水平井分段注水工藝研究及應用

何明華，趙爍，李鵬輝

（吐哈油田工程技術研究院，新疆鄯善 838202）

0 引言

注水開發仍然是吐哈油田保持地層壓力、提高油井采收率的主要方式。吐哈油田現有水平井755口，其中注水井58口，全部采用籠統注水方式。受油藏儲層的非均質性影響，籠統注水易造成高滲段超注與低滲段欠注，嚴重影響水平井的均衡開發效果[1-2]。目前，國內其它油田相繼開展了水平井淺測分段注水管柱、水平井井下分注管柱、水平井分段注水管柱，以及超深雙臺階水平井分注及酸化一體化管柱等研究，能夠在一定程度上滿足水平井分段注水的需求，但仍然存在著可分注層段少、連續油管投撈水嘴成本高、壓力波測調難度大等問題[3-7]。為此，開展了水平井分段注水工藝研究，來實現水平井兩級及多級分段注水需求，發揮各油層潛力，提高注水開發效果，促進油田注水不斷向精細化、智能化發展。

1 技術分析

受水平井井身結構特點影響，水平井分段注水工藝研究存在著以下幾個難點：1）測調困難。目前油田成熟工藝技術橋式偏心、橋式同心分注工藝都需要通過下鋼絲或電纜來進行測調，井斜過大時，會導致槍串無法下入，無法滿足水平井測調需求[8-9]。2）管柱起下困難。水平井井斜大，且存在狗腿，要求設計管柱結構時應相對簡單，同時配套相應的安全輔助工具以保證管柱正常起下[10]。3）水平段封隔器密封不可靠。受封隔器重力影響，水平井封隔器可能會存在著膠筒與井壁接觸強度低、密封不可靠問題。為此，提出了水平井分段注水工藝。

2 水平井分段注水工藝

2.1 工藝原理

水平井分段注水工藝由遠程通信單元、地面測調儀及井下水平井分注管柱3部分組成。通過計算機軟件遠程發布配水指令給地面測調儀，地面測調儀接收到指令后，通過電纜將信號傳遞給井下分注管柱中各個智能分注儀，實現對井下各層水量的調節與控制。同時，井下智能分注儀讀取的壓力、溫度、流量等數據亦可通過電纜實時反饋給地面控制系統，便于技術人員觀測與分析。

2.2 管柱結構

水平井分注管柱由安全接頭、過電纜水力錨、過電纜封隔器、智能分注儀、過電纜扶正器、水力循環凡爾組成，兩段分注管柱結構如圖1所示。

圖1 水平井分注管柱結構示意圖

2.3 管柱特點

1）實現在線遠程測調，全面解決了井筒對測調的限制，節約大量的人力物力成本。

2）實時讀取井下流量、注水壓力、地層壓力與溫度等參數，用于油藏動態分析。

3）自動監測各層注水量，智能分注儀內置的微處理器根據設置自動控制水嘴閥門開度，將注水量控制在允許的誤差范圍之內。

4）封隔器可在線驗封，無需再單獨下入堵塞式壓力計，操作簡便經濟。

5）配套電纜保護罩、電纜保護卡等安全輔助工具，保障水平段電纜完好性及管柱起下的安全性。

3 核心工具

3.1 智能分注儀

3.1.1 結構與組成

有纜智能分注儀由上下接頭、中心過流管、外護管、流量計、流量調節閥、壓力溫度傳感器、測控電路板及電路短節等幾部分構成，如圖2所示。

圖2 智能分注儀結構示意圖

3.1.2 工作原理

通過連接電纜接收地面發送的配水指令，通過流量調節閥實現對目的層水流量的調節。圖2中箭頭表示水流方向，注水時，一部分水流通過上層智能分注儀中的流量計及流量調節閥向上層注入，另一部分水流通過中心過流管進入下層智能分注儀。分注儀內部各結構相互獨立，各自承載著不同的功能，由信號控制線連接進行供電和通信。

3.1.3 技術特點

1）配套壓差式流量計，實時監測配注流量，性能穩定可靠，使用壽命長。

2）流量調節閥采用陶瓷可調水嘴，耐磨性能高，且水嘴采用平衡壓設計，消除壓差對水嘴開啟的影響，其結構如圖3所示。

圖3 流量調節閥結構示意圖

3）設計分注儀內外壓壓力傳感器，可實時監測分注儀內外壓力、溫度數據。

4）耐高溫、大轉矩電動機，保障水嘴開關靈活性及可靠性。

3.1.4 技術參數

1）外徑/通徑：φ114 mm/φ46 mm；2）長度：1.085 m；3）耐溫/耐壓：120 ℃/50 MPa；4）有效工作時間≥3 a；5）壓力測量范圍：0～60 MPa，精度為±1‰；6）溫度測量范圍：0～120 ℃，精度為±1 ℃；7）單層流量測調：0～200 m3/d，精度為±2%。

3.2 過電纜封隔器

3.2.1 結構與組成

過電纜封隔器主要由上接頭、中心管、膠筒、反洗閥、液缸、坐封及解封機構、下接頭等組成，如圖4所示。

圖4 過電纜封隔器結構示意圖

3.2.2 工作原理

封隔器下至設計位置后，通過油管打壓，剪斷坐封剪釘，推動液缸壓縮膠筒，實現封隔油套環空，同時液缸被鎖尺機構鎖定防止回彈，油管泄壓后膠筒始終處于壓縮狀態，實現密封效果。解封時通過上提管柱，剪斷解封剪釘，泄壓下行，膠筒回彈完成解封。

3.2.3 技術特點

1）內置過電纜通道，電纜可整體穿越封隔器，中間無續接節點，提高了電纜通電可靠性及電纜安裝效率。2）設計反洗井機構，可定期清理井筒雜質，防止堵塞。3）采用液壓坐封、逐級解封方式，可實現水平段多段分注需求。

3.2.4 技術參數：

1）外徑/通徑：φ114 mm/φ42 mm；2）長度：1.60 m；3）耐溫/耐壓：120 ℃/60 MPa；4）啟動/坐封壓力：6/20 MPa；5）過電纜通徑：6 mm。

4 安全輔助工具

為了提高該分注工藝在現場施工過程中的安全性，本文從水平段電纜頭及電纜保護方面，設計相關安全輔助工具，以確保施工順利、可靠。

在水平井分注管柱中，電纜密封接頭是電纜進出封隔器、分注儀的通道，它接在封隔器、分注儀的上下端，在管柱通過斜井段過程中，電纜頭與套管壁可能發生剮蹭，存在著電纜頭損傷而無法正常通信的風險。為此，設計了電纜頭保護罩，將電纜頭由外漏式變為內藏式，避免了剮蹭的風險，其結構示意圖如圖5所示。同時，優選單芯鋼管電纜進行信號傳遞，電源正極接中間纜芯，負極接外層不銹鋼管，其特點是內層設計單根纜芯，相對于多芯電纜，其信號衰減弱，且現場電纜密封和對接時只需要操作單根纜芯,使施工更加快捷方便。外層設計不銹鋼管，耐磨損性能強，可有效保護電纜，進行正常供電與通信。另外，設計φ114 mm加厚型電纜護卡，安裝在油管接箍處固定電纜，防止電纜下入時堆積在油套環形空間內被擠壞，影響電纜的電氣性能，如圖6所示。

圖5 電纜頭保護罩

圖6 加厚型電纜護卡

該管柱后期通過上提油管剪斷封隔器解封銷釘來實現解封，而受水平井斜井段及水平段管柱重力分力的影響，管柱的上提力較難傳遞到封隔器上，造成管柱解封力過大甚至無法解封的風險。同時，由于長期的注采，管柱也會造成不同程度的結垢、腐蝕，更是增加了解封的難度。為此，設計了安全丟手接頭（如圖7），當管柱無法順利解封時，可由安全丟手接頭處斷脫，起出安全丟手接頭以上管柱，然后再下入打撈工具撈出管柱剩余工具，避免管柱大修的風險。

圖7 安全丟手接頭

另外，管柱還配套過電纜扶正器（如圖8），扶正器外徑設計為管柱最大外徑，使管柱下入過程中始終處于居中位置，減小管柱在下入過程偏磨影響，降低了管柱的下入難度，還可以使封隔器膠筒始終處于中間位置，避免前期套管壁上射孔炮眼對封隔器刮傷的風險，保證了封隔器膠筒完好性及密封可靠性。

圖8 過電纜扶正器

5 施工工序及注意事項

5.1 施工工序

1）根據井場實際情況合理擺放電纜、護卡、井下工具和其它附件；

2）給各級封隔器、智能分注儀安裝好電纜接頭，電纜接頭內部注滿硅脂；

3）按照完井管柱圖下入配套工具、油管及電纜，每根油管接箍處安裝電纜護卡；

4）水平段完井工具、油管及電纜下入完成后，用電纜續接器連接水平段鋼管電纜與直井段鎧裝電纜，并將其置入托筒。

5）安裝井口密封三通，將電纜從三通引出并與地面控制系統連接，地面電纜做埋地處理；

6）反洗井，至進出口水質一致為止；

7）封隔器坐封，根據壓力穩定情況和套管溢流變化情況對第一級封隔器及管柱進行驗漏；

8）其它封隔器驗封，根據不同分注儀外壓差值判斷其它各級封隔器密封情況；

9）按照油藏配注要求開展調配。

5.2 注意事項

1）管柱下入時要勻速平穩，禁止猛停猛放，頓鉆溜鉆，尤其是管柱過斜井段及水平段時，應時刻注意指針表懸重變化，如出現遇阻情況，及時匯報，嚴禁強行頓鉆，盡可能避免電纜及工具發生磕碰損傷。

2）封隔器及智能注采器入井前，要進行電纜信號檢測，確保正常后方可下入。在電纜托筒下入后，每下入500 m管柱需檢測一次電纜信號。

3）在連接油管和安裝電纜護卡的過程中，需要嚴格注意對鋼管電纜的保護，打卡子的時候需要將鋼管電纜拉直，避免鋼管電纜與套管內壁發生摩擦；在井口放置卡瓦時，需有專人負責將鋼管電纜置于修井機氣動卡瓦空隙處，防止鋼管電纜被卡瓦夾傷。

4）管柱所用封隔器均為壓差式封隔器，工具下井后至坐封前須保證套管液滿，禁止關閉油套環空和油管，防止油套建立壓差提前坐封；封隔器坐封后，如需泄壓作業，一定要緩慢平穩，突然泄壓可能會導致封隔器解封。

6 現場應用

2021年5月，水平井分段注水工藝技術應用于吐哈油田某井。該井初期采用速鉆橋塞壓裂投產，于2018年轉為注水井，注水方式為合層注水，通過測吸水剖面發現，各層吸水差異明顯，為有效改善層間吸水矛盾，提高驅油效率，開展了水平井分注技術研究及現場試驗。

6.1 驗封

關閉第2層有纜智能配水器水嘴，打開第1、3層有纜智能配水器，進行2、3層封隔器驗封程序。第1、3層外壓升高2～3 MPa左右，第2層內壓升高，外壓曲線未隨內壓曲線變化，說明第2、3層封隔器密封良好。

6.2 調配

按照地質配注要求，各層配注量分別為20/0/20 m3/d，開展分段流量測試調配。調配后，通過實時監測面板，發現各層實際配注20.48/0/20.90 m3/d，單層流量最大誤差為4.5%，全井誤差為3.4%，達到分注需求，同時井下壓力、溫度數據讀取功能均正常，取得了較好的應用效果。

7 結論

1）水平井分段注水工藝成功實現了水平井多段分注，可對井下流量、壓力、溫度等生產參數全過程實時監測與自動測調，有效地解決單井層間吸水差異矛盾，低孔、低滲儲層得到進一步動用，對注水提高油藏采收率具有重要意義。

2）針對水平井井斜大、存在狗腿等特點，為了確保施工順利安全可靠，研制了電纜頭保護罩、電纜護卡等安全輔助工具，可有效地保護電纜完好性及管柱起下的安全性。

3）目前該工藝配套的封隔器，采用了上提解封的解封方式，從解封安全角度考慮，限制該工藝水平井分注段數在5段以內，為了進一步提高分注段數，下步將開展K344保壓封隔器研究，起管前可通過反洗井將封隔器提前解封，降低管柱解封負荷，來達到長水平段多級分注的目的。

圖9 第1層驗封曲線

圖10 第2層驗封曲線

圖11 第3層驗封曲線