双通道智能分层注水工艺研究与应用

白鹏飞

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

油田注水开发是当前众多油田的主要开发方式之一。与陆地油田相比，海上油田注水井单井注入量大，但由于海上油田层间矛盾突出，造成各层段注入量不均问题非常明显。以渤海油田为例，一口注水井中吸水能力较好的层段单日注入量可高达上千方，而吸水能力较差的层段单日注入量可低至十数方，注水井排量跨度较大，对注水工作筒提出了更高的要求。

目前现有的分层注水技术调配过程均需要人为干预[1-4]，投捞式配水器调配需要反复投捞配水器芯子进行人工更换水嘴[5,6]，边测边调配水器需要电缆作业配合人为控制井下水嘴开度[7,8]，自动测调配水器虽然可以以测试实际注水量与配注量的差值为依据对配水器水嘴开度自动进行相应的开大或关小，但是海上油田各层吸水量差异大，部分层段吸水能力有限，即使配水器水嘴全部打开也存在无法达到配注量的情况，此时自动测调配水器持续进行水嘴开度调节，需人为干预进行停止，现场应用效果并不理想[9-15]。

1 双通道分层注水工具

针对现有产品存在的问题，设计一种海上油田注水井双通道流量控制系统及方法，解决海上油田大测试范围需求下的自动流量控制问题。将以往的注水井被动测调变为主动自动测调，适用于海上油田大测试范围的分层注水测试、调配，利用不同排量的两个工具，实现双通道智能分层注水。

1.1 工作原理

双通道智能分层注水控制系统将信号电缆作为系统电力及信号的传输介质，设计有两个内通径大小不同的测控过流通道。两个过流通道的下端连通，并通过测调水嘴的阀芯轴向位置变化，实现出水口与过流通道的调节，同时实现出水口与过流通道之间过流面积的调控，达到海上油田注水井分层注水量10m3/d～1000m3/d流量精确测控的目的。

双通道智能分层注水控制系统测控电路由采集模块、水嘴调节模块和控制模块组成，在控制模块的协调控制下可完成分层注水数据的自动采集和水嘴开度自动调节；地面综合诊断分析控制仪设有分析处理模块、存储模块和发解码模块，通过信号电缆与配水器的测控电路的发解码模块连接。地面综合诊断分析控制仪和双测控通道配水器双向通讯，一方面实时接收双测控通道配水器采集的分层注水数据，根据实时注水数据进行自动分析并给出优化的水嘴开度数据；另一方面，将水嘴开度数据与调控指令下发给双测控通道配水器，并实时监测双测控通道配水器的分层注水量和水嘴调控过程，指导双测控通道配水器水嘴自动调节，实现智能注水。

有缆测调工作筒下井到位后，管柱内的水流经过接头流入仪器。在仪器内部水流分为两部分：一部分经过流管流向下层，一部分经过仪器内部流量计和水嘴后流入本层。本层流量流经流量计便可完成流量测量，水嘴开度可调节，用于调节注水流量。

仪器的上、下接头分别用于连接油管管柱。仪器内部的螺环组件主要用于两端连接电缆；电路板组件用于采集和处理各传感器数据，并将数据通过电缆发送至地面，同时用于接收地面指令；水嘴用于注水开关机流量调节；流量计用于计算本层注入流量。电路板组件内还设计了压力、温度传感器，用于测量油管压力、底层压力和仪器的环境温度，压力传感器同时可用于封隔器的验封。

1.2 技术指标

有缆测调工作筒的技术指标见表1。有缆测调工作筒可测量当前注水层的流量、流量测量范围为60m3/d~500 m3/d，有缆测作筒可测量注水压力、地层压力，压力测量范围为0 MPa～60 MPa，温度测量范围为0℃～120℃。

表1 3.88″有缆测调工作筒技术指标Table 1 Specifications of 3.88″ cabled test and adjustment mandrel

1.3 工具特点

1）适用范围广。目前可实现深井、多层细分注水的海上开发井，不受井斜限制，单层排量范围大，适用于各种井型。

2）安全性高。双通道智能分层注水工艺完全采用成熟的控制机构及测试机构，井下工具稳定性高。

3）满足宽量程需求。通过双通道设置，分别满足了单层大排量及小排量精细测试的需求，单只仪器适用量程范围广，排量范围可达60 m3/d～500 m3/d，对海上油田精细化注采具有重大意义。

2 双通道排量节流压差有限元分析与试验

双通道有缆智能测调工作筒采用大小通道分别实现了不同排量的测试，因此针对不同通道的节流件进行有限元分析模拟，验证通道的节流压差，满足现场节流需求。

根据工作筒内过流通道的设计尺寸，提取出仪器流道，并导入FLUENT中流量计流道结构。对流道模型进行网格划分，对孔板及出水口部分网格进行细化。在入水口和出水口分别设置压力作为边界条件，模拟仪器进出口条件。分别计算各边界条件下的流量，流量数据见表2。

利用表2中的数据绘制流量压损关系曲线，如图1。压差与流量呈近似二次曲线管线关系。

图1 流量压损关系曲线Fig.1 Flow pressure loss relationship curve

表2 流量通道边界条件与计算流量Table 2 Flow channel boundary conditions and calculated flow

在有限元分析的基础上对某支仪器进行实际流量压损数据标定，分别记录孔前、孔后压力数据、流量数据等，数据记录见表3。

通过对表3数据分析，流量标定曲线如图2。试验表明，压差与流量的平方成正相关关系，拟合公式为：

图2 流量检定曲线Fig.2 Flow verification curve

表3 计算流量和标定台流量Table 3 Calculated flow and calibration bench flow

其中，P为压差，Pa；Q为流量，m3/d。

根据拟合公式，计算当排量小于536.45m3/d，压力损失小于1Mpa，满足单层注入500m3/d的设计要求。

3 现场应用

双通道智能分层注水工艺技术在渤海油田已现场应用20余井次，满足了不同排量的需求，每口井调配层数≥2，调配精度满足油藏需求，为精细注水提供了重要技术保障。以X-01井为例，该井分5层注水，配注量为1216 m3/d，更换为智能分注管柱后，利用双通道有缆智能测调工作筒，经过分层调配作业实际注入量为1228 m3/d，单层最大注入误差为2.63%，均在允许误差范围内。X-01井配注量与实际注入情况见表4。

表4 X-01井注入情况Table 4 Injection of well X-01

4 结论

1）大排量分层注水技术，满足了大排量注入需求，又同时满足了小排量精细注水的需求，单个工作筒可满足60m3/d～500m3/d注入需求。

2）通过有限元分析及现场试验表明，单层排量为536.45 m3/d，压力损失小于1 MPa，满足单层注入500 m3/d的设计要求。

3）现场应用表明，双通道智能分层注水管柱工具可靠，配注量与实际注入量误差较小，满足现场分注需求，为全面实现渤海油田智能测调提供了解决思路。