自源閉式注水技術(shù)探索與應用

馬喜超，余 潞，沙吉樂，黃澤超，張 磊，郭沛文

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452）

圖1 自源閉式分層注水管柱組成Fig.1 Composition of self-sourced closed layered water injection string

目前海上油田開發(fā)已經(jīng)全面進入中后期開發(fā)階段，渤海油田利用注水技術(shù)補充地層能量已經(jīng)實施20余年。南海油田開發(fā)較晚，在開發(fā)初期，其邊底水能量充足，在開發(fā)初期采用自噴、電泵生產(chǎn)，未進行水驅(qū)開發(fā)，在油田整體開發(fā)方案階段未考慮水驅(qū)開發(fā)，地面未配備注水設備。隨著開發(fā)過程深入，地層能量逐漸出現(xiàn)虧空，需要及時地補充地層能量。為解決地面沒有配套注水設備的現(xiàn)狀，開發(fā)出一種就地利用近源天然水層在井下閉式環(huán)境實施人工注水的工藝方案[1-5]，實現(xiàn)自源閉式注水，為南海油田開發(fā)解決了無地面注水設施又急需補充地層能量的問題，有效地補充地層能量，實現(xiàn)了高效開發(fā)[6-8]。

1 自源閉式注水工藝組成

1.1 管柱組成

自源閉式注水工藝管柱由滑套、電潛泵、雙層油管、測調(diào)工作筒等系統(tǒng)組成。電潛泵采用寬頻高揚程設計，采出地下水源層位水進行增壓，為井下注水提供注水壓力，同時通過泵頻的改變，實現(xiàn)變流量注入，從而滿足油藏開發(fā)需求。循環(huán)滑套位于頂部封隔器上方，其目的是實現(xiàn)循環(huán)壓井，從而控制注水路開關(guān)。利用雙層油管，實現(xiàn)采水、注水兩條獨立的通道，從而實現(xiàn)分層注水。雙管邊測邊調(diào)工作筒，實現(xiàn)水嘴開度調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)分層配注。調(diào)配時，下入測調(diào)儀器，通過測調(diào)儀器實現(xiàn)注水量的邊測邊調(diào)，從而有效地保障調(diào)配成功率。

圖2 雙管式邊測邊調(diào)工作筒Fig.2 Double-tube type working cylinder while measuring and adjusting

1.2 工作原理

返排：管柱下入到位后，為緩解修井液對近井地帶早層的污染，需要對井液進行返排，通過堵塞器下入到Y(jié)接頭部分，將中心通道關(guān)閉，地層產(chǎn)出液通過電潛泵增壓，舉升至地面，從而實現(xiàn)返排功能。

正常注水：管柱下入到位后，水源層水通過雙層油管的環(huán)空通過雙管定位密封裝置，到達油套環(huán)空內(nèi)部，通過電潛泵增壓，增壓后回注水進入雙層油管內(nèi)部空間，通過雙管邊測邊調(diào)工作筒實現(xiàn)分層注入。

分層調(diào)配：將中心通道堵塞器全部撈出，下入邊測邊調(diào)測調(diào)儀，對雙管邊測邊調(diào)工作筒進行調(diào)配。調(diào)配過程中，可以實時地對分層注水量進行直讀，利用一趟鋼絲作業(yè)，可以實現(xiàn)多層的調(diào)控。

1.3 工藝特點

1）不動管柱返排等工況下，閉式注水工藝難題。

2）寬頻高揚程設計+可視化在線調(diào)配實現(xiàn)分層注水，調(diào)控效率高。

3）不動管柱實現(xiàn)了地層酸化、示蹤劑注入等功能，提高措施效率。

2 自源閉式注水工藝關(guān)鍵工具

自源閉式注水工藝由雙管式邊測邊調(diào)工作筒、測調(diào)儀器、雙層油管等關(guān)鍵工具組成。雙管式邊測邊調(diào)工作筒用于分層注水，同時實現(xiàn)層間過流。測調(diào)儀器實現(xiàn)工作筒注入量的調(diào)節(jié)，雙層油管建立換空通道，實現(xiàn)了采水、注水通道。

2.1 雙管式邊測邊調(diào)工作筒

1）工具組成

雙管邊測邊調(diào)工作筒由測調(diào)儀器定位臺階、測調(diào)儀器防轉(zhuǎn)槽、調(diào)節(jié)套、水嘴內(nèi)套、水嘴外套、橋式通道等結(jié)構(gòu)組成。

2）工作原理

雙管邊測邊調(diào)工作與雙管配合，其主要設計目的是實現(xiàn)內(nèi)層管內(nèi)注入水進入地層，同時保障內(nèi)管和外管之間的過流通道保持獨立。因此，在常規(guī)邊側(cè)邊調(diào)工作筒的基礎上增加了外層管結(jié)構(gòu)，延續(xù)引用了常規(guī)邊測邊調(diào)工作筒的測調(diào)儀器定位臺階、測調(diào)儀器防轉(zhuǎn)槽、調(diào)節(jié)套等結(jié)構(gòu)。同時在水嘴處設置結(jié)構(gòu)，將內(nèi)層水嘴直接與外部通道相連，實現(xiàn)中心管注入水直接進入地層。同時在水嘴側(cè)面設置有橋式通道結(jié)構(gòu)，保障內(nèi)外層管通道的獨立，從而形成獨立的注水通道。

3）工具特點

①為保障在熱水驅(qū)環(huán)境下工作筒的可靠性，對工具密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)選Balseal動密封結(jié)構(gòu)，滿足150℃高溫，60MPa高壓作業(yè)環(huán)境，確保高溫高壓環(huán)境下的雙向密封，并降低調(diào)節(jié)扭矩。

②針對水嘴結(jié)構(gòu)，優(yōu)選氮化硅陶瓷水嘴，滿足沖蝕條件的同時，滿足后續(xù)酸化、調(diào)驅(qū)作業(yè)要求。

③在水嘴下部添加動密封防護結(jié)構(gòu)，防止動密封部件被流體高速沖擊，沖出密封槽。

4）工具關(guān)鍵參數(shù)

單層最大排量800m3/d，外徑148mm，內(nèi)徑46mm，長度1340mm，耐壓60MPa，耐溫150℃。

2.2 測調(diào)儀器

1）工具組成

圖3所示，測調(diào)儀器結(jié)構(gòu)組成包括：防過載電纜頭，外磁電磁流量計，壓力、溫度傳感器，控制、測量模塊，變速控制伺服電機，收、放位置檢測傳感器，角度傳感器，支撐執(zhí)行機構(gòu)，同心調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)，加重連接頭。

圖3 測調(diào)儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of measuring and adjusting instrument

導向調(diào)節(jié)部分決定儀器和橋式雙層邊測邊調(diào)工作筒的對接位置，確保調(diào)節(jié)爪和橋式同心配水器的調(diào)節(jié)部分可靠掛接，與雙層邊測邊調(diào)工作筒的防轉(zhuǎn)槽配合，防止儀器在調(diào)節(jié)過程反方向轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)爪主要作用是和雙層邊測邊調(diào)工作筒的調(diào)節(jié)部分配合，實現(xiàn)工作筒的正負調(diào)節(jié)和脫扣。

2）工作原理

調(diào)節(jié)機構(gòu)工作原理：測調(diào)儀支撐臂由導入筆尖定位，調(diào)節(jié)爪與雙層邊測邊調(diào)工作筒調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)配合。當測調(diào)儀調(diào)節(jié)爪正旋時，帶動工作筒內(nèi)調(diào)節(jié)機構(gòu)轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)機構(gòu)由于螺紋結(jié)構(gòu)作用帶動工作筒內(nèi)層套管往下移動，閥內(nèi)、外套間環(huán)空間隙減小，流量減小，此為正調(diào)；當測調(diào)儀調(diào)節(jié)爪反旋時，帶動工作筒內(nèi)調(diào)節(jié)機構(gòu)轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)機構(gòu)由于螺紋結(jié)構(gòu)作用帶動工作筒內(nèi)層套管往上移動，閥內(nèi)、外套間環(huán)空間隙增大，流量增大，此為反調(diào)。

圖4 雙層油罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the double-layer oil tank

流量測試原理：流量測量采用注水油管中心流速式外磁電磁流量計，依據(jù)法拉第電磁感應定律，即導電性液體在油管中切割電磁流量計的磁力線時產(chǎn)生感應電動勢，其感應電動勢與導電液體流速、磁感應強度、導體寬度成正比。該感應電動勢由電磁流量計管壁上的兩對電極檢測到，通過運算就可以得到流量。

3）工具特點

①開發(fā)適用于閉式注水環(huán)境下的可視化在線測調(diào)技術(shù)，調(diào)配誤差＜2%。

②一趟電纜作業(yè)，無需反復投撈。

③可任意調(diào)節(jié)任意一級工作筒，不影響其它級正常注水。

④數(shù)據(jù)直接讀取，實現(xiàn)地面測調(diào)同步，測調(diào)效率和配注精度高。

⑤攻克了地熱水驅(qū)所需高溫高壓分層注水的技術(shù)難題，耐溫150℃，耐壓60MPa。

4）關(guān)鍵參數(shù)

外徑42mm，長度1650mm，流量測試范圍50m3/d～1200m3/d，耐溫等級150℃，耐壓等級60MPa。

2.3 雙層油管

雙層油管是工藝的重要組成部分，通過雙層油管實現(xiàn)了采水、注水獨立通道，從而實現(xiàn)了閉式環(huán)境下的分層注水工藝。雙層管式油管采油“4.5″套管+2-7/8″油管”組合：內(nèi)管過流直徑59mm，環(huán)空當量過流直徑69.1mm，最小當量過流直徑53.5mm，雙層管式油管內(nèi)管最大排量1800m3/d，雙層管式油管環(huán)空最大排量1500m3/d。

3 現(xiàn)場應用

南海M油田目前進入開發(fā)中后期階段，長期大排量開發(fā)導致地層能量補充慢，供液不足，需盡快補充能量，同時地面沒有配套注水設備，井槽緊張。針對以上問題，2020年9月在M油田的A20井成功實施閉式分層注水工藝，依據(jù)油藏需求及各注水層吸水能力情況，以優(yōu)先保障韓江2-21層配注為調(diào)配目標，將韓江2-21層、韓江2-22A層水嘴全開，調(diào)配韓江2-15層、韓江2-17層水嘴，最終調(diào)配結(jié)果基本達到油藏配注要求，實現(xiàn)了自源閉式工藝的可視化分層注水。地層壓力整體回升約3MPa，地層壓力水平從最低的59%提升到71%，受效井日產(chǎn)油從60桶/天逐漸增加至170桶/天，增油量超過100桶/天；含水從98.3%逐漸降低至95.1%，含水降低3.2%，受效明顯。

表1 M油田A20井分層注水調(diào)配結(jié)果Table 1 The results of layered water injection in Well A20 in M Oilfield

4 結(jié)論

1）形成了自源閉式注水技術(shù)及配套管柱工藝、工具，解決了地面無注水設備平臺注水問題，補充地層能量，提高水驅(qū)開發(fā)效率。

2）形成了適用于閉式注水的轉(zhuǎn)向分流工具、可視化測調(diào)技術(shù)等系列工具，有效解決了閉式注水工藝注采通道轉(zhuǎn)向、精細化注水等難題。

3）通過海上現(xiàn)場實施，有效地對地層能量進行了補充，保障開發(fā)效果。自源閉式注水工藝技術(shù)，為海上油田開發(fā)提供經(jīng)濟、高效、低碳的水驅(qū)開發(fā)解決方案。