平衡注水工艺管柱及配套工具研究与应用

刁东镇1，刘常清2，王 柳1，田发超1，白鹏飞1

（1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，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

油藏持久开发导致储层在纵向上物性差异变大，分层注水是保持油藏压力，实现油田高产稳产及改善油田开发效果的有效方法[1-5]。目前水平井在渤海油田单砂体（单层）开发中应用日益增多。统计显示，渤海湾在生产和在建油田中，水平井及大斜度井比例越来越大，水平井总数已经超过了600口，井斜超过70°的注水井已经超过100口。水平井能够获得较常规定向井更高的初期产能，是快速获得产量的高效开发方式[6]，但是水平井由于井段过长，多数未进行分段开发完井，存在产液剖面及注水剖面不均匀的问题[7,8]。

渤海油田水平注水井大多采用笼统注水，注入点一般在顶部封隔器以下几十米位置，单点注入，无法满足跟、趾部分开或同时注入要求。由于水平井井段吸水剖面存在差异性，导致油田见水后含水上升较快，存在明显注入突进，注采矛盾日益突出。以某油田A1H井为例，属于单砂体水平井组开发，2014年5月投产，2014年11月注水，注水开发6个月后井组见水，之后含水快速上升。另外，水平注水井受管柱下深和井斜限制，无法实现常态化吸水剖面测试要求，缺乏吸水剖面测试数据等重要资料，无法有效地指导酸化、堵水等增产措施作业。目前，水平井调剖调驱采用笼统注入的方式，缺乏针对性和目的性，无法实现针对水平井井段吸水剖面差异化的精细调剖调驱。

水平注水井矿场测试结果表明，在相同注入压力条件下，改变注入方式，沿水平井井段吸水剖面得到有效改善。通过从跟部或趾部或两端同时有控制地注水，能最大程度地改善水平井组注采矛盾，提高注水利用率。

基于以上背景，提出水平注水井跟、趾部平衡注水概念并设计了一种适合海上油田水平井的平衡注水工艺管柱及配套工具。该工艺管柱能满足水平井跟、趾部选择性分流注水要求，实现水平井多点注入，设计的配套工具能通过调整水嘴个数和大小控制跟部和趾部注水量，改善注水效果。同时，该工艺管柱可辅助水平井调剖调驱作业，实现水平井调剖调驱效果最大化。

1 平衡注水工艺管柱设计

1.1 管柱结构设计

针对海上油田水平注水井目前开发特点（单点注入），提出水平井跟、趾部分开注水的平衡注水工艺技术概念，结合海上油田钢丝/电缆作业在井斜超过60°后难以下入的特点，提出平衡注水工艺管柱设计思路：在井斜小于60°位置下入一套平衡注水工作筒，工作筒下端通过油管扣与油管相连，油管下入至水平井趾部，工作筒具有径向和轴向过流通道，可实现水平井跟部、趾部选择性分流注水。工作筒内部下入平衡注水配水器，配水器具有径向和轴向水嘴，分别对应工作筒径向和轴向过流通道，通过调整配水器水嘴大小，满足跟、趾部流量调配要求。平衡注水配水器内径大于52mm，保障后期吸水剖面测试工具能顺利通过。平衡注水工艺管柱结构示意图如图1，工艺管柱主要包括井下安全阀、环空封隔器、平衡注水工作筒（内置配水器）、油管、带孔圆堵或引鞋。

图1 水平井平衡注水工艺管柱结构示意图Fig.1 Structural diagram of horizontal well balanced water injection process string

1.2 技术原理

如图1所示，注入水经油管到达平衡注水工作筒，在工作筒处进行分流。一部分沿工作筒径向水嘴流出，从跟部流向趾部；一部分从油管底部带孔圆堵处流出，从趾部流向跟部。

平衡注水工作筒（内置平衡注水配水器）放置到井斜小于60°位置（原井顶部封隔器上下位置均可），方便钢丝作业打捞平衡注水配水器。平衡注水工作筒有径向和轴向两个注水通道，分别对应水平井跟部和趾部注水。平衡注水配水器上装有可调水嘴，通过改变配水器水嘴大小从而实现流量调配的目的。关闭配水器径向水嘴，注入水从带孔圆堵处流出，从趾部流向跟部，关闭配水器轴向水嘴，注入水从工作筒径向水嘴处流出，从跟部流向趾部。配水器最小内径52mm，满足后期吸水剖面测试工具串（外径45mm）下入要求。平衡注水管柱利用新下入的封隔器对油套环空进行隔离保护，保证井筒的安全性。该工艺管柱主要解决长水平段注水井单点注入，吸水剖面不均匀，注水效果差，无法常态化进行吸水剖面测试等问题。

1.3 测试原理

平衡注水管柱采用超声波流量计进行流量测试，流量测试工具串组合：加重杆+万向节+扶正器+超声波流量计+扶正器+导向头。超声波流量计内含数据存储单元，井下测试数据存储在流量计内，在地面用电脑读取井下流量数据。测试作业时，钢丝作业将流量计工作串下至工作筒以下30m位置，井口开始注水，记录井口注水压力，此处测得流量数据为趾部吸水量，趾部吸水量测试结束后上提工具串至工作筒以上30m位置。在相同注水压力下开始流量测试，此处测得流量数据为整井吸水量，利用流量递减法计算各层吸水量。例：井口压力为P，流量计在工作筒上部测得流量为整井吸水量Q整，在工作筒下部测得流量为趾部吸水量Q趾，则跟部吸水量为Q跟=Q整-Q趾。

1.4 技术特点

1）满足水平井多点注入要求。工艺管柱具有一个径向出水通道和一个轴向出水通道，将水平井注水方式由单点注入变为多点注入，通过跟、趾部同时或分开注水，有效改善吸水剖面。

2）满足水平井跟、趾部注水量调控要求。平衡注水工作筒与配水器下至井斜小于60°位置，满足钢丝作业投捞要求，通过更换平衡注水配水器上水嘴的大小控制水平井跟部和趾部的注水量。

3）满足水平井精细调剖调驱要求，工艺管柱最小内径52mm，满足吸水剖面测试工具串下入要求。调剖作业前，先下入吸水剖面测试工具，测试全井段吸水剖面，根据测试结果，选择调剖体系从跟部注入或趾部注入或同时注入，能最大程度做到精准封堵。

1.5 技术参数

1）适用条件：长水平段注水井。

2）最大注入量：800m3/d。

3）耐压等级：35MPa。

4）耐温等级：120℃。

5）工艺管柱最小内通径：52mm（配水器）。

2 配套工具设计

2.1 平衡注水工作筒

平衡注水工作筒主要由本体、水嘴护罩两部分组成，结构示意图如图2。工作筒通过本体上下油管扣与油管连接下入井中，工作筒本体上有径向和轴向两个出水通道，径向出水通道满足从跟部注入要求，轴向通道满足从趾部注入要求，水流方向如图4红色箭头所示。工作筒径向水嘴上下位置有密封面，与配水器密封盘根配合，实现水嘴上下密封。水嘴护罩主要用于阻挡水流直接冲击防砂管柱筛盲管。

图2 平衡注水工作筒结构示意图Fig.2 Structural diagram of balanced water injection cylinder

图4 A1H井调驱井组曲线Fig.4 Curve of well cluster of well A1H

2.2 平衡注水配水器

平衡注水配水器主要由打捞头、密封盘根、径向水嘴短接、连接筒、轴向水嘴短接等几部分组成，如图3所示。平衡注水配水器具有径向和轴向水嘴，与工作筒配合使用，分别对应平衡注水工作筒径向和轴向注水通道。配水器内径52mm，下至井斜小于60°位置，不影响吸水剖面测试工具串下入（吸水剖面测试工具串最大外径45mm）。配水器上部水嘴结构与现有“空心集成”水嘴结构相同，下部水嘴结构和“一投三分”水嘴结构相同，方便使用。配水器下部出水短接具有带水嘴和不带水嘴两种型号，下部出水短接可现场更换，正常注水时，配水器下部为无水嘴短接，保障工艺管柱内通径为52mm，需要调控趾部注水量时，捞出井下配水器，下入有水嘴结构的短接。配水器上下出水孔间距大于1.5m，满足装水嘴后趾部流量测试要求。

图3 平衡注水配水器结构示意图（带水嘴）Fig.3 Structural diagram of balanced water injection distributor (with nozzle)

3 实施效果

以海上某油田A1H为例，属于单砂体水平井组开发，油藏平均温度为72.6℃，平均孔隙度26.7%，平均渗透率1461mD，属于中高孔渗油藏。2014年5月投产，2014年11月注水，注水开发6个月后井组见水，之后含水快速上升，调驱前井组含水为74%。

2018年9月10日，A1H井实施了水平井平衡注水工艺并进行吸水剖面测试，9月22日该井开始在线组合调驱，10天后受益井含水即开始下降，最大降幅达到15%以上，目前井组含水下降10%，日增油达30m3，起到了良好的降水增油效果。

截至2021年底，水平井平衡注水工艺在渤海油田累计应用12井次，现场作业成功率100%。现场应用结果表明，此工艺能够满足水平井跟、趾部分开或同时注水需求，同时可有效提高稳油控水措施效果，有一定的推广应用价值。

4 结论

1）实现了海上油田长水平段注水井平衡注入，改变了长期以来水平井笼统注水的现状，具有开创性的意义。

2）实现水平井根部、趾部选择性分流注水和分流调配，可以最大程度地改善水平井开发存在的注采矛盾，有效提高了水驱开发效果。

3）有效提高稳油控水措施效果，具有辅助调剖调驱的积极作用，对渤海同类水平井高效开发具有重要的推广意义。

4）海上油田首次应用该技术成果，且其使用效果明显。在更换平衡注水管柱后实施调驱，10天后含水开始下降，最大降幅达到15%以上，起到了良好的稳油控水效果。调驱后，井组降水增油效果明显。