分层定量注水分层测压一体技术

宋显民张立民张宇辉张建忠刘宇飞刘世英

1.中国石油冀东油田公司；2.中国石油华北油田公司；3.中国石油玉门油田公司

分层定量注水分层测压一体技术

宋显民1张立民1张宇辉2张建忠1刘宇飞1刘世英3

1.中国石油冀东油田公司；2.中国石油华北油田公司；3.中国石油玉门油田公司

引用格式：宋显民，张立民，张宇辉，张建忠，刘宇飞，刘世英. 分层定量注水分层测压一体技术［J］. 石油钻采工艺，2016，38（4）：526-530.

注水井分层注水过程中地层的压力、温度监测可以为油层地质分析提供真实的资料，而现有分注测试技术存在着无法全程测试地层压力、温度的问题。基于偏心定量注水技术和井下测试技术的原理和工具结构，采用技术集成化研究和设计方法，研制了具有测试总成的注水测压堵塞器、带有测试通道的注水测压工作筒、带有阀底支撑总成且满足斜井投送注水测压堵塞器需要的专用投送器等关键工具，形成了注水井分层定量注水分层测压一体技术。室内实验表明关键工具密封可靠且满足在斜井上投捞更换注水测压堵塞器的需要。目前该技术现场应用5口井，投捞成功率100 %，测压、测温数据提取合格率100%，扩展了现有偏心分层注水技术的功能，具有广阔的应用前景。

配水器；工作筒；投送器；定量注水；分层测压

注水井分层注水过程中的地层压力和温度监测可以为油层动态分析提供真实资料。注水井测压技术只能在关井状态下测试压力恢复和封隔器验封，如用钢丝或电缆下入压力计测试地层压力恢复，或者通过将水嘴式压力计投到工作筒偏孔内来验证封隔器密封性或测试分段压力恢复，在测试地层压力过程中无法实现分层定量注水［1-7］。目前偏心定量技术是分层注水的主体技术，调配后的各段流量在注水过程中不随井口压力变化而波动，但在分层定量注水过程中无法监测地层压力、温度［8-14］。基于目前偏心定量分注技术，研制了注水测压堵塞器、注水测压工作筒、专用投送器等关键工具，形成了注水井分层定量注水分层测压一体技术。

1　关键工具研制Development of key tools

1.1定量注水测压堵塞器

Plug for quantitative water-flooding and pressure monitoring

在常规定量配水器基础上增加测试总成，将定量配水机构和压力温度监测总成集成设计为一体，形成定量注水测压堵塞器。

（1）技术原理。定量注水测压堵塞器由上部的投捞总成、中部的测压总成、下部的定量注水总成组成。投捞总成与配水堵塞器相同。测压总成的上部有感压元件，用于测试油压；其中间为电路板，用于存贮数据；其下部有感压、感温元件及测试孔，与工作筒测压孔对应，用于测试地层压力和地层温度；最底部为电池仓，用于容纳电池。定量注水总成利用预压弹簧的弹力来使阀芯复位，利用注水压力来控制阀芯的上下移动距离以及阀芯和水嘴的间距，保证通过水嘴的流量为常数，达到定量注水目的，如图1所示。

图1　投捞式注水测压堵塞器结构Fig.1 Structure of recoverable water-flooding and pressuremonitoring plug

（2）技术指标。上部台阶直径Ø22 mm，本体直径Ø19.7 mm，长度340 mm，额定流量5～150 m3/d，流量精度±5%，最大工作压差35 MPa，最大工作压力70 MPa；测试时间240 d；定流量值10～100 m3/d；外型尺寸与普通堵塞器相同。

1.2注水测压工作筒

Working barrel for water flooding and pressure monitoring

在偏心定量注水工作筒上增加测压部分，将注水工作筒和测压工作筒设计成一体，具有注水通道、测压通道和定流辅助通道，形成注水测压工作筒。

（1）技术原理。如图2所示，注水测压工作筒主要由2部分构成。一是组合导向对准机构：开口槽顶端呈V字型开口的扶正体+上部导向体+下部导向体，在投送过程中，当投送手臂张开的投送器向下冲击时，组合导向对准机构可使投送器径向旋转，并使投送手臂及所携带的堵塞器对准工作筒的偏孔。二是测压注水机构（即工作筒主体），工作筒主体上的偏孔用于容纳注水测压堵塞器，工作筒主体的偏孔与外壁有上下2个通孔，上部通孔用于测试地层压力和温度，下部通孔用于定量注水；偏孔与主通道有一个通孔，与注水测压堵塞器的油管压力导压孔对应，用于提供定量注水时所需的油管压力。

（2）技术参数。外径Ø114 mm；内径Ø46 mm；长度120 mm；工作压力35 MPa；工作温度135 ℃。

图2　注水测压工作筒结构Fig.2 Structure of water-flooding and pressure-monitoring barrel

1.3专用投送器

Special delivery device

定量注水测压堵塞器与偏心定量堵塞器外径相同、长度增加100 mm。由于被投送工具长度增加，随着井斜增大，用常规投送器投送定量注水测压堵塞器时，尽管投送器经工作筒导向机构驱动发生正常的旋转导向，但连接在投送器上的堵塞器无法对准工作筒偏孔，无法被投送到工作筒偏孔内，而是会从工作筒主通道通过。为满足长度较长的注水测压堵塞器的投送需要，在常规投送器上增加支撑机构，提高投送时堵塞器与工作筒偏孔的对准程度，由此形成了定量注水测压堵塞器的专用投送器。

（1）技术原理。专用投送器设计有强制支撑机构，克服被投捞工具长度和重力增加而造成的堵塞器对不准工作筒偏孔的问题，结构如图3所示。大斜度井内投送长堵塞器时，支撑块机构可将长堵塞器径向支撑出开口槽槽口之外，并与投捞送器轴线平行，注水测压堵塞器经过工作筒导向后能够对准工作筒偏孔，并投送到工作筒偏孔内；当长堵塞器从投送头意外脱落时，不会卡于油管和投送器的间隙内，而会掉入投送器口袋，避免卡投送器事故发生。

（2）技术参数及指标。外径Ø40 mm；长度110 mm；可投送堵塞器长度330 mm，工作压力35 MPa；工作温度135 ℃，适应最大井斜55°。

图3　专用投送器结构Fig.3 Structure of the special delivery device

2　分层定量注水分层测压一体技术原理Principles of integrated separate-layer quantitative water-flooding and pressuremonitoring

（1）井下管柱。井下用注水测压工作筒和封隔器组配成分注分测管柱。管柱结构（以3段为例）：丝堵+油管+注水测压工作筒+注水封隔器+油管+注水测压工作筒+注水封隔器+油管+注水测压工作筒+油管+逐级解卡锚定器+油管（至井口）。

（2）水量调配方式。按流量10 m3/d、20 m3/d、30 m3/d……100 m3/d来制造定流量的偏心定量注水测压堵塞器，注水井井下各段水流调配时，用打捞器捞出井下工作筒中原有的注水测压堵塞器，用投送器投入符合配注流量要求的定量注水测压堵塞器。

（3）测温、测压过程及数据提取方式。分注井井下测试资料包括各段油管压力、地层压力和地层温度。连续测温、测压时间长度决定于电池容量和测点间隔的步长，长期监测可按10 min取一组点来设定，连续测试时间可达8个月。现场在定量注水过程中可全程监测井下各段压力和温度，在需要读取数据的时候（或电池电量即将耗尽时），用专用打捞器捞出注水测压堵塞器，将注水测压堵塞器中测压部分拆卸，并连接于电脑上读取数据，获得对应层段的定量注水期间 的地层压力、油管压力和地层温度资料，更换电池后再将注水测压堵塞器投入到井下预定的工作筒内。温度、压力数据提取也可在分注井水量调配操作时进行。

（4）操作过程。在各级注水测压工作筒内投入压力计或堵塞器，使各工作筒处于封闭状态；按管柱结构在地面组配管柱；下入注水测压管柱至预定深度；校核管柱深度；从油管内憋压坐封封隔器和锚定器；下入大斜度井打捞器依次捞出各级堵塞器（或验封堵塞器），捞出每级堵塞器后可油管打压验封，验证封隔器密封性；根据配注要求，地面用钢丝携带专用投送器将相应的注水测压堵塞器投入到各段工作筒内，投送过程与偏心分注技术投捞过程相同；开始分层定量注水和分层测压、测温，一段时间（一般半年）后需要调配水量、更换水嘴或电池电量不足时用钢丝携带专用打捞器捞出各段工作筒内的注水测压堵塞器，打捞过程与偏心分注技术打捞过程相同；地面回放各段地层压力、油管压力和地层温度；按配注要求对各段再次投入注水测压堵塞器，继续分层定量注水和分层测压测温。

（5）技术指标。适应井斜≤55°；最大工作压差35 MPa，温度135 ℃；最大工作压力70 MPa；连续测试时间240 d。

3　注水测压堵塞器室内实验Lab tests of water-flooding and pressuremonitoring plug

（1）将注水测压堵塞器放入加压装置内，加压70 MPa，稳压12 h后取出拆开，液压密封合格，连接电脑回放数据正常。

（2）在实验室内将注水测压定量堵塞器中的定量部分用丝堵连接，并投入工作筒偏孔内，对工作筒进行密封性测试，测试压差35 MPa，密封合格。

（3）实验室内用投送器和打捞器进行注水测压堵塞器投捞实验，实验结果见表1，说明投送器满足60°以内井斜投捞需要。

表1　钢丝投捞实验结果Table 1 Test results of wireline positioning and recovery

4　分层定量注水分层测压一体技术现场试验On-site tests of integrated separate-layer quantitative water-flooding and pressuremonitoring

（1）基础状况。L35-4井为柳赞油田的一口注水井，1991年完钻，最大井斜37°/1 354 m，油层套管Ø139.7 mm，人工井底3 199.15 m，固井质量合格，注水层位Es3位。此次分3段注水，上段井段2 252～ 2 865 m，31.2 m/6层，不注水；中段井段2962 ～3 005 m，15.2 m/4层，日配注40 m3；下段井段3 019.3～3 053.3 m，10.0 m/3层，日配注30 m3。2014年10月21日开始施工。

（2）实施过程。①在地面上在工作筒内投入测压堵塞器或堵塞器。②地面组配管柱，管柱结构为：固定球座（3 061 m）+油管+注水测压工作筒（3 042 m）+油管+Y341注水封隔器（3 011 m）+油管+注水测压工作筒（2 981 m）+油管+Y341注水封隔器（2 941 m）+逐级解卡锚定器（2 940 m）+油管至井口。③管柱下到预定深度并校深。④在地面上用泵车打压座封。⑤捞出下段工作筒内堵塞器，用泵车打压10 min，压力最高10 MPa，之后捞出中段工作筒内测压堵塞器，在地面上进行压力数据回放。数据显示套压不随着验封压力变化而变化，说明下部封隔器密封合格。⑥用泵车打压10 min，压力最高10 MPa，套管压力无变化，说明上部注水封隔器密封合格。⑦用专用投送器连接投偏心定量注水测压堵塞器（30 m3/d），向下段工作筒内投送，入孔时下冲速度80 m/min，投送成功。⑧用专用投送器连接投注水测压堵塞器（40 m3/d），向下段工作筒内投送，入孔时下冲速度80 m/min，投送成功。⑨1个月后用专用投捞器分别打捞下段和中段的定量注水测压堵塞器，在地面上将压力计连接到计算机上回放压力数据，得到1个月定量注水情况的压力和温度数据。⑩将2个注水测压堵塞器继续投送到中段和下段工作筒内，继续边定量注水边测压测温。

（3）回放数据分析。2014年11月26日捞出下段工作筒内定量注水测压堵塞器，单段注量30 m3/ d，每5 min取1个点，总共取点4 900组。如图4所示曲线可得到3点结论：获得了下段井底流压（油管压力）的变化情况，初期波动较大，后期波动较小，长期呈下降趋势，由47 MPa下降到45 MPa；获得了下段地层压力变化情况，相比注水压力，地层压力波动很小，长期呈上升趋势，由41.4 MPa上升到43.2 MPa；获得了下段嘴损压力（井底油压-地层压力）的变化情况，最高8 MPa、最低1 MPa，初期波动较大，后期波动较小，长期呈下降趋势，平均由4.4 MPa下降到2.1 MPa，而单段注水量为30 m3/d恒定，说明定量水嘴水量与嘴损压差无关。图5为地层实际测温数据生成曲线，从曲线中可以看出初期未注水时地层温度93 ℃～98 ℃，后期由于注水原因，地层温度下降到72 ℃。该技术目前应用5口井，施工成功率100 %，投捞操作20次，投捞成功率100 %；井下各段压力回放10次，测压测温数据提取合格率100%。

图4　L35-4井下段定量注水过程中测压数据Fig.4 Pressure datas acquired during quantitative water-flooding in the lower section of Well L35-4

图5　L35-4 井下段定量注水过程中测温数据Fig.5 Temperature datas acquired during quantitative waterflooding in the lower section of Well L35-4

5　结论Conclusions

（1）形成了一套完整的注水井分段定量注水分段测压一体技术，定量注水测压堵塞器在原有偏心定量注水堵塞器结构上设置了测温测压总成，注水测压工作筒在原偏心注水工作筒结构上增加了测试通道，投送定量注水测压堵塞器的专用投送器在原有偏心投送器结构上增加了阀底支撑总成机构。

（2）定量注水测压堵塞器满足70 MPa密封要求，专用投送器满足了60°以内井斜投捞需要。注水井分段定量注水分段测压一体技术现场成功应用5口井，投捞调配和压力数据录取全部成功。

（3）该技术在分层定量注水同时能够全程监测各层地层压力、地层温度、油管压力，可以通过专用投捞器定期投捞注水测压堵塞器来调配分注井各段水量和提取各段压力温度数据，扩展了现有偏心分层注水技术的功能，具有广阔的应用前景。

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（修改稿收到日期 2016-06-04）

〔编辑 李春燕〕

Integrated technology of separate-layer quantitative water flooding and pressure monitoring

SONG Xianmin1， ZHANG Limin1， ZHANG Yuhui2， ZHANG Jianzhong1， LIU Yufei1， LIU Shiying3
1. PetroChina Jidong Oilfield Company， Tangshan， Hebei 063004， China； 2. PetroChina Huabei Oilfield Company， Renqiu， Hebei 062550， China；3. PetroChina Yumen Oilfield Company， Jiuquan， Gansu 735019， China

Monitoring formation pressure and temperature during separate-layer water flooding can provide reliable data for geologic study of relevant formations， but monitoring techniques currently available can not monitor formation pressure and temperature all the way. Based on principles and tool structure of eccentric quantitative water flooding technique and downhole monitoring technique，integration of separate-layer quantitative water flooding and pressure monitoring has been achieved by adopting integration research principles and designs. During the course， a plug with water-flooding and pressure monitoring capacities， water-flooding and pressuremonitoring barrel with testing channels， and special delivery device with valve-bottom supporting assembly have been developed. Lab test results show all the key tools have reliable sealing performance to satisfy demands related to place， recover and replace of waterflooding and pressure-monitoring plugs. Up to now， the technique has been used in 5 wells with a success rate of 100%. Moreover， 100% of pressure and temperature data acquired are qualified， expanding the function of conventional eccentric separate-layer water flooding technique， the newly developed system has bright prospects of application on site.

water regulator； working barrel； delivery device； quantitative water flooding； separate-layer pressure monitoring

TE934

B

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0526- 05

10.13639/j.odpt.2016.04.023

SONG Xianmin， ZHANG Limin， ZHANG Yuhui， ZHANG Jianzhong， LIU Yufei， LIU Shiying. Integrated technology of separate-layer quantitative water flooding and pressure monitoring［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 526-530.

宋显民（1971-），西南石油大学石油矿场机械专业在读博士研究生，现从事采油工艺研究工作，高级工程师。通讯地址：（063004）河北省唐山市路北区光明西里冀东油田钻采院。电话：0315-8768028。E-mail：songxm@petrochina.com.cn