器恒流性能对比试验结果Fig.5 Comparison of test results of constant-flow performance between constant-flow water distributor and conventional water distributor

由图5可知：相同压力变化条件下，恒流配水器流量变化小，波动幅度均小于1.07 m3/d；而常规配水器压力波动 0.8 MPa 时，流量波动达 7.28 m3/d。

3.2.3 2 支恒流配水器相互影响试验

将2支桥式同心恒流配水器串联连接于试验装置，初始注入压力 1.5 MPa，初始流量 10.7 m3/d，测试注入压力分别为1.6，2.2和3.2 MPa时2支配水器的流量，结果如图6所示。

由图6可知：配水器间流量差小于0.107 m3/d，恒流配水器间的相互影响较小；压力波动1.7 MPa时，流量波动0.715 m3/d，误差仅6.6%。

图6 不同压力波动下恒流配水器间影响试验结果Fig.6 Influence test of constant-flow water distributor under different pressure fluctuations

上述试验结果表明，桥式同心恒流配水器能够有效缓解压力波动导致的流量变化，从而延长分层注水有效期。

4 现场应用

以上述水嘴自调节机构为核心的桥式同心井下恒流分层注水技术，在长庆油田的南梁、环江、华庆等区块已应用40余井次，配套测试100 余井次，单层配注量 5.0～10.0 m3/d，系统压力在 0.5～1.5 MPa波动，6个月后分注合格率75.0%，预计单井年可减少人工测调2井次，节约测试成本2.6万元。应用结果表明，该技术可以解决压力波动导致的分层注水合格率下降问题，进一步提高分层注水的适应性、减少现场作业频次，实现分层注水提质增效。

以3口井（H553-57井、H480-52井和H480-50井）为例，分析具体应用情况，并与一口未应用该技术的邻井（H553-59井）进行了对比，结果见表1。

表1 桥式同心恒流分层注水技术3口应用井与邻井的对比Table 1 Cmparison of three wells used constant-flow stratified water injection technology with concentric bridge and adjacent wells

从表1可以看出：3口应用井均验封合格，测调后分层流量满足长庆油田测调误差不高于10%的要求，6个月后实注量与配注量误差在2%～15%，满足长庆油田配注误差不高于20%的要求；邻井H553-59井虽然调后分层流量满足长庆油田测调误差不高于10%的要求，但3个月后上、下层实注量与配注量误差分别为21.3%和25.7%，已不满足长庆油田配注误差不高于20%的要求。

连续测试了应用井H553-57井9个月的实注量，结果如图7所示。

图7 H553-57井9个月分层测试数据Fig.7 9-month Stratified testing data in Well H553-57

从图7可以看出，H553-57井上下两层6个月的实注量与配注量误差在2%～15%，满足配注误差不高于20%的要求，说明采用桥式同心井下恒流分层注水技术可将测调周期由3个月延长至6个月，测调频次可由4次/年减少至2次/年。

5 结论与建议

1）设计了恒流自调节机构，集成在桥式同心配水器内，注水压力自动调节范围0.2～1.5 MPa，实现了井下分层注水量恒流调节。

2）以井下小体积水嘴自调节机构为核心的桥式同心井下恒流分层注水技术，在低渗透油藏分层注水效果良好，6个月后分层注水合格率可保持75.0%，可有效延长测调周期，实现分层注水提质增效。

3）桥式同心井下恒流分层注水技术通过机械方式实现恒流调控，受注水工具空间限制，水嘴无法全行程自动开关，存在一定卡堵风险。建议进一步研究井下电动控制方式，提高自动化控制水平。