海上油田大排量分层测调注水技术研究及应用

黄泽超，沙吉乐，刘铁明，王 柳，郑春峰，薛德栋

（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

近年来，渤海油田作为主力水驱开发油田，注水井数量逐渐增多，分注率逐步提高。截至2021年底，总注水井约1000口，其中分注井数约990口，分注率约达99%。整体注水工艺经过几十年的发展，形成了空心集成注水、边测边调注水、缆控智能注水和无缆注水4项主流注水工艺技术，且随着智能化、数字化技术在石油领域的推广应用，空心集成注水工艺的应用推广逐渐减少，调配方式由纯机械调配向着多层段、智能在线调配发展[1,2]。随着海上油田开采进入中后期，地层能量逐渐亏空严重，部分注水井的注水量已无法满足地层对于能量补充的需求，大排量分层配注是及时补充地层能量的有效手段[3,4]。然而，常规4.75″、3.88″、3.25″防砂完井工艺内通径尺寸较小，工艺管柱和注水工具在安全注入流速下无法满足2000m3以上注水，且现有边测边调分注、有缆预置电缆分注和无缆分注工艺无配套大排量测调注水工具，满足不了大排量注入需求，有缆液控智能注水工艺具有配套7″、9-5/8″注水工具，可实现大排量注入，但仅能实现分挡位控制，无法实现大排量精细配注[5-11]。

鉴于此，开发了海上油田大排量分层测调注水技术，设计大排量注水管柱、大排量注水工具、测调仪器和地面控制器，利用电缆将测调仪器下入井下，在线监测注水量。根据油藏需求精确调节地层配注，提高注水井大排量注水测调效率和配注精度，为海上油田受益井及时补充地层能量，保障受益井产能。

1 技术分析

1.1 管柱方案

海上油田大排量分层测调注水技术管柱主要由油管、安全阀、水力锚定器、隔离封隔器、测调工作筒、底部支撑锚和单流阀等组成，如图1。测调工作筒、层间封隔器及锚定工具等通过油管下入井下，封隔器实现地层分隔，锚定工具实现注水段管柱双向锚定，防止管柱蠕动，测调工作筒实现各地层分层注水。测调仪器通过电缆下井，并与地面控制器及井下测调工作筒对接，地面控制器控制测调仪器监测地层注入参数，调节工作筒水嘴大小。

图1 大排量分层测调注水技术管柱Fig.1 Large-displacement stratified measurement and adjustment water injection technology string

1.2 技术原理

海上油田大排量分层测调注水技术适用于6″防砂注水管柱和套管完井管柱，根据油藏对注水井的分层注水需求，管柱携带多套隔离封隔器和测调工作筒下入，通过对测调工作筒水嘴的开关和开度调节，达到多层段分层注水的目的。

测调时，电缆连接地面控制器和测调仪器，测调仪器随电缆下井，通过电缆下入深度对比判断测调仪器在井下的位置，逐层测调。测调仪器在井下与测调工作筒对接后，地面控制器通过电缆向测调仪器发送作业指令，测调仪器根据作业指令监测井下流量、压力等井下数据，调节测调工作筒水嘴开度，并将监测到的数据回传地面控制器，测调功能一体，确保调配精度。当注地层注水量不满足油藏注水需求时，增大测调工作筒水嘴，即为正调；当地层注水量超出油藏注水需求时，减小测调工作筒水嘴，即为负调。

验封时，钢丝作业下入配套验封仪器，将验封仪器定位在测调工作筒内部，通过自身携带的密封盘根在测调工作筒水嘴上下位置封隔水嘴，油管内打压，利用验封仪器携带的压力计监测油管内和油管外压力，通过对比两个压力数据的变化，确定分注管柱层间封隔效果。

1.3 技术特点

1）适用于6″防砂注水管柱和套管完井管柱注水井大排量注水，适用井斜≤60°，一体化工艺管柱。

2）可在线监测井下注入流量、注入压力数据，边测试边调节，配注精度高。

3）一趟电缆作业完成各层段注水测调，测调效率高、成本低。

2 配套工具设计

2.1 测调工作筒

2.1.1 结构及主要技术参数

测调工作筒是大排量分层注水的关键注水工具，主要由1-上接头、2-外筒、3-调节轴套、4-水嘴座及5-下接头组成，内部设置扶正结构、定位防转结构、调节结构、桥式通道和动密封保护结构等。为避免测调时测调仪器过载，调节结构采用全开、全关极限位置脱扣设置，同时为避免注水时流速过高冲蚀水嘴，水嘴处选用硬质合金材料。整体结构如图2。

图2 测调工作筒结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the structure of the test and adjustment mandrel

测调工作筒的主要技术参数：耐温等级：150℃，最高工作压力：35MPa（压差），最大外径：φ135mm，最小内径：φ53mm，水嘴当量直径：φ24mm，全井最大设计注入量：2990m3/d，单层最大注入量：1450m3/d（压差1MPa）。

2.1.2 工作原理

流体通过上接头进入测调工作筒，一部分流体进入中心注入通道，另一部分流体进入桥式通道，中心通道中的流体一部分眼水嘴注入地层，另一部分流向下一地层。桥式通道内的流体主要流向下一地层，保证单层测调时，其他层位正常注水。当测调时中心通道注水量无法满足注水需求时，桥式通道内的流体同样也可注入当前层。

测调仪器下井与测调工作筒对接时，扶正结构对测调仪器进行导向和扶正，便于对接和下入，定位防转结构与仪器定位臂和防转臂对接，防止测调时仪器携带上部电缆转动，调节结构内部设置调节槽与仪器调节臂配合，如图3。

图3 测调仪器与测调工作筒配合示意图Fig.3 Schematic diagram of the coordination between the test and adjustment instrument and the test and adjustment mandrel

测调时，调节轴套随着测调仪器的调节臂旋转，沿水嘴座上的行程螺纹上下移动，带动测调工作筒的活动水嘴上下移动，实现水嘴开度调控。调节轴套顺时针转动，测调工作筒的活动水嘴向下移动，水嘴开度减小，注水量减小；调节轴套逆时针转动，测调工作筒的活动水嘴向上移动，水嘴开度增大，注水量增大。

当调节轴套随着测调仪器旋转至水嘴全开或水嘴全关极限位置时，调节结构与测调仪器的调节臂脱离配合，调节轴套不再随测调仪器发生旋转。此时，反向调节水嘴开度，调节结构与测调仪器调节臂恢复配合，调节轴套可随测调仪器反向旋转。

动密封保护结构用于防止水嘴开关过程中由于注入流体流速过高导致动密封件受到冲击脱离密封槽，影响水嘴的密封效果或水嘴的可调性能。当调节水嘴由打开至全关时，活动水嘴向下移动，将动密封保护结构推开，活动水嘴与动密封配合；当调节水嘴由全关至打开时，动密封保护结构随着活动水嘴向上移动，活动水嘴与动密封结构分离，动密封保护结构覆盖动密封。

2.2 井下测调仪

2.2.1 结构组成

测调仪器主要由：1-电缆头、2-外磁式电磁流量计、3-温度、压力传感器、4-测控电路模块、5-电机模块、6-导向凸轮、7-定位臂、8-调节臂、9-加重杆连接头组成，如图4。电磁流量计和压力、温度传感器可测试注入流量、压力和温度数据，并将数据回传至测控电路模块；测控电路模块连接变速伺服电机，电机连接多级减速器，电机输出轴通过高压防水密封后与支撑臂、定位臂连接。

图4 测调仪器结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of the measuring and adjusting instrument

测调作业时，单芯电缆连接过载保护电缆头，为测调仪器供电和传输控制信号、数据，测调仪器接收到地面控制器指令后，测试地层注入流量、压力、温度等参数，同时控制电机转动，带动调节臂调节测调工作筒水嘴开度，进而调节地层注水量，并将测试到的地层注入数据传递给地面控制器，直到地层注水量满足油藏需求。

2.2.2 技术参数

主要技术参数包括：仪器外径：φ48 mm，仪器长度：1830mm，流量测试范围：50m3/d～3000m3/d，流量测试精度：≤3%，压力测试范围：0MPa～70MPa，压力测试精度：0.2%FS，输出扭矩：40N·m，耐温等级：150℃，工作电源：130VDC～140VDC，供电与通讯：单缆变频载波。

2.3 地面控制器

通过RS485与上位机连接，通过电缆与测调仪器连接，接收上位机命令，向测调仪器发送作业指令，控制测调仪器调节测调工作筒水嘴开度，接收井下回传数据，传递上位机实现在线直读。

适用温度：-30℃～80℃，输入电源：220V±0.5%、50 Hz±1，防爆等级为ExdII BT6，防护等级为IP55～IP56， 输 出 电 源：0 VDC～ 175 VDC、0 mA～500 mA，供电与通信：单缆变频载波。

3 现场应用

研发完成的大排量分层测调注水工艺技术已在海上XX36-1油田和XX11-6油田进行了2口大排量注水井试验应用，最大分层数3层，最大下入深度2500m，最大应用井斜50°。从应用井情况看，全井最大注入量达到3500m3/d，单层最大注入量1400m3/d，单层最小注入量60m3/d，单井测调时间在8h以内，分层流量测调误差在5%以内，分层配注合格。调配过程中，测调工作筒与测调仪器对接成功率100%，水嘴开关顺利，测调仪器通讯良好，测调性能可靠，达到了海上油田大排量分注井高效测调的时效和技术要求。相比现有注水工艺单层最大注入800m3/d，单层注水效率提升81%，相比现有注水工艺全井最大注入量1500m3/d，全井注水效率提升了100%，提高了注水开发效率，取得了较好的应用效果。

4 结论

1）研发海上大排量分层测调注水工艺技术，设计了测调工作筒、测调仪器和地面控制器，适用于6″防砂注水管柱和套管完井注水管柱，满足海上油田大排量分层测调注水需求。

2）测调工作筒开关性能良好，与井下测调仪器对接成功率高，测调仪器在井下通讯良好，测调性能可靠，实现了井下参数的精确监测和各层注水量的精确调配。

3）大排量分层测调注水技术提高了注水效率，及时补充地层能量，且一趟电缆作业完成所有层位调配，测调效率高，降低了作业成本，满足海上油田低成本、高效开发需求，有较高的应用推广价值。