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新型细分注水技术研究 张健( 石油与天然气工程) 指导教师：周晓君( 教授) 摘要 油田中高渗透油藏综合含水已经达到8 9 9 ，整体进入高含水期 阶段，开采层间差异更加突出，层间干扰更加严重，水驱效果偏低。 由于常规分层注水工艺不能很好地适应高含水期的分层注水要求，要 提高高含水油田的采收率就必须针对油藏特点开发新型分层注水工艺 技术。本文主要研究了地面单层定量配注器、井下双层分注管柱、深 井两层分注管柱、井下三层分注管柱，对分层注水工具进行了室内坐 封、承压、解封实验。现场试验取得了良好效果，满足了油田分层注 水开发的需要，为高含水油田进一步细分层系，提高低渗透层薄夹层 油层的动用程度、有效实现合理注水，提高分层注水合格率提供了有 力的技术保障，保证了中高渗透油田注水开发工作的顺利进行，使油 田增产原油，取得较大的经济效益。 关键词：细分注水，工艺管柱，现场应用 r e s e a r c ho fn e ws u b d i v i s i o nw a t e ri n j e c t i o nt e c h n i q u e z h a n gj i a n ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rz h o ux i a o - j u n a b s t r a c t t h ec o m p o s i t ew a t e rc u ti sm o r et h a n8 9 9p e r c e n to ft h em o s t p e r m e a b l er e s e r v o i ri no i lf i e l d t h ee f f e c to f w a t e rd r i v eb e c o m eb a d f o r t h er e s e r v o i rh a sg o n ei n t ot h eh i g hw a t e rc u ts t a t e ，a n dt h ei n t e r v a l d i f f e r e n c ea n di n t e r a c t i o nb e c o m em o r es e r i o u s l y t h ec o m m o ns e p a r a t e l a y e rw a t e ri n j e c t i o nt e c h n i q u ec a l ln o ta d a p tt ot h er e q u e s to fs e p a r a t e l a y e ri n j e c t i o ni nh i g hw a t e rc u ts t a g e i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pn e w s e p a r a t el a y e rw a t e ri n j e e t i o nt e c h n i q u ea c c o r d i n gt ot h er e s e r v o i rf e a t u r e t oe n h a n c eo i lr e c o v e r y t h i sp a p e rm a i ns t u d i e dt w o l a y e rs e p a r a t e i n j e c t i o nt u b i n gs t r i n gi nw e l l ，t w o l a y e rs e p a r a t ei n j e c t i o nt u b i n gs t r i n gi n d e 印w e l l ，t h r e e l a y e rs e p a r a t ei n j e c t i o nt u b i n gs t r i n gi nw e l l ，e t c d o s e t t i n g ，p r e s s u r i z a t i o na n du n s e t t i n ge x p e r i m e n to fs e p a r a t ei n j e c t i o nt o o l s i nd o o r t h ee f f e c t i v e n e s si sf a v o r a b l ei nt h ef i e l da p p l i c a t i o n i ti sa p o w e r f u lt e c h n i q u eg u a r a n t e ef o rs a t i s f y i n gt h er e q u e s to fs e p a r a t el a y e r w a t e ri n j e c t i o ni no i lf i e l d ，a n df u r t h e rs u b d i v i d i n gl a y e rs y s t e mi nh i 曲 w a t e rc u tr e s e r v o i r , a n dr a i s i n gt h ep r o d u c t i v i t yi nl e s sp e r m e a b l el a y e r a n ds h o r tl a p ，a n d r e a l i z i n gr e a s o n a b l ew a t e ri n j e c t i o r t , r a i s i n gt h e q u a i i f i c m i o nr a t eo fs e p a r a t ew a t e ri n j e c t i o n ，e n s u r i n gt h ew o r ko f m i d d l e a n dm o s tp e r m e a b l er e s e r v o i rs u c c e s s f u l l y , a n dr a i s i n gt h ep r o d u c t i v i t yo f o i lf i e l d ，a n dm a k em o r ee c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：s u b d i v i s i o nw a t e ri n j e c t i o n ，t e c h n i q u ep i p e ，f i e l da p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 、 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：扫1 年5 - 月巧日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 加l 年s - 月巧日 抽 ，年f 窍 i e t 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 问题来源 临盘采油厂开发管理着临盘、商河、临南、江家店四个油田，已开 发的自然断块7 0 0 多个，属于复杂断块油藏。共动用地质储量2 2 6 9 3x 1 0 4 t ，其中，注水储量为1 4 0 0 2 x 1 0 4 t ，占动用储量的6 1 7 ，远远低于 全局7 6 5 的平均水平，累计注采比0 7 7 。 i 临盘油区油藏类型以多层层状断块油藏为主，由于层间、层内存在 严重的非均质性，油水井连通状况及对应程度差异较大，导致油田层间 动用不均、矛盾突出。目前的注水现状与稳产要求仍有较大的差距。2 0 0 5 年，总的注采井数比为1 ：3 0 ，开井注采井数比更低，达l ：4 2 。全厂 上报注水储量所占比例为6 3 。注采对应率只有5 6 8 ，其中，一向对应 率3 8 ，二向对应率1 7 4 ，三向以上对应率只有3 。分注井开井5 1 口， 其中两层分注井4 0 口，三层分注井1 1 口。2 0 0 5 年层段合格率仅为2 6 7 由于层段合格率较低，分注效果较差。全厂分注井逐年下降，分注 井开井数由9 8 年的1 1 9 口下降到2 0 0 5 年的4 6 口。其中，采油四矿下降 最为明显，由9 8 年的2 l 口井下降到2 0 0 5 的1 口。由于注采井数比低， 注水方向单一，全厂平均动液面由9 9 年的7 9 4 m 下降到2 0 0 5 年的8 5 6 m ， 注采对应率由9 9 年的5 8 3 下降到2 0 0 5 年的5 2 4 注水开发效果逐年变 差。分层注水问题成为制约油田稳产的首要因素。 临盘油田中高渗透油藏综合含水已经达到8 9 9 ，整体进入高含水 期阶段，开采层间差异更加突出，层间干扰更加严重，水驱效果偏低。 为了提高中高渗透油藏高含水期注水开发效果，高含水期阶段必须进一 步细分层系，提高低渗透层薄夹层油层的动用程度，因此分层注水管柱 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 应分层可靠、并能够防腐、防砂，配套工艺完善。由于常规分层注水工 艺不能很好地适应高含水期的分层注水要求，要提高高含水油田的采收 率就必须针对油藏特点开发新型分层注水工艺技术 1 2 国内各油田分层注水工艺技术现状及难度分析 1 2 1 国内各油田细分注水工艺现状简析1 】1 2 】【3 】 分层注水工艺技术，经过广大石油工作者的攻关，已形成了多种注 水技术的专用工具及分注配套技术。按配水器的类型可分为：固定配水 器、活动空心配水器、偏心配水器与液力投捞封隔配水器四大类型。在 现场，这些配水器普遍与y 3 4 1 一1 1 4 可洗井封隔器的等下井工具配套使 用，可以组成四大类分层注水主管柱，各分注管柱存在不同缺点：例如 固定式配水器调配水嘴必须起管柱，增大了措施费用，另外靠该配水器 的节流作用使封隔器坐封，所以只能与k 3 4 4 封隔器配套使用，造成管柱 承压能力低，有效期短，固定式配水器现油田基本不使用；活动空心配 水器反洗井时，配水芯子易被冲出工作筒，造成密封圈脱落或配水芯子 卡在悬挂器上，而使配水器失效，另外，受配水器内通径的影响，分注 级数受到限制，且测试仪器经常受阻，目前只有少数油田在局部使用； 偏心配水器为保证封隔器坐封必须逐层投捞带死嘴子的堵塞器，而要达 到地质配注要求，必须逐层投捞堵塞器，十分繁琐；液力投捞式封隔配 水器，常规仪器无法实现直接测试吸水量，封隔器坐封工艺繁琐。因此 为适应分层注水的需要，必须开发研制了性能优良的分层注水工艺技术。 1 2 2 细分注水工艺难度分析 目前，国内分层注水工具，无论是空心还是偏心细分注水工艺，其 主要组成井下工具有两部分，即配水器与封隔器。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 1 2 2 1 配水器【4 】【5 1 配水器作为细分注水工艺的核心工具，水嘴是整个分层注水工艺的 核心，由它来决定在统一的注水系统下每个井段的注入水量。它的性能 好坏和投捞调配成功率是影响分注井层段合格率的重要因素采用的配 水器为偏心与空心两种类型。从配水器的设计上，这两种类型配水器均 采用分级配水，单个使用( 即一层一个配水器) ，钢丝绳带打捞器逐级打 捞与投送的方式在应用中出现以下不足： 投捞调配工艺繁琐、复杂 水质不稳定对水嘴造成的堵塞，地层注入压力的变化；水嘴的刺大； 地质配注量的调整；堵塞器( 或配水芯子) 上的密封圈的老化等，都需 要及时对其进行投捞与调配，目前常规配水器( 空心与偏心) 的投捞方 式均采用钢丝绳带打捞器，据2 0 0 0 - 2 0 0 5 年的统计表明，偏心堵塞器的 投捞调配成功率仅为3 0 ，空心配水芯子的投捞调配成功率仅为4 0 。分 注井况按深度分，可分为中深井( 小于2 5 0 0 m ) 、深井( 大于2 5 0 0 m 小于 4 0 0 0 m ) 、斜井。钢丝绳带打捞器的打捞与投送方式在深井与斜井中实现 起来难度是相当大的。即使在中深井中，这种打捞与投送过程也相当繁 琐，处理完成一口井( 以2 3 层) 大约需要5 d 时间。一部打捞车全年满 负荷运转也最多处理5 0 多井次。随着开发的需要，分注井的增多，这种 投捞方式显然不能满足投捞调配的要求，是制约层段合格率提高的关键 因素。 控水水嘴尺寸设定的难度较大 注水层段要符合其配注量就需要对配水器的控水水嘴尺寸进行设 计。目前的水嘴设计方法存在以下问题：涉及到堵塞器、配水芯子( 装 水嘴的部件) 的投入或取出，测试、投捞调配的工作量较大；压力、流 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 量等资料的录取影响因素较多；计算水嘴工序繁杂，目前，油田的水嘴 调配仍需操作者查有关图版、曲线，手工操作的成分很大，不但所需时 间较长，而且误差较大。 1 2 2 2 封隔器【6 胴 水井封隔器主要有扩张式和压缩式两种，即y 3 4 1 11 5 压缩式封隔器 和k 3 4 4 型扩张式封隔器。封隔器承压能力低子1 5 m p a ，验封复杂，有效 期短。y 3 4 1 一l1 5 压缩式封隔器存在胶筒耐压差、封隔器验封工艺复杂、 坐封需要泵车、施工工序复杂等缺点，另外y 3 4 1 1 1 5 压缩式封隔器，由 于卡瓦片的生锈、结垢，造成不能解封，导致水井大修，另外，反洗井 阀容易结垢或砂卡造成封闭不严，使分注失效。2 0 0 5 年下半年1 2 口分 注井作业换管柱，其中7 口井转大修。 综上所述，随着油田开发工作的深入，分注井数，分注层数也日益 增多，所以分注井的投捞、测试工作量也越来越大。目前，现场使用的 细分注水工艺管柱逐渐暴露出许多问题：为保证封隔器坐封，必须逐层 投捞带死嘴子的堵塞器，然后逐层投入带相应大小水嘴的堵塞器后进行 注水；各注水层的注水量要达到地质配注要求，必须逐层投捞调换堵塞 器的水嘴：设定水嘴尺寸复杂；另外封隔器能否完全封住油套环形空间 也无法验证；管柱蠕动造成自锁式封隔器( y 型号封隔器) 的有效期短。 1 3 研究和试验内容、技术关键、技术路线与技术指标 1 3 1 研究和试验内容 研制新型的地面配注器 研制新型的井下双层分流器 研制新型的深井双层分流器 研制新型的井下三层分流器 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 研究控水水嘴直径的设定 研制液力分层测压力降落仪 试验与配套以上工具，完成分层注水管柱的改造。 i 3 2 技术关键 完成封隔器胶筒的优化，采用扩张式胶筒，避免了注水管柱蠕动 对胶筒的损坏，实现封隔器在5 5 m p a 工作压力下，3 5 0 0 m 的深井工作1 a 以上。并能保证顺利起出，不转大修。 实现封隔器能简捷的验证其密封性，不需要繁杂的工作。 实现方便、快捷的投捞与调配水嘴。并迅速的设定水嘴尺寸。 实现正常注水时，常规流量计的在线测试。 解决地面定量配注，优化注水管柱结构。 1 3 3 技术路线 为实现注好水、注足水、注有效水，遏制开发指标的下滑，全面总 结分析出现的问题，并及时解决。在这样的形势下，工艺技术人员在不 断研究开发了新的注水工具与工艺，优化了注水管柱，配套了投捞调配 工艺及测试工艺。 针对的分注状况，认为分注工艺的关键有两个：即配水量要配得准， 封隔器要封得住。从这两点出发，对国内外细分注水的管柱结构、井下 工具、配套测试技术进行了综合分析，针对临盘油区的地质特点，自行 设计开发配套了一种工艺管柱一免投死嘴恒流量偏心配水工艺管柱。 在此工艺管柱的研究中，因受水质及注水压差的影响，现场应用效果不 是很理想，使我们深刻地认识到：细分注水工艺管柱必须有方便快捷的 投捞调配工艺，工艺管柱配套的工具必须组配要少，结构简单、实用。 在总结目前细分注水工具的基础上，结合取得的一些经验与教训， 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 认为，细分注水的工具没必要完全一致，即先从2 层入手，想法解决2 层分注工艺问题，最后攻克3 层分注工艺问题。最终形成了一个独特的 技术路线。 首先进行国内外注水工艺技术调研，了解国内外注水工艺技术现状， 尤其是了解胜利油田目前的注水工艺技术以及存在的问题。并根据现有 注水工艺技术特点、存在问题和中高渗透油藏高含水期的注水特点，分 析现有技术的适应性，确定总体方案，包括：新型分层注水工艺技术、 对封隔器、管柱的在井检测试验研究，开展水嘴尺寸设定的技术试验研 究。然后设计出具体工具的结构并根据研究结果选择相应的防腐技术以 及相应的井下测试投捞调配工艺技术。按设计、论证、实施、试验、修 改完善、现场试验的路线进行研究，直至完全达到设计要求和现场需求， 形成一套完整的、先进的注水工艺技术。 经过攻关，研制成功了地面定量配注器、井下双层分流器( 两种型 号) 、井下三层分流器，分别适用于单层定量配注、两层分注、三层分注 工艺，逐步形成具有l 临盘特色的细分注水工艺管柱。结合工艺管柱的使 用研究成功了水嘴尺寸设定表格，在作业施工与采油过程中配套运用该 工艺管柱自身具有的验管柱漏失、验封隔器密封、液力投捞调配水嘴等 功能，最终形成了具有鲜明特色的细分注水技术。 1 3 4 技术指标 坐封无须泵车，采用扩张胶筒，在0 6 - 4 ) 8 m p a 压差下就可以密 封油套环空，密封压差3 0 m p a 。 洗井不设专用通道，停注时，胶筒自动收回，即可洗井，避免了 停注时因管柱蠕动而造成的封隔器失效，使用寿命长，也可用于出砂井 的细分注水，不易卡管柱。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 测试方便，简单。测试仪器只须下到该工具中心堵塞器上部测一 次，上提2 m 以上再测一次即可。 可方便快捷地投捞水嘴。其采用液力冲捞，从井口直接投入，无 须钢丝绳和泵车，并一次可检查1 3 个水嘴。可用于斜井细分注水。以 2 0 0 0 m 的并深为例，正常情况下，从井内把配水芯子冲出，需要2 0 m i n 左右。 配水器和封隔器一体化可实现最小夹层为l m 的小夹层的细分注 水。 研制地面定量配注器，实现地面在3 - 一3 0 m p a 的压力下，1 0 ，1 5 ， 2 0 ，3 0 ，3 5 ，4 0 ，4 5 ，3 0 0 m 3 d 的恒量注水。 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 第2 章新型细分注水技术的研究 2 1 地面单层定量配注器8 】【9 】 2 1 1 研究目的 实现地面定量配水，不用测试与调配，直接在注水井井口实现分水 控制，可满足低成本发展的战略要求，节约资金；并解决了配水问闸门 损耗问题，避免了注水压力波动对注水量的影响，不需要用阀门调节控 制水量。减低了阀门的损耗，有效期一年以上。 2 1 2 地面配注器的结构 地面配注器的结构如图1 所示。 图l地面配注器工作筒结构简幽 2 1 3 技术特点 地面配注器的技术特点如下： 在笼统注水井及单层配注井上使用，省去了工人由于压力变化 而调节配注量的大量工作量，保证了注水量准确。 对分注井，地面即可调配注水量，节省了大量测试与调配的人 力物力。 节省了大量的注水闸门。在地面即可清洗、调换( 配) 、拆卸， 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 十分方便。大大提高了工作效率。 2 1 4 技术参数 地面配注器的技术参数如表1 所示。 表1 地面配注器的技术参数 项目技术参数 总长( m ) 1 5 0 刚体最大外径c a m ) 9 0 最小内通径c a m )2 0 两端连接螺纹( m )2 7 8 t b g 工作压差( m p a ) 4 5 工作温度( ) 1 6 0 重量( k g ) 5 2 1 5 操作步骤 根据配注量将相应的定量堵塞器投入水嘴座，堵塞器的凸轮卡在 工作筒的水嘴座扩空处，拧上死堵后，正常注水，水由注水管的进水 口经堵塞器的滤网流过异型喷嘴后，流进注水管的出水口。洗井或调 配注水量时，拧开死堵，用钳子拽取放头，凸轮在扭簧的作用下收回， 堵塞器正常取出( 当生锈、结垢取不出时，还可用管钳拧下工作筒的 水嘴座更换水嘴座) 。 2 2 井下双层分注管桂【1 0 1 “1 2 2 1 管柱结构 该新型细分注水工艺管柱的主要工具有井下双层分流器 ( l p p s 1 1 3 ) 。管柱结构的主要特点是封隔器和配水器二合一。新型 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 两层分注工艺管柱的结构如图2 所示。 图2 新型两层分注工艺管柱 井下双层分流器主要有工作筒和配水芯子两部分组成，工作筒随 管柱下井，配水芯子用来控制水量，可以投捞。其结构如图3 所示。 1 一上接头2 一中心管3 一外筒4 一捕捞头 5 一皮碗6 一上压帽7 一上水嘴8 一胶筒 9 一下压帽 1 0 一下水嘴1 l 一下接头 图3 井下双层分流器结构简图 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 2 2 2 性能参数 井下双层分流器的技术参数如表2 所示。 表2 井下双层分流器的技术参数 项目技术参数 总长( m ) 2 1 0 0 刚体最大外径( m m ) 1 1 3 最小内通径( m m ) 4 8 适用套管内径( m ) 1 1 7 7 1 2 7 7 两端连接螺纹( m ) 。 2 7 8 t b g 坐封压力( m p a ) 0 5 加8 工作压差( m p a ) 5 0 工作温度( ) 1 4 0 重量( k g ) 7 5 解封方式上提解封 2 2 3 性能特点 可实现一趟管柱验证完井管柱的密封性，并可逐层录取分层吸 水资料和在地层允许的条件下实现合格注水的功能。 测试方便，简单。测试仪器只须下到该工具中心堵塞器上部测 一次，上提2 m 以上再测一次即可。 可方便快捷地投捞水嘴。其采用液力冲捞，从井口直接投入， 无须钢丝绳和泵车，并一次可检查两个水嘴。可用于斜井细分注水。 坐封无须泵车，采用扩张胶筒，在0 6 - - 0 8 m p a 压差下就可以 密封油套环空，密封压差3 0 m p a 。 洗井不设专用通道，停注时，胶筒自动收回，即可洗井，避免 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 了停注时因管柱蠕动而造成的封隔器失效，使用寿命长，也可用于出 砂井的细分注水，不易卡管柱。 配水器和封隔器一体化可实现最小夹层为1 m 的小夹层的细分 注水。解决了目前井下工具配件要求距离大于8 m 的问题。 结构简单，设计合理，使用方便，切合现场实际。 2 3 深井两层分注管柱【1 2 1 3 】 在针对深井及超深井的分注中( 井深大于3 0 0 0 m ) ，现有的分层注 水工艺技术已经暴露出一系列问题。诸如，由于井太深，投捞调配水 嘴工作难度相当大，封隔器有效期短。另外，由于井下温度过高( 大 于1 2 0 ( 2 ) ，使储存式电子流量计的测试误差较大，导致分层注水层段 合格率相当低，这些老工艺已经不能适应目前油田深井、高压注水开 发的需要。2 0 0 5 年1 0 月，研制成功了井下双层分流器i i 型( l p p s ( 2 ) 一1 1 3 型配水器) ，该工具配套其他封隔器使用。它由配水器工作筒与 配水芯子两部分组成，配水器工作筒随油管一起下入井中，配水芯子 用于投捞调配，配水芯子上装两个水嘴，分流器如图3 所示。该工具 的下入深度不超过2 0 0 0 m ，其上部紧接k 3 4 4 高温高压封隔器( 上部) 用来保护上部套管。该工具的创新点在于：首先，由于其下入深度比 较自由，一般相当于中深井的深度( 大约2 0 0 0 m ) ，这样，测试点的温 度就大大降低，当采用z d l 型电磁电磁流量测试时，避免了因井深温 度高对其内部电磁感应芯片的影响，保证了测试数据不漂移。其次， 该工具解决了由于井的深度过深影响投捞调配的问题，可实现方便快 捷地投捞水嘴，即采用液力冲捞，反洗井即可洗出配水芯子，检查完 水嘴及其他部件后，从井口直接投入，无须钢丝绳和泵车，并一次可 检查两个水嘴。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 2 3 1 管柱结构 该工艺管柱配套井下工具主要由井下双层分流器i i 型、k 3 4 4 高温 高压封隔器、节流器、平衡式底球组成，如图4 所示。 i m t 畜羞高压甜 二 !- 井下双层分蒎墨l i 注束井殷 措 j ； 1 3 4 4 高温高压封 洼术井段 q ： j 节籀薯 璋与座 人工井庄 图4 深井高压分注工艺管柱结构 上部k 3 4 4 高温高压封隔器用来保护上部套管，井下双层分流器 型用于分水，下部k 3 4 4 高温高压封隔器用来密封两注水层间的油套环 空，节流器用来座封下部的k 3 4 4 高温高压封隔器，球与座用来洗井。 k 3 4 4 高温高压封隔器胶筒的耐温达到1 8 0 ，耐压8 0 m p a 。完全满足 了深井高压注水的需要。 2 3 2 性能特点 深井高压分层注水新工艺解决了临南油田2 层分层注水问题，经 现场试验，该工艺完全能够满足测试、投捞调配与封隔器密封的要求， 显示出较强的适用性。为同类型油藏注水工艺的发展开辟了一条新路。 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分洼水技术的研究 2 3 3 技术参数 井下双层分流器i i 型的技术参数如表3 所示。 表3 井下双层分流器型的技术参数 项且技术指标 总长( m ) 1 1 0 0 刚体最大外径( m ) i 1 3 最小内通径( m m ) 4 8 适用套管内径( m )1 1 7 7 1 2 7 7 两端连接螺纹( m ) 2 7 1 8 t b g 坐封压力( h p a ) o 5 由8 工作压差( m p a ) 5 0 工作温度( )1 4 0 重量( k g ) 5 5 解封方式 上提解封 2 4 井下三层分注管柱【1 4 1 1 1 5 1 2 0 0 5 年初，开发设计了井下三层分流器，该工具必须配套其他封 隔器使用。它由配水器工作筒与配水芯子两部分组成，配水器工作筒 随油管一起下入井中，配水芯子用于投捞调配，配水芯子上装3 个水 嘴，其分流器如图3 所示。 2 4 1 管柱结构 该工艺管柱的配套井下工具主要由井下三层分流器、k 3 4 4 高温高 压封隔器、节流器、平衡式底球组成，如图5 所示。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 图5新型3 层分注工艺管柱结构 井下三层分流器主要有工作筒和配水芯子两部分组成，工作筒随 管柱下井，配水芯子用来控制水量。可以投捞。三层分流器结构如图 6 所示。 1 一一上接头2 一中心管3 一外简4 一捕捞头 5 一皮碗6 一一上压帽 7 一上水嘴8 一一胶筒 9 一一下压帽1 0 一下水嘴1 1 一下接头 图6 井下三层分流器结构简圈 1 5 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 2 4 2 性能特点 一趟管柱，可逐层录取分层吸水资料和在地层允许的条件下实 现合格注水的功能。 测试方便，简单。测试仪器只须下到该工具中心堵塞器上部测 一次，测试上层流量，上提1 0 m 以上下放，定位后测一次，测试上层 和中层的流量和，上提1 0 m 以上再测一次即可。测试全井的总流量。 方便快捷地投捞水嘴。其采用液力冲捞，从井口直接投入，无 须钢丝绳和泵车，并一次可检查三个水嘴。 可用于斜井细分注水。 2 4 3 技术参数 井下三层分流器的技术参数如表4 所示。 表4 井下三层分流器的技术参数 项目技术指标 总长( m ) 1 l o o 刚体最大外径( m ) 1 1 3 最小内通径( m ) 4 8 适用套管内径( m ) 1 1 7 7 - 1 2 7 7 两端连接螺纹( m ) 2 7 8 t b g 坐封压力( m p a ) o 5 棚8 工作压差( m p a ) 5 0 t 工作温度( ) 1 4 0 重量( k g ) 5 5 解封方式 上提解封 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 2 5 选择水嘴直径的研究 针对配水器的水嘴尺寸设计存在的问题：目前油田的水嘴调配仍 需操作者查有关图版、曲线，手工操作的成分很大，不但所需时间较 长而且误差较大。另外，吸水指示曲线的测试，测试录取的压力、流 量等资料，影响因素较多，误差较大。综合考虑这些因素提出一种新 的设计水嘴的思路，即先分层测试管柱，根据测得的井口注水压力与 流量数据，简单查表，即可确定水嘴尺寸，完井时，在地面组装好带 相应尺寸水嘴的配水器，直接完井注水。 研究思路：分析油管的沿程压力损失，研究假如增大井口注水压 力至岛。，而该井的注入量不变，在油管底部加一个相应尺寸的节流 水嘴来满足条件。以此为基础，研究分注井的分流沿程压力损失，利 用现场可以读出的两个数据压力与流量，来确定相应的水嘴尺寸。具 体分析如下： 。 2 5 1 单注井井简的压力研究”6 1 【1 8 】 单注井井筒的压力传递关系式： 气八= p 配一p 管稷 ( 2 1 ) 式中 尸注入一达到地质配注量时，地层的注入压力，m p a ： 珞摅一达到地质配注量时，油管的沿程压力损失，m p a ； 一达到地质配注量时，井口的实际注入压力，m p a ； 假如增大井口注水压力，并且保证该井的注入量不变，就需要增 加水嘴来节流，对该井而言，注入量不变，也就意味着p 注 不变。而 现在的主要问题是，所用的水嘴需要节流掉多大的压差。即：增大井 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 口注水压力至尸配。，而该井的注入量不变，在油管底部加一个节流水 嘴后，单注井井筒的压力传递关系就变为： 尸洼 = 尸配。一名损。一p ( 2 2 ) 式中 p 注入达到地质配注量时，地层的注入压力，m p a ； 名损。一达到地质配注量时，油管的沿程压力损失，m p a 名。一达到地质配注量时，井口的实际注入压力，m p a ； a p 一达到地质配注量时，水嘴的节流压力损失，m p a ； 由( 1 ) 与( 2 ) 式得： p 配一p 臂攮= p 配。一名损。一p 即： p = 尸配。一尸管损。一( 名一珞损) ( 2 3 ) 从式( 3 ) 可以看出，p 配。与吃可从井口直接读出，现在讨论油 管的沿程压力损失p 管撮的影响因素： 其中，油管的沿程压力损失包括三部分，关系式如下： p 管损= 只t + p + 昂 ( 2 4 ) 式中嵋。一势能变化引起的压降，m p a ； 蛾。一动能变化引起的压降，m p a a p f 一摩擦压降，m p a ； a 是由于流体柱质量( 水力压头) 而引起的压力改变 必e = g p l s i n a g 。 ( 2 - 5 ) 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 式中p 一流体的密度，k g m 3 ； j 一计算的油管长度，m ； f 一重力加速度，m 2 s ； 一重力加速度校正系数，通常取1 ； 口一水平方向与流动方向的夹角。 对于注水管柱，水基本垂直向下流动，所以：0 = 一9 0 。 嵋e = 一g ( 2 6 ) 由式( 6 ) 可见，注水井的油管的沿程势能变化引起的压降，只与 深度有关，相当于液柱压力。 叱。是流体在两位置间流动时，流体流速变化所引起的压降。 = g ( u ；- ? ) 2 9 。( 2 - 7 ) 式中u 一始点流体速度，m s ； u 2 一终点流体速度，m s ； 对于不可压缩流体，只要两点的管径相同，蛾。= 0 ，由此可见 对管径相同的注水井，叱。= 0 。 蛾摩擦压降。 a p f = 2 f _ ，p u2 t d g 。 ( 2 8 ) 式中 力一摩擦系数； p 流体的密度，k g m 3 “一流体速度，m s ； 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 一计算的油管长度，m ； 口一油管直径，i n ； g 。一重力加速度校正系数，通常取1 。 从式( 8 ) 可以看出，对于相同的层位、相同流体密度、相同油 管直径的注水井，r 只与摩擦系数和流体速度有关，目前，油田单 井的总注水量一般在5 0 m 4 d 3 0 0 m l d ，所以，流体在油管中的流动属 于湍流，在湍流状态下，厂，取决于雷诺数和管子的相对粗糙度。在以 上的流动状态下，从m o o d y 摩擦系数图版上可以看到，在相对粗糙度 相同时，在不同的雷诺数下，摩擦系数相等。这样，衅与u 2 成正比。 只要流量相同，巴将不变。 通过以上讨论，式( 3 ) 可以进行如下转换： a p = r e o p 配一( ，蕃损。一掼) = 名。一p 配一( ( 只* o 一只w ) + ( a 乓e o 一。) + ( 斥。一斥) ) ( 2 9 ) 通过上面的分析可知：。= a ；峨。= 蛾。；易。= a p f ： 对单注而言，增大井口注水压力，并且保证该井的注入量不变，就需 要增加水嘴来节流，水嘴需要节流掉的压差的值就等于a p ，故： a p = 名。一r e 2 5 2 分层注水管柱的压力研究“9 1 1 2 0 l 2 5 2 1 管柱结构与压力传递 分层测试管柱结构包括y 2 1 卜1 1 5 封隔器、开关器两部分。对单层 而言，其压力传递关系式： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 p 注入，= p 配一名掼 皇最鼢一( 耳臂+ 最曰+ ) ( 2 1 0 ) 式中p 注入，一达到第i 层地质配注量时，第i 层地层的注入压力，m p a ： p 管辄一达到第i 层地质配注量时，第i 层油管的沿程压力损失， m p a ； 名。达到第i 层地质配注量时，第i 层井口的实际注入压力， m p a ： 峨。一达到第i 层地质配注量时。第i 层油管的沿程势能压降， m p a ： 只。一达到第i 层地质配注量时，第i 层油管的沿程动能压降， m p a ； 达到第i 层地质配注量时，第i 层油管的沿程摩擦压降， m p a 。 2 5 2 2 分层合注时的压力计算 。分注井，正常注水时，设定井口注水压力岛。，对各层而言，水 嘴所需要的节流压力分别是只，如果用岛。一，毛( 分层测试录取的 达到第i 层地质配注量时，第i 层井口的实际注入压力) 代替a 只来 计算相应层的水嘴尺寸，通过上面的讨论，对单注层是可以的。下面 对分层合注的情况进行讨论： 对同一地层( 深度相同) 而言，要使该层的注水量保持不变，也 2 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 就意味着分层合注时各层的地层的注入压力与分层注水时的吃相 等，即式( 9 ) 可以变为： 只= p 配。一一( p 瞀损o ，一咯掼f ) ( 2 一1 1 ) = 尸配。一一( ( 只* m a 只) + ( 只口o j 一只) + ( 斥一p ，) ) 由式( 6 ) 分析可知：。= 峨，故：旷= 0 由式( 7 ) 分析可知：峨。= 叱。，故：叱。广峨。= 0 所以：只= 名。一，毛一( 耳o ，一矗) ( 2 1 2 ) 关键差别在于摩擦压降，下面进一步讨论摩擦压降对各层水嘴所 需要的节流压力的影响： 通过对公式( 8 ) 的分析，可知：b 与”2 成正比。计算上层分层合 注时与分层测试时的摩擦压降的差与分层合注时摩擦压降的比k ： k = ( 斥。，一) 昂。= j 一“? ) “未 式中耳。一分层合注时第i 层油管的沿程摩擦压降，m p a ； 峨一分层注水时第i 层油管的沿程摩擦压降，m p a 甜。，一分层合注时油管中的流体速度，m s ； 甜一分层注水时油管中的流体速度，m l s 。 讨论：目前油田层间分水的水量一般趋于平均，粗略估计即： 当“o ，= 2 u 时：k = 0 7 5 当, o ，= 3 u 时：k = 0 8 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 当“0 ，= 4 u ，时：k = o 9 4 对于2 0 0 0 m 左右的井，在目前日注5 0 - , 3 0 0 m 3 d 的情况下，油管的 沿程摩擦压降的数量级为1 0 - - 1 0 。2 ，其值与k 的乘积的数量级也为 1 0 1 0 1 。 2 5 3 分层合注与分层注水时摩擦压降差对水嘴直径的影响【2 1 】 嘴损方程： 酉= o 8 0 6 d 1 , 8 8 9 q j 式中z 一水嘴直径，m l n 。 + q 一注水量，m 3 d 。 尸一嘴损压差，m p a 。 注：该方程为常规陶瓷偏心嘴损方程，由于各地应用的空心水嘴 材质和规格都不一样，可根据具体情况确定相应的嘴损方程，不过嘴 损压差的值是一样的。 2 5 4 结论 新的计算水嘴的方法通过现场应用表明：水嘴一次随管柱下井， 单层配注符合率达到8 0 以上，基本满足了配注要求。使一次测试合 格率大大提高，提高了分注井的有效利用率，特别是大大减轻了后期 测试调配水嘴的劳动强度，对提高油田分注水平有重要的意义。 2 6 新型细分注水技术评价 分层注水工艺技术，经过攻关，已形成了多种注水技术的专用工 具及分注配套技术。按配水器的类型可分为：固定配水器、活动空心 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 配水器、偏心配水器与液力投捞封隔配水器四大类型。在现场，这些 配水器普遍与y 3 4 1 1 1 4 可洗井封隔器的等下井工具配套使用，可以组 成四大类分层注水主管柱，各分注管柱在现场运用中存在以下不同难 度： 固定式配水工艺，调配水嘴必须起管柱，增大了措施费用，另 外靠该配水器的节流作用使封隔器坐封，所以只能与k 3 4 4 封隔器配套 使用，造成管柱承压能力低，有效期短。固定式配水器现油田基本不 使用。 活动空心配水工艺，即按设计要求配下管柱后，从油管内打入 高压液体，首先z j k 配水器的活塞在液压的作用下进入短轨道的上死 点，当压力升至1 6 2 0 m p a 时，y 3 4 1 封完成座封和锁紧。油管卸压， z j k 配水器的活塞在弹簧力的作用下轨道换向，注水时，在注水压力 下，打开注水通道，顺利实现注水。从其工艺过程可以看出：反洗井 时，配水芯子易被冲出工作筒，造成密封圈脱落或配水芯子卡在悬挂 器上，而使配水器失效，另外，受配水器内通径的影响，配注级数受 到限制，且测试仪器经常受阻，投捞配水芯子繁琐。 偏心配水工艺，即下入带死嘴的偏心配水器与配套的下井工 具，从油管打入高压液体，封隔器在1 6 - 2 0 m p a 时完成座封和锁紧。 然后下入打捞器，逐级捞出偏心死嘴，再逐级下入相应的偏心配水器， 进行试注，测量各层配水量后，用钢丝绳带打捞器进行捞投与调配。 从其工艺过程可以看出：为保证封隔器坐封必须逐层投捞带死嘴子的 堵塞器，而要达到地质配注要求，必须逐层投捞堵塞器，十分繁琐， 经常投不进，拔不出。 液力投捞式配水工艺，常规仪器无法实现直接测试吸水量，封 中国露油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章新型细分注水技术的研究 隔器坐封工艺繁琐。 除以上分辑瑷井，以上管柱还存在以下闯透： 封隔器承压能力低小予1 5 m p a ，验封复杂，有效期短。 管柱蠕动易造成封隔器失效。 分注繁柱组醚复杂，遗成易援饽多。 无法实现小夹层分层淀水工艺。为实现测试与调配要求两封隔 之闼豹专疆盛须夫子8 攥。 配水器控水水嘴的尺寸设定难度较大。 邋过戳上分橱，及与稿盘采漓厂轿究豹掰翟分爱注求工艺技术相 比，临盘采油厂研究的耨型分层注水王艺技术具有： 封隔器胶筒的选型先进，采用扩张式胶筒，避免了注水管柱蠕 动对胶篱的损坏，实壤封隔嚣在3 0 m p a 工馋熙力下，3 0 0 0 m 懿深井工 作1 a 以上。 缝缳诞颓囊越爨，不转大修。 实现封隔器能快捷的骏证其密封性，不需要繁杂的工作。 实现方便、俊捷静投捞与调配承嘴，并逐速鹣设定承潞尺寸。 实现藏常注水时，常规流量计的在线测试。 解决了地面定量_ 配注镣优势。 o 具存良好的攘广秘使用蓠景。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章新型细分注水工具检测 第3 章新型细分注水工具检测 为了准确掌握各工具及管柱的性能是否达到设计要求以及是否具 备现场试验条件，在完成设计、样机加工的基础上，按照各工具的性 能要求在井下作业公司工艺所井下工具综合实验室对主要工具临盘 l p p s 封隔配水器进行了性能原理试验及管柱综合性能试验。 3 1 工具单项性能试验 2 2 1 | 2 3 】 3 1 1 试验目的 对临盘l p p s 配水封隔器验证封隔器的坐封、密封承压和解封可靠 性等性能，试验其芯子密封与投捞性能等，试验封隔器解封动作灵活 性及压力变化对其的影响，确定其主要工作参数。 3 1 2 试验内容 坐封试验：验证坐封启动压力、坐封压力。 密封承压：试验验证封隔器的承受上下压能力；芯子密封性。 解封试验：验证封隔器的解封机构的可靠性。 封隔器爆裂试验：验证k 3 4 4 封隔器的胶筒被打爆裂的工作压 力。 3 1 3 试验方法 把l p p s 封隔器配水器放入试验装置( 如图7 所示) 内，从封隔器 内腔加液压坐封