平衡注水工藝管柱及配套工具研究與應用

刁東鎮1，劉常清2，王 柳1，田發超1，白鵬飛1

（1.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459）

0 引言

油藏持久開發導致儲層在縱向上物性差異變大，分層注水是保持油藏壓力，實現油田高產穩產及改善油田開發效果的有效方法[1-5]。目前水平井在渤海油田單砂體（單層）開發中應用日益增多。統計顯示，渤海灣在生產和在建油田中，水平井及大斜度井比例越來越大，水平井總數已經超過了600口，井斜超過70°的注水井已經超過100口。水平井能夠獲得較常規定向井更高的初期產能，是快速獲得產量的高效開發方式[6]，但是水平井由于井段過長，多數未進行分段開發完井，存在產液剖面及注水剖面不均勻的問題[7,8]。

渤海油田水平注水井大多采用籠統注水，注入點一般在頂部封隔器以下幾十米位置，單點注入，無法滿足跟、趾部分開或同時注入要求。由于水平井井段吸水剖面存在差異性，導致油田見水后含水上升較快，存在明顯注入突進，注采矛盾日益突出。以某油田A1H井為例，屬于單砂體水平井組開發，2014年5月投產，2014年11月注水，注水開發6個月后井組見水，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，無法實現常態化吸水剖面測試要求，缺乏吸水剖面測試數據等重要資料，無法有效地指導酸化、堵水等增產措施作業。目前，水平井調剖調驅采用籠統注入的方式，缺乏針對性和目的性，無法實現針對水平井井段吸水剖面差異化的精細調剖調驅。

水平注水井礦場測試結果表明，在相同注入壓力條件下，改變注入方式，沿水平井井段吸水剖面得到有效改善。通過從跟部或趾部或兩端同時有控制地注水，能最大程度地改善水平井組注采矛盾，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設計了一種適合海上油田水平井的平衡注水工藝管柱及配套工具。該工藝管柱能滿足水平井跟、趾部選擇性分流注水要求，實現水平井多點注入，設計的配套工具能通過調整水嘴個數和大小控制跟部和趾部注水量，改善注水效果。同時，該工藝管柱可輔助水平井調剖調驅作業，實現水平井調剖調驅效果最大化。

1 平衡注水工藝管柱設計

1.1 管柱結構設計

針對海上油田水平注水井目前開發特點（單點注入），提出水平井跟、趾部分開注水的平衡注水工藝技術概念，結合海上油田鋼絲/電纜作業在井斜超過60°后難以下入的特點，提出平衡注水工藝管柱設計思路：在井斜小于60°位置下入一套平衡注水工作筒，工作筒下端通過油管扣與油管相連，油管下入至水平井趾部，工作筒具有徑向和軸向過流通道，可實現水平井跟部、趾部選擇性分流注水。工作筒內部下入平衡注水配水器，配水器具有徑向和軸向水嘴，分別對應工作筒徑向和軸向過流通道，通過調整配水器水嘴大小，滿足跟、趾部流量調配要求。平衡注水配水器內徑大于52mm，保障后期吸水剖面測試工具能順利通過。平衡注水工藝管柱結構示意圖如圖1，工藝管柱主要包括井下安全閥、環空封隔器、平衡注水工作筒（內置配水器）、油管、帶孔圓堵或引鞋。

圖1 水平井平衡注水工藝管柱結構示意圖Fig.1 Structural diagram of horizontal well balanced water injection process string

1.2 技術原理

如圖1所示，注入水經油管到達平衡注水工作筒，在工作筒處進行分流。一部分沿工作筒徑向水嘴流出，從跟部流向趾部；一部分從油管底部帶孔圓堵處流出，從趾部流向跟部。

平衡注水工作筒（內置平衡注水配水器）放置到井斜小于60°位置（原井頂部封隔器上下位置均可），方便鋼絲作業打撈平衡注水配水器。平衡注水工作筒有徑向和軸向兩個注水通道，分別對應水平井跟部和趾部注水。平衡注水配水器上裝有可調水嘴，通過改變配水器水嘴大小從而實現流量調配的目的。關閉配水器徑向水嘴，注入水從帶孔圓堵處流出，從趾部流向跟部，關閉配水器軸向水嘴，注入水從工作筒徑向水嘴處流出，從跟部流向趾部。配水器最小內徑52mm，滿足后期吸水剖面測試工具串（外徑45mm）下入要求。平衡注水管柱利用新下入的封隔器對油套環空進行隔離保護，保證井筒的安全性。該工藝管柱主要解決長水平段注水井單點注入，吸水剖面不均勻，注水效果差，無法常態化進行吸水剖面測試等問題。

1.3 測試原理

平衡注水管柱采用超聲波流量計進行流量測試，流量測試工具串組合：加重桿+萬向節+扶正器+超聲波流量計+扶正器+導向頭。超聲波流量計內含數據存儲單元，井下測試數據存儲在流量計內，在地面用電腦讀取井下流量數據。測試作業時，鋼絲作業將流量計工作串下至工作筒以下30m位置，井口開始注水，記錄井口注水壓力，此處測得流量數據為趾部吸水量，趾部吸水量測試結束后上提工具串至工作筒以上30m位置。在相同注水壓力下開始流量測試，此處測得流量數據為整井吸水量，利用流量遞減法計算各層吸水量。例：井口壓力為P，流量計在工作筒上部測得流量為整井吸水量Q整，在工作筒下部測得流量為趾部吸水量Q趾，則跟部吸水量為Q跟=Q整-Q趾。

1.4 技術特點

1）滿足水平井多點注入要求。工藝管柱具有一個徑向出水通道和一個軸向出水通道，將水平井注水方式由單點注入變為多點注入，通過跟、趾部同時或分開注水，有效改善吸水剖面。

2）滿足水平井跟、趾部注水量調控要求。平衡注水工作筒與配水器下至井斜小于60°位置，滿足鋼絲作業投撈要求，通過更換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）滿足水平井精細調剖調驅要求，工藝管柱最小內徑52mm，滿足吸水剖面測試工具串下入要求。調剖作業前，先下入吸水剖面測試工具，測試全井段吸水剖面，根據測試結果，選擇調剖體系從跟部注入或趾部注入或同時注入，能最大程度做到精準封堵。

1.5 技術參數

1）適用條件：長水平段注水井。

2）最大注入量：800m3/d。

3）耐壓等級：35MPa。

4）耐溫等級：120℃。

5）工藝管柱最小內通徑：52mm（配水器）。

2 配套工具設計

2.1 平衡注水工作筒

平衡注水工作筒主要由本體、水嘴護罩兩部分組成，結構示意圖如圖2。工作筒通過本體上下油管扣與油管連接下入井中，工作筒本體上有徑向和軸向兩個出水通道，徑向出水通道滿足從跟部注入要求，軸向通道滿足從趾部注入要求，水流方向如圖4紅色箭頭所示。工作筒徑向水嘴上下位置有密封面，與配水器密封盤根配合，實現水嘴上下密封。水嘴護罩主要用于阻擋水流直接沖擊防砂管柱篩盲管。

圖2 平衡注水工作筒結構示意圖Fig.2 Structural diagram of balanced water injection cylinder

圖4 A1H井調驅井組曲線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撈頭、密封盤根、徑向水嘴短接、連接筒、軸向水嘴短接等幾部分組成，如圖3所示。平衡注水配水器具有徑向和軸向水嘴，與工作筒配合使用，分別對應平衡注水工作筒徑向和軸向注水通道。配水器內徑52mm，下至井斜小于60°位置，不影響吸水剖面測試工具串下入（吸水剖面測試工具串最大外徑45mm）。配水器上部水嘴結構與現有“空心集成”水嘴結構相同，下部水嘴結構和“一投三分”水嘴結構相同，方便使用。配水器下部出水短接具有帶水嘴和不帶水嘴兩種型號，下部出水短接可現場更換，正常注水時，配水器下部為無水嘴短接，保障工藝管柱內通徑為52mm，需要調控趾部注水量時，撈出井下配水器，下入有水嘴結構的短接。配水器上下出水孔間距大于1.5m，滿足裝水嘴后趾部流量測試要求。

圖3 平衡注水配水器結構示意圖（帶水嘴）Fig.3 Structural diagram of balanced water injection distributor (with nozzle)

3 實施效果

以海上某油田A1H為例，屬于單砂體水平井組開發，油藏平均溫度為72.6℃，平均孔隙度26.7%，平均滲透率1461mD，屬于中高孔滲油藏。2014年5月投產，2014年11月注水，注水開發6個月后井組見水，之后含水快速上升，調驅前井組含水為74%。

2018年9月10日，A1H井實施了水平井平衡注水工藝并進行吸水剖面測試，9月22日該井開始在線組合調驅，10天后受益井含水即開始下降，最大降幅達到15%以上，目前井組含水下降10%，日增油達30m3，起到了良好的降水增油效果。

截至2021年底，水平井平衡注水工藝在渤海油田累計應用12井次，現場作業成功率100%。現場應用結果表明，此工藝能夠滿足水平井跟、趾部分開或同時注水需求，同時可有效提高穩油控水措施效果，有一定的推廣應用價值。

4 結論

1）實現了海上油田長水平段注水井平衡注入，改變了長期以來水平井籠統注水的現狀，具有開創性的意義。

2）實現水平井根部、趾部選擇性分流注水和分流調配，可以最大程度地改善水平井開發存在的注采矛盾，有效提高了水驅開發效果。

3）有效提高穩油控水措施效果，具有輔助調剖調驅的積極作用，對渤海同類水平井高效開發具有重要的推廣意義。

4）海上油田首次應用該技術成果，且其使用效果明顯。在更換平衡注水管柱后實施調驅，10天后含水開始下降，最大降幅達到15%以上，起到了良好的穩油控水效果。調驅后，井組降水增油效果明顯。