分層調剖注水一體化管柱的研制與應用

劉宇飛, 肖國華, 詹 偉, 王金忠，李積學, 王 輝

1中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院 2中國石油冀東油田分公司唐山冀油瑞豐化工有限公司 3中國石油青海油田分公司采油二廠

0 引言

由于地層吸水剖面的不均一性，注水開發時，水沿著優勢滲流通道突進，優先注入油井，引起油井出水率升高，甚至水淹，形成無效注水循環，大幅度降低采收率，嚴重影響注水開發效果[1-3]。因此，油田開發到中后期，為提高水驅效果，注水井需要及時采用調剖措施改善吸水剖面，提高注入水波及體積，提高整個區塊的開發效果。為了提高水井調剖施工效率，國內同行研發并現場試驗了多種調剖工藝管柱，包括籠統調剖管柱、單層調剖管柱、分層偏心調剖管柱、分層同心調剖管柱[4-8]等。冀東油田曾經采用橋式偏心分注管柱實施調剖[9]，現場使用過程中存在調剖后部分水井出現測試儀器下放遇阻、偏心配水器水嘴無法投放、堵塞器打撈失敗、封隔器反洗閥開啟失效等問題，嚴重影響分層注水開發效果，后續全部改為專用調剖管柱進行調剖，施工結束后起管柱，再下分注管柱進行注水，致使作業成本高，周期長。為此，研制了分層調剖注水一體化工藝管柱來滿足油田一趟管柱既能分層調剖，又能分層注水的工藝需求，既提高了作業功效，又降低了生產成本。

1 橋式偏心分注管柱在調剖后存在的問題及原因分析

據統計，冀東陸上油田2013～2017年實施偏心分注管柱調剖60井次，影響后期測調、反洗井45井次，占調剖井次75.0%。其中測試遇阻18井次，占問題井次的40%;偏心配水器投不進水嘴10井次，占問題井次的22.2%;偏心配水器水嘴撈不到5井次，占問題井次的11.1%;反洗井不通12井次，占問題井次的26.7%。以3級3段橋式偏心分注管柱調剖工藝為例(圖1)，介紹調剖施工工藝、后續存在問題及原因分析。

圖1 橋式偏心分注管柱結構示意圖

1.1 橋式偏心分注管柱調剖施工工藝

以2#注水層施工目的層為例：①停止注水；②下投撈器撈出1#、2#、3#偏心配水器的定量水嘴；③向1#、3#偏心配水器偏心孔投入堵塞器；④對2#注水層實施調剖(前置段塞+主段段塞+頂替段塞)；⑤調剖結束后，下投撈器撈出1#、3#偏心配水器偏心孔內的堵塞器；⑥按照配注需求向1#、2#、3#偏心配水器投放相應定量水嘴，實施分注及后續測試。

1.2 存在問題及原因分析

(1)調剖后，向2#偏心配水器投放定量水嘴失敗或打撈1#、3#偏心配水器堵塞器失敗。原因分析：調剖過程中井口注入油管的調剖液和調剖后地層返吐進入油管的調剖液在偏心配水器內壁沉積、黏附，使2#偏心配水器的偏心孔變小或堵死，導致定量水嘴投不進；1#、3#偏心配水器堵塞器的打撈頭被沉積的調剖液成膠覆蓋，導致打撈不到。造成各層段配水量無法調配，嚴重影響分層注水開發效果。

(2)調剖后，測試儀器、投撈儀器下放遇阻，導致測試失敗、打撈失敗。原因分析：井筒內部是上下連通、底部封堵的結構，對2#注水層段調剖時，調剖液會進入2#偏心配水器以下的油管和工具段內部，頂替段塞頂替不到，導致其在下段油管及工具段內壁沉積、成膠，使內通徑變小甚至堵死，儀器通過性能降低，導致儀器下放中途遇阻，測試失敗、打撈失敗。因此需要進行多次反洗井作業，既增加了作業成本，又延誤工期。

(3)反洗井不通。原因分析：向2#偏心配水器投放定量水嘴失敗，油套之間大孔道連通，不能形成節流壓差，封隔器反洗閥失去開啟動力，無法開啟；調剖液在油套環空3#封隔器坐封膠筒上方堆積并成膠，堵塞反洗閥進水口。導致無法洗井，縮短檢管周期，嚴重影響分注管柱服役壽命，增加生產成本。

2 解決問題的技術方案

2.1 隔離定點調剖技術

投放密封件，隔離下段進行定點調剖，解決調剖液在調剖層下段沉積的問題。

2.2 防返吐技術

調剖器與配水器具備防返吐功能，解決了注入地層的調剖液返吐進入油管，在油管及工具內壁沉積問題。

2.3 自動關閉技術

停泵或調剖結束時，調剖器的調剖通道自動關閉，解決封隔器反洗閥開啟失效，反洗不通的問題。

3 分層調剖注水一體化管柱的研制

3.1 分層調剖注水一體化管柱

分層調剖注水一體化管柱主要由逐級解卡錨定器、滑套式調剖開關、單流偏心配水器、注水封隔器、不壓井洗井閥、篩管和絲堵等組成，見圖2。施工工藝為：①按照工程設計要求，將分層調剖注水一體化管柱下井至設計位置；②油管內加壓，坐封各級注水封隔器，坐卡錨定器；③按地質配注要求進行分層注水；④需要調剖時，停止注水，單流偏心配水器自動關閉注水通道；⑤向目的層滑套式調剖開關投入與其內徑尺寸匹配的密封桿，封堵目的層下段中心通道；⑥向油管內注入調剖液并加壓，開啟目的層滑套式調剖開關的調剖通道進行調剖：前置段塞+主段塞+頂替段塞；⑦調剖結束后，目的層滑套式調剖開關的調剖通道自動關閉；⑧用鋼絲繩下入打撈頭，機械抓取密封桿，上提撈出密封桿，中心通道恢復暢通，結束本層段的調剖作業；⑨進行其他層段的調剖作業或恢復分層注水作業。

圖2 分層調剖注水一體化管柱結構示意圖

分層調剖注水一體化管柱的滑套式調剖開關與注水封隔器采用直連設計方式，目的是注入頂替段塞過程中不但能夠將油管內部密封桿上方調剖液頂替徹底，而且能夠將目的層油套環空，尤其是坐封膠筒上方的調剖液頂替干凈，避免堆積成膠堵塞反洗閥進水口。

分層調剖注水一體化管柱具有以下技術特點：①目的層實施調剖時隔離了下段，避免調剖液在下段沉積；②可實現任意層段定點、定量調剖，即經濟又精準；③在停泵或調剖結束時調剖通道可自動關閉，避免油套連通導致封隔器反洗通道開啟失效；④調剖開關與封隔器直連，利于環空調剖液頂替更加徹底，避免其成膠堵塞反洗通道進口，反洗井不通；⑤調剖開關與配水器具備防返吐功能，防止地層調剖液返吐進入油管。該管柱主要技術參數見表1。

表1 分層調剖注水一體化管柱主要技術參數表

3.2 主要配套工具研制

3.2.1 滑套式調剖開關

滑套式調剖開關由工作筒、密封桿、打撈頭三部分組成。工作筒結構見圖3，密封桿結構見圖4，打撈頭結構見圖5。

1.上接頭；2.“O”形密封圈；3.連通套；4.“T”形密封圈；5.“T”形壓環；6.“L”形壓環；7.“C”形密封環；8.“C”形壓環；9.滑套；10.“O”形密封圈; 11.彈簧外套；12.彈簧；13.下接頭。

1.打撈桿；2.壓蓋；3.彈簧；4、5.“O”形密封圈；6.主體。

1.上接頭；2.彈簧爪；3.下接頭。

滑套式調剖開關工作原理為向工作筒中投入密封桿，上腔打壓，密封桿帶動滑套壓縮彈簧下移的同時，打開調剖通道進行調剖；調剖結束后在彈簧作用下，滑套上移自動關閉調剖通道。滑套式調剖開關的調剖通道短，且雙出孔設計，適合調剖液高黏度特性[10-11]和大排量調剖需求；且調剖結束后調剖通道可自動關閉，防止調剖液返吐進入油管和油套連通。主要技術參數見表2。

表2 滑套式調剖開關主要技術參數表

3.2.2 單流偏心配水器

單流偏心配水器由工作筒、定量水嘴和單向閥三部分組成，即在常規橋式偏心配水器[12-14]基礎上，出口處增設單向閥，結構示意圖見圖6，截面示意圖見圖7。

1.工作筒；2.定量水嘴；3.單向閥。

圖7 單流偏心配水器A-A截面示意圖

單流偏心配水器工作原理為按照地質需求投入偏心定量水嘴，內腔充水加壓，推開單向閥進行注水；停注時，單向閥自動關閉注水通道。注水出口處增設單向閥，防止已注入地層的調剖劑返吐進入油管。主要技術參數見表3。

表3 單流偏心配水器主要技術參數表

4 現場應用情況

分層調剖注水一體化管柱在冀東油田現場試驗15口井，最大施工井斜35.8°，最大下入深度3 775 m，最高段數3段。測試發現有6口井出現突進層，油井含水量上升，為改善平面矛盾，減緩油井含水上升速度，提高水驅波及系數，對其實施調剖，累計調剖次數8次，注入調剖6.5×104m3，最大調剖壓力25.5 MPa，調剖后累計流量測試53次，投撈調配231次、反洗井40井次(見表4)。到目前為止施工、測調過程順利，未發生測試、投撈儀器遇阻及反洗井不通的情況，成功率均為100%。

表4 典型井施工情況統計表

該一體化管柱現場試驗取得較好的經濟效益：實施不動管柱調剖8井次，減少換管柱作業8井次，節約更換管柱作業時間約18 d，實現增油2 234 t。更換管柱作業費用15萬元，節約更換管柱費用=8×15=120萬元；累計增油2 234 t，增油效益=(原油價格-噸油操作成本)×增油，創造增油效益220.7萬元；累計創造經濟效益340.7萬元。

5 結論

(1)滑套式調剖開關和單流偏心配水器采用防返吐設計，地層調剖液不再返吐進入油管造成污染。

(2)分層調剖注水一體化管柱采用隔離下段、定點定量調剖的施工方式，使油管內調剖液全部被頂替干凈，防止下段管柱污染。

(3)現場試驗結果表明分層調剖注水一體化管柱實現了一趟管柱既能分層調剖又能分層注水的工藝需求，既簡化了施工工藝，又節約了生產成本，具有良好的社會經濟效益。