水平井分段注水工艺研究及应用

何明华，赵烁，李鹏辉

（吐哈油田工程技术研究院，新疆鄯善 838202）

0 引言

注水开发仍然是吐哈油田保持地层压力、提高油井采收率的主要方式。吐哈油田现有水平井755口，其中注水井58口，全部采用笼统注水方式。受油藏储层的非均质性影响，笼统注水易造成高渗段超注与低渗段欠注，严重影响水平井的均衡开发效果[1-2]。目前，国内其它油田相继开展了水平井浅测分段注水管柱、水平井井下分注管柱、水平井分段注水管柱，以及超深双台阶水平井分注及酸化一体化管柱等研究，能够在一定程度上满足水平井分段注水的需求，但仍然存在着可分注层段少、连续油管投捞水嘴成本高、压力波测调难度大等问题[3-7]。为此，开展了水平井分段注水工艺研究，来实现水平井两级及多级分段注水需求，发挥各油层潜力，提高注水开发效果，促进油田注水不断向精细化、智能化发展。

1 技术分析

受水平井井身结构特点影响，水平井分段注水工艺研究存在着以下几个难点：1）测调困难。目前油田成熟工艺技术桥式偏心、桥式同心分注工艺都需要通过下钢丝或电缆来进行测调，井斜过大时，会导致枪串无法下入，无法满足水平井测调需求[8-9]。2）管柱起下困难。水平井井斜大，且存在狗腿，要求设计管柱结构时应相对简单，同时配套相应的安全辅助工具以保证管柱正常起下[10]。3）水平段封隔器密封不可靠。受封隔器重力影响，水平井封隔器可能会存在着胶筒与井壁接触强度低、密封不可靠问题。为此，提出了水平井分段注水工艺。

2 水平井分段注水工艺

2.1 工艺原理

水平井分段注水工艺由远程通信单元、地面测调仪及井下水平井分注管柱3部分组成。通过计算机软件远程发布配水指令给地面测调仪，地面测调仪接收到指令后，通过电缆将信号传递给井下分注管柱中各个智能分注仪，实现对井下各层水量的调节与控制。同时，井下智能分注仪读取的压力、温度、流量等数据亦可通过电缆实时反馈给地面控制系统，便于技术人员观测与分析。

2.2 管柱结构

水平井分注管柱由安全接头、过电缆水力锚、过电缆封隔器、智能分注仪、过电缆扶正器、水力循环凡尔组成，两段分注管柱结构如图1所示。

图1 水平井分注管柱结构示意图

2.3 管柱特点

1）实现在线远程测调，全面解决了井筒对测调的限制，节约大量的人力物力成本。

2）实时读取井下流量、注水压力、地层压力与温度等参数，用于油藏动态分析。

3）自动监测各层注水量，智能分注仪内置的微处理器根据设置自动控制水嘴阀门开度，将注水量控制在允许的误差范围之内。

4）封隔器可在线验封，无需再单独下入堵塞式压力计，操作简便经济。

5）配套电缆保护罩、电缆保护卡等安全辅助工具，保障水平段电缆完好性及管柱起下的安全性。

3 核心工具

3.1 智能分注仪

3.1.1 结构与组成

有缆智能分注仪由上下接头、中心过流管、外护管、流量计、流量调节阀、压力温度传感器、测控电路板及电路短节等几部分构成，如图2所示。

图2 智能分注仪结构示意图

3.1.2 工作原理

通过连接电缆接收地面发送的配水指令，通过流量调节阀实现对目的层水流量的调节。图2中箭头表示水流方向，注水时，一部分水流通过上层智能分注仪中的流量计及流量调节阀向上层注入，另一部分水流通过中心过流管进入下层智能分注仪。分注仪内部各结构相互独立，各自承载着不同的功能，由信号控制线连接进行供电和通信。

3.1.3 技术特点

1）配套压差式流量计，实时监测配注流量，性能稳定可靠，使用寿命长。

2）流量调节阀采用陶瓷可调水嘴，耐磨性能高，且水嘴采用平衡压设计，消除压差对水嘴开启的影响，其结构如图3所示。

图3 流量调节阀结构示意图

3）设计分注仪内外压压力传感器，可实时监测分注仪内外压力、温度数据。

4）耐高温、大转矩电动机，保障水嘴开关灵活性及可靠性。

3.1.4 技术参数

1）外径/通径：φ114 mm/φ46 mm；2）长度：1.085 m；3）耐温/耐压：120 ℃/50 MPa；4）有效工作时间≥3 a；5）压力测量范围：0～60 MPa，精度为±1‰；6）温度测量范围：0～120 ℃，精度为±1 ℃；7）单层流量测调：0～200 m3/d，精度为±2%。

3.2 过电缆封隔器

3.2.1 结构与组成

过电缆封隔器主要由上接头、中心管、胶筒、反洗阀、液缸、坐封及解封机构、下接头等组成，如图4所示。

图4 过电缆封隔器结构示意图

3.2.2 工作原理

封隔器下至设计位置后，通过油管打压，剪断坐封剪钉，推动液缸压缩胶筒，实现封隔油套环空，同时液缸被锁尺机构锁定防止回弹，油管泄压后胶筒始终处于压缩状态，实现密封效果。解封时通过上提管柱，剪断解封剪钉，泄压下行，胶筒回弹完成解封。

3.2.3 技术特点

1）内置过电缆通道，电缆可整体穿越封隔器，中间无续接节点，提高了电缆通电可靠性及电缆安装效率。2）设计反洗井机构，可定期清理井筒杂质，防止堵塞。3）采用液压坐封、逐级解封方式，可实现水平段多段分注需求。

3.2.4 技术参数：

1）外径/通径：φ114 mm/φ42 mm；2）长度：1.60 m；3）耐温/耐压：120 ℃/60 MPa；4）启动/坐封压力：6/20 MPa；5）过电缆通径：6 mm。

4 安全辅助工具

为了提高该分注工艺在现场施工过程中的安全性，本文从水平段电缆头及电缆保护方面，设计相关安全辅助工具，以确保施工顺利、可靠。

在水平井分注管柱中，电缆密封接头是电缆进出封隔器、分注仪的通道，它接在封隔器、分注仪的上下端，在管柱通过斜井段过程中，电缆头与套管壁可能发生剐蹭，存在着电缆头损伤而无法正常通信的风险。为此，设计了电缆头保护罩，将电缆头由外漏式变为内藏式，避免了剐蹭的风险，其结构示意图如图5所示。同时，优选单芯钢管电缆进行信号传递，电源正极接中间缆芯，负极接外层不锈钢管，其特点是内层设计单根缆芯，相对于多芯电缆，其信号衰减弱，且现场电缆密封和对接时只需要操作单根缆芯,使施工更加快捷方便。外层设计不锈钢管，耐磨损性能强，可有效保护电缆，进行正常供电与通信。另外，设计φ114 mm加厚型电缆护卡，安装在油管接箍处固定电缆，防止电缆下入时堆积在油套环形空间内被挤坏，影响电缆的电气性能，如图6所示。

图5 电缆头保护罩

图6 加厚型电缆护卡

该管柱后期通过上提油管剪断封隔器解封销钉来实现解封，而受水平井斜井段及水平段管柱重力分力的影响，管柱的上提力较难传递到封隔器上，造成管柱解封力过大甚至无法解封的风险。同时，由于长期的注采，管柱也会造成不同程度的结垢、腐蚀，更是增加了解封的难度。为此，设计了安全丢手接头（如图7），当管柱无法顺利解封时，可由安全丢手接头处断脱，起出安全丢手接头以上管柱，然后再下入打捞工具捞出管柱剩余工具，避免管柱大修的风险。

图7 安全丢手接头

另外，管柱还配套过电缆扶正器（如图8），扶正器外径设计为管柱最大外径，使管柱下入过程中始终处于居中位置，减小管柱在下入过程偏磨影响，降低了管柱的下入难度，还可以使封隔器胶筒始终处于中间位置，避免前期套管壁上射孔炮眼对封隔器刮伤的风险，保证了封隔器胶筒完好性及密封可靠性。

图8 过电缆扶正器

5 施工工序及注意事项

5.1 施工工序

1）根据井场实际情况合理摆放电缆、护卡、井下工具和其它附件；

2）给各级封隔器、智能分注仪安装好电缆接头，电缆接头内部注满硅脂；

3）按照完井管柱图下入配套工具、油管及电缆，每根油管接箍处安装电缆护卡；

4）水平段完井工具、油管及电缆下入完成后，用电缆续接器连接水平段钢管电缆与直井段铠装电缆，并将其置入托筒。

5）安装井口密封三通，将电缆从三通引出并与地面控制系统连接，地面电缆做埋地处理；

6）反洗井，至进出口水质一致为止；

7）封隔器坐封，根据压力稳定情况和套管溢流变化情况对第一级封隔器及管柱进行验漏；

8）其它封隔器验封，根据不同分注仪外压差值判断其它各级封隔器密封情况；

9）按照油藏配注要求开展调配。

5.2 注意事项

1）管柱下入时要匀速平稳，禁止猛停猛放，顿钻溜钻，尤其是管柱过斜井段及水平段时，应时刻注意指针表悬重变化，如出现遇阻情况，及时汇报，严禁强行顿钻，尽可能避免电缆及工具发生磕碰损伤。

2）封隔器及智能注采器入井前，要进行电缆信号检测，确保正常后方可下入。在电缆托筒下入后，每下入500 m管柱需检测一次电缆信号。

3）在连接油管和安装电缆护卡的过程中，需要严格注意对钢管电缆的保护，打卡子的时候需要将钢管电缆拉直，避免钢管电缆与套管内壁发生摩擦；在井口放置卡瓦时，需有专人负责将钢管电缆置于修井机气动卡瓦空隙处，防止钢管电缆被卡瓦夹伤。

4）管柱所用封隔器均为压差式封隔器，工具下井后至坐封前须保证套管液满，禁止关闭油套环空和油管，防止油套建立压差提前坐封；封隔器坐封后，如需泄压作业，一定要缓慢平稳，突然泄压可能会导致封隔器解封。

6 现场应用

2021年5月，水平井分段注水工艺技术应用于吐哈油田某井。该井初期采用速钻桥塞压裂投产，于2018年转为注水井，注水方式为合层注水，通过测吸水剖面发现，各层吸水差异明显，为有效改善层间吸水矛盾，提高驱油效率，开展了水平井分注技术研究及现场试验。

6.1 验封

关闭第2层有缆智能配水器水嘴，打开第1、3层有缆智能配水器，进行2、3层封隔器验封程序。第1、3层外压升高2～3 MPa左右，第2层内压升高，外压曲线未随内压曲线变化，说明第2、3层封隔器密封良好。

6.2 调配

按照地质配注要求，各层配注量分别为20/0/20 m3/d，开展分段流量测试调配。调配后，通过实时监测面板，发现各层实际配注20.48/0/20.90 m3/d，单层流量最大误差为4.5%，全井误差为3.4%，达到分注需求，同时井下压力、温度数据读取功能均正常，取得了较好的应用效果。

7 结论

1）水平井分段注水工艺成功实现了水平井多段分注，可对井下流量、压力、温度等生产参数全过程实时监测与自动测调，有效地解决单井层间吸水差异矛盾，低孔、低渗储层得到进一步动用，对注水提高油藏采收率具有重要意义。

2）针对水平井井斜大、存在狗腿等特点，为了确保施工顺利安全可靠，研制了电缆头保护罩、电缆护卡等安全辅助工具，可有效地保护电缆完好性及管柱起下的安全性。

3）目前该工艺配套的封隔器，采用了上提解封的解封方式，从解封安全角度考虑，限制该工艺水平井分注段数在5段以内，为了进一步提高分注段数，下步将开展K344保压封隔器研究，起管前可通过反洗井将封隔器提前解封，降低管柱解封负荷，来达到长水平段多级分注的目的。

图9 第1层验封曲线

图10 第2层验封曲线

图11 第3层验封曲线