徐国民等：特高含水期精细分层注水需要解决的问题 特高含水期精细分层注水 需要解决的问题 Ｉ徐国民刘亚三米忠庆 Ｉ大庆油田有限责任公司第四采油厂 摘要：大庆油田进入特高含水期，为提高水驱开发效果，实施了精细分层注水，平均单井注水层段由目前的４个增 加到７个以上。由于油层纵向上细分层数的增加，工艺上需要解决在较薄的隔层上卡封隔器，以及在较小的卡距内配置偏 ・心配水器等问题；同时，由于分层注水工具级数增多，带来了管柱重配时解封困难和管柱洗井不彻底等问题。为此，需要 研究有效隔层厚度标准，适应薄隔层、，ｊ，ｆ－距的分层注水工具及测试投捞技术，以及能够保证细分层管柱有效解封和高效 洗井的配套技术，以满足精细分层注水对工艺的需求。 关键词：大庆油田 高含水精细分层注水工艺 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３０２ｘ ２０１０．０４．００５ 大庆油田进入特高含水期，多套层系井网相互交 错，注采关系趋于复杂，各层系间含水差异逐渐缩小， 结构调整日益困难，多层高含水井和供液不足井逐年 增多，层问矛盾和平面矛盾更加突出。为此，大庆油 田提出了实施精细分层注水的开发要求，通过加细注 每个层段内有８．３个油层，砂岩厚度和有效厚度分别 为７．０ｍ和２．０ｍ。分层注水井平均单井砂岩厚度注水 强度为１．８６ｍ￣／（ｄ・ｍ），其中，加强层砂岩厚度注水 强度为１．７４ｍ３／（ｄ・１ＴＩ），平衡层砂岩厚度注水强度为 ２．２２ｍ３／（ｄ・ｍ），限制层砂岩厚度注水强度为１．９８ｍ，／ （ｄ・ｍ ｏ按照层段内小层数量分级比例，层段内小层 水层段，加密测试周期，进一步提高油层动用程度，控 制油田含水上升速度和产量递减速度，最大限度增加 水驱可采储量。 大庆杏北开发区分层注水井数２２９２口，平均单井 分注４Ｉ３个层段，其中，分３～５个注水层段的井有１８８１ 口，占总井数的８２．０７％。统计９５３２个注水层段，平均 数在１０个以上的占３２．５％。根据对５４５口井同位素吸 水资料进行统计，吸水的层数、砂岩厚度、有效厚度 比例分别为７２．８％、７９．２％、８６．３％，油层动用仍不均衡， 薄差层动用程度亟待提高。因此，必须进一步实施精 细分层注水，提高中、低渗透油层的动用状况（表１ ｏ 表１注水井分层情况统计表 分注 井网 层段内小层情况 层数（个） 砂岩（ＩＴ１） 有效（ｍ） ８．４ ８３ ９３ ７＿４ ４．Ｏ ２．２ 层段内小层数量分级比例（％） １个 ２－３ ３．Ｏ 层段（个） 基础井网 一２～４个 ２２．２ ２０－２ ５～７个 １９．１ １８．７ ８～１０个 １０个以上 ２２．５ ２５．７ ３３．９ ３２．４ ｌ６５７ ３７５８ 次加密井网 二次加密井网 三次加密井网 ３２６４ ８５３ ８．４ ７．８ ６．０ ４．６ １．Ｏ ０．６ １．８ ３．９ １９＿３ １９．９ １９．０ ２１．３ ２６．８ ２７．２ ３３．２ ２７．７ 合计 ９５３２ ８－３ ７．０ ２．０ ２．５ ２０．２ １９．１ ２５．６ ３２．５ 第一作者简介：徐国民，男，１９６８年生，１９９２年毕业于大庆石油学院采油工程专业，大庆油田有限责任公司第四采油厂总工 程师。Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｕｇｕｏｍｉｎ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ．ｃｎ ２０１ ０年第４期・石油科技论坛１９ 一 窨一 羁 旧姆趟 加 ｍ Ｏ 按照注水井合理分级“７７８３８”精细分层注水开发 标准，即，细分层段内小层数控制在７个以内，变异 系数小于０．７，砂岩厚度小于８ｍ，每年测调３次，动用 程度达到８０％，注水层段需要在现有的平均单井４个 ∞ ∞ 提高到平均７个以上，单井细分层段最高将可能达到 ８～１０个。为此，注水工艺技术需要解决以下问题。 １ 确定最小隔层厚度标准和管柱误差范围 １．１ 隔层阻渗能力与最小隔层厚度 根据对薄隔层压裂试验，在一定压差下泥岩可渗 图２封隔器管柱受力基本效应示意图 滤的厚度小于０．１ｍ，造成薄隔层窜通的薄弱位置在固 井水泥环的第二胶结面处。理论计算表明，薄隔层在 无保护措施条件下剪切破坏的最小厚度为０．８ｍ，有保 护措施时隔层剪切破坏的最小厚度为０．４ｍ。一般情况 下，正常注水压力小于地层破裂压力，可以实现有效 分层的隔夹层厚度也会小于０．４ｍ。但是，由于不同开 发区块和不同层系间的最大压差不同，最小隔层厚度 标准需要多少还需进一步的调查和研究（图１）。 注水管柱自重引起的轴向伸长量计算方法如下： 封隔器坐封前管柱只受重力作用，不会发生弯曲变 形和其他效应，此时的伸长量可由胡克定律公式计算出： ＡＬ＝９．８×２ＫｑＬ ／ｈＥ（Ｄ２ ｃＹ） ０．２５ 式中 ———没管柱深度，１２００ｍ； 浮力系数， —Ｐ／７．８５； ｑ——油管每８ｍ在空气重量，ｋｇ／ｍ； Ｅ——钢材的杨氏模量，Ｅ＝２．０５９３９６５ Ｘ １０ ＭＰａ； Ｄ——油管外径，ｍｍ； ｄ——油管内径，ｍｍ。 由于管柱定位、校深是在封隔器释放前完成，自 １．２ 井下管柱的轴向变形量 重伸长引起的深度误差可以地面调整。 注水状态下管柱的轴向变形量：在注水过程中， 管柱伸缩的原因比较复杂，有注水压力产生的活塞效 应、鼓胀效应、弯曲效应等造成的，也有因注入压力 的变化、停注、反洗井等产生的伸缩蠕动力引起注水 ０．５ ｌ １．５ 管柱应力及轴向变形造成的。 隔层厚度（ｍ） 图１胶结面的抗剪切强度及所受的 平均剪切应力曲线图 表２是一组试验数据。从表２可以看出，在１５ＭＰａ 压力下，１０００ｍ井深管柱的伸长量约为０．３８ｍ。但是，由 于大庆油田层间渗透率差异导致注水压力变化较大， 在注水状况下管柱的实际伸长量和缩短量还需要进一 步的验证。 常用的水力压缩式注水封隔器一般采用液压坐 封，上提管柱解封，依靠锁紧装置保持封隔器胶筒始 终处于膨胀密封状态。自由状态下，管柱存在着虎克 定律效应的自重伸长。正常注水时，管柱上存在着鼓 胀效应、活塞效应、螺旋弯曲效应、温度效应等（图 ２）。因此，正常注水时管柱变形量大，停注时管柱变 形量小，管柱的频繁伸缩造成封隔器胶筒在套管内上 １。３ 管柱定位误差和卡封的最小隔层厚度 常规的注水封隔器胶筒长度为０．１ ３ｍ。按照封隔器 的性能要求，只要封隔器胶筒卡在未射孔隔层的套管 内，封隔器均可以正常工作，即不考虑窜动等其他因 素，保证封隔器胶筒正常工作的有效隔层厚度为０．１３ｍ。 根据上述分析，停止注水时管柱伸长约０．２５ｍ（不 考虑胶筒在套管中的摩擦力），在１５ＭＰａ压力注水时管 下蠕动。如果胶筒运动到射孑Ｌ套管部位上，会因胶筒 损坏使封隔器失效，不能实施正常分层注水。 ２ｏ石油科技论坛・２０１０年第４期 徐国民等：特高含水期精细分层注水需要解决的问题 表２注水管柱在静应力下引起的轴向变形 井深（ｍ） ０ 果；设计的释放单流阀和洗井单流阀，可以保证压力 波动时的管柱密封和洗井解封，中心管内通径为 Ｏ６２ｍｍ，可以满足分层流量测试要求。 ５ｏｏ ０．ｏｏ３４ １ｏｏ０ ０．１８８２ １５０ｏ ０．４８Ｏ０ ２０ｏＯ ０．９８７７ 井口 ５ ０．０３５４ ０．２２３５ ０．５７７０ １．１１７２ 压力 １０ ０．０７６２ Ｏ．３１７６ ０．６７４０ １．２４６６ ２ 研究精细分层配水工艺及配套工具 ２。１ 小隔层、小卡距堵塞器的投捞和流量测试 常规偏心配水器，要求相邻两级偏心配水器间距 达到４ｍ以上才能保证堵塞器ＪＪｂ￣，Ｎ投捞及分层流量测试。 （ＭＰａ） ｌ５ ２０ ０．０９９８ ０．１０３４ ０．３８２３ ０．４７７０ ０．７７０３ ０．８６８１ １．３５８０ １．５０３３ 柱伸长约为０．３８ｍ，即井下管柱的轴向变形量范围是 ０～０．１３ｍ。对隔层厚度小于２ｍ的分层注水管柱，均采 用磁定位校正管柱误差，实际应用中，磁定位本身测 量误差范围为－４－０．１ｍ。 大庆油田应用的桥式偏心配水器长度为０．９８ｍ，注水封 隔器长度为０．８～１．２ｍ。一般情况下，注水封隔器与桥式 偏心配水器之间均连接２ｍ以上油管。当投捞某层段配 综合考虑以上因素，注水管柱在注水状况下轴向 伸缩±０．１３ｍ，磁性定位误差４－０．１ｍ影响，封隔器胶筒 长度为０．１３ｍ。根据计算，理论上保证封隔器胶筒始终 处于未射孔隔层内的最小间距约为０．４６ｍ（图３）。但在 实际应用中，考虑到井下各种因素及定位对注水管柱 的影响，对于隔层厚度小于０．８ｍ的分层注水井，经常 会出现封隔器出卡现象。 水堵塞器时，不允许将测试投捞工具提到该配水器的上 一级偏心配水器位置，否则，会造成堵塞器投捞错误或 卡仪器事故。由于堵塞器投捞受仪器上提距离、下放速 度的影响，当两级配水器距离小于４ｍ时，给投捞测试 操作带来一定困难。而且，目前采用的测试方法一般是 将超声波流量计吊在油管位置上，通过逐层递减法进行 测试分层流量，由于流量计是在油管中标定，所以，需 要在两级偏心配水器间连接一定长度的标准油管，以保 证分层流量测试的精度和准确率（图４）。 油层 油层 油层 油层 球 管 图３封隔器胶筒在隔层内最小间距示意图 油层 １．４ 研究确定适应不同隔层厚度的注水封隔器 通过上述分析，对隔层厚度大于０．８ｍ的分层注水 井，可以采用水力压缩式注水封隔器。这种封隔器辅 助胶筒硫化一层金属保护伞，可以保证密封胶筒在井 下长期不失效。 图４常规偏心配水器投捞距离示意图 为此，大庆油田研制了“两小一防”细分注水管 柱（图５），即“小隔层、小卡距，防止测压时管柱上 对有效隔层厚度为０．２～０．６ｍ的分层井，采用水力 密闭式长胶筒封隔器。这种封隔器采用耐磨损的多层 帘线胶筒，即使胶筒覆盖到射孔井段也能保证密封效 窜”，对相邻两级配水器采用正反双导向工艺，将两级 偏心与一级封隔器连接在一起，可以使相邻两级偏心 配水器的间距缩短到１．８ｍ，但是，不能将多级偏心配 ２０１ ０年第４期・石油科技论坛２１ ２＿２＿１ 分注工具级数增多，洗井比较困难 洗井时从套管注水，当套管压力高于油管压力 ０．８～１．０ＭＰａ时，注水封隔器洗井活塞上行，洗井通 道打开，注入水从油套环形空间逐级通过注水封隔 器，再通过管柱底部筛管和挡球进入到油管中，将 井筒内的杂质携带到井１５。由于分注层数增多，注 入水通过多级封隔器和配水器时压力损失增大，洗 井活塞打不开的几率增加，特别是注水管柱下井时间 较长的井，如果有一级封隔器洗井活塞打不开，就无 法进行反洗井作业。 ２＿２＿２ 分注层数增多，洗井质量下降 球 管 目前应用的Ｙ３４１—１ １４ＭＴＬ免释放注水封隔器洗井 通道最大过流面积为１ １５０ｍｍ 。如果全井管柱配注７段， 每级配水器均配置８．０ｒａｍ水嘴，则水嘴累加过流面积为 图５“两小一防”细分注水管柱投捞示意图 水器连接使用。如果将薄差层从原来划分的层段中解 放出来，提高其吸水能力和储量动用程度，必须首先 解决投捞测试工艺对两个偏心配水器之间距离的限 ３５０ｍｍ 。当反洗井水量到达最下部挡球位置时，洗井水 量约为进口水量的６０％。此时，洗井水的携带能力减弱， 有时无法将井筒底部杂质带出，达不到洗井质量要求。 制，满足油田精细分层注水对注水工艺的需要。 因此，需要解决在工艺及工具设计上因分注层数增多带 来的洗井困难的问题，保证注入水质符合要求。 ２－２ 多级分层注水管柱的有效洗井 ２００９年，杏北开发区实施注水井洗井４５１９井次， 洗井前后吸水砂岩厚度和有效厚度吸水比例分别上升 ２．３ 多层分层注水管柱工具的解封 精细分层后，单井注水层段由４段增加到７段，封 了２．６个百分点和１．９个百分点，定期洗井使油层动用 程度明显提高，注水井洗井质量直接影响到分层测试 的成功率、合格率以及稳定周期。精细分层后，单井 注水层段由４个增加到７个以上，注水管柱封隔器和 隔器级数增多，二次作业时管柱解封力增大，现有的 作业设备不能满足需要。杏北开发区采用的Ｙ３４ １— １ １ ４ＭＴＬ免释放注水封隔器，为保证长期密封效果，每 级封隔器有４个 ．０ｍｍ解封销钉，单级封隔器解封拉 力需要达到６．８ｔ。３～５级封隔器组成的注水管柱，全 井管柱上提解封拉力需要２００—３００ｋＮ，一般普通车载 配水器级数增多给管柱彻底洗井带来困难（图６）。 作业井架可以完成施工。封隔器级数增加到７级以上 油层 时，全井管柱上提解封拉力需要４００～５００ｋＮ，普通车 载作业井架无法完成，需要动用拔管机等设备，增加 了作业工作量。根据２００８年杏北开发区封隔器级数和 油层 拔管机拔封负荷绘制了散点图（图７），统计了５５口拔 出井，平均级数为５．１级，平均拔封负荷达４２３ｋＮ，即 ５５０ 油层 ● 至４５０ 握３５Ｏ ２５０ ０ ２ ．｜ ． ．Ｊ ’ 油层 ｆ■竺 ＝ ： ． ４ ６ ８ １０ 级数 图６ 细分注水管柱反洗井流程示意图 图７拔管机拔出的管柱工具级数与负荷散点图 ２２石油科技论坛・２０１０年第４期 徐国民等：特高含水期精细分层注水需要解决的问题 工具级数越多，所需要拔封的负荷越大。因此，需要 改进注水工艺管柱设计和注水封隔器结构设计，满足 量测试、地面回放、投捞水嘴等程序，平均单井测试 调配时间需要４天，因此，要满足精细分层后测试调 作业调整时的工作条件要求。 配需求，仅杏北开发区就需要成立１３１个测试班组。 二是常规流量计测试精度较低，由于层间干扰对 递减法测试影响较大，导致测试资料合格率较低，复 检合格率在８０％左右。 ２．４ 改进和研究精细分层配水配套工具 ２．４．１ 改进“两小一防”细分注水管柱 “两小一防”细分注水管柱的偏心配水器采用正 反导向技术，解决了２—４ｍ的投捞测试问题，但与现 有测试技术不配套，因此需要进行改进，通常可采取 两种方法：一是将“两小一防”偏心配水器增加桥式 三是测试周期较长，注水合格率下降较快，连续 跟踪５４口井、３２７个层段分层测试资料，注水合格率 由初期的８４．８％，６个月后下降到４５．１％，下降了３９．７个 百分点。 为此，油田开展了注水井高效测调联动技术研究。 通道，满足联动测试的需要；二是将封隔器中心管内 径扩大到￣６２ｍｍ，满足常规超声波流量计测试需要。 ２．４．２ 研究可逐级解封的分层注水管柱 ３．２ 注水井高效测调联动技术及其优势 ３＿２＿１ 系统组成及技术原理 注水井高效测调联动技术由四个系统组成，即： 针对多级分层注水管柱重配时解封困难的问题， 一般有两种解决途径：一是设计分段解封伸缩补偿器， 对封隔器级数大于７级的分层注水井，将全井管柱分 为２段，利用伸缩补偿器进行分段解封；二是研究可 分级解封注水封隔器，通过自上而下逐级剪断封隔器 解封销钉的设计，解决多级封隔器解封困难的问题。 ２。４．３ 研究注水井高效洗井技术 地面控制及信号传输系统、井下测调系统、井下分层 配水管柱和地面辅助系统。 其技术原理为：分层测试时，将测调仪与井下可 调堵塞器对接，地面系统中输出控制指令，井下测调 仪机械臂带动可调堵塞器内动水嘴旋转，通过改变可 由于受洗井设备有限、环保外排等因素影响，大 部分注水井洗井时水量达不到要求，另外由于管内壁 的水垢等杂质不易清洗掉，也影响分层注水质量和测 调效率。为此，开展高效洗井技术研究，设计叶片可 收放型油管除垢器，利用“流体力学中的空穴效应”原 理，洗井前将其投入到井下管柱中，洗井时用干线水 调水嘴的过流面积调整层段注入量；同时，测调仪对 通过水嘴的流量、压力等信号进行实时采集，并将这 些信号上传到地面控制系统中，通过数字和曲线的形 式直观显示出来；系统自动与输入参数对比调整，直 到满足方案要求。 联动测试仪一次下井即可连续完成多层段的流量 测试、流量调整和压力读取等，实现了注水井分层测 试“流量实时监测，压力同步读取，水嘴连续可调”的 推动解锁机构，使叶片打开上行，将油管中水垢、死 油等杂质彻底清洗干净，实现较少洗井水量即可满足 洗井要求。 目标，达到了提高测试效率、缩短测调时间、提高资 料准确率的目的。测调联动工艺原理流程见图８。 ３＿２．２ 与常规技术比较 ３ 完善注水井高效测调工艺技术 ３．１ 常规测试工艺存在问题 随着油田分注率不断提高，单井分注层数不断增 多，注水井分层测试和调整工作量也不断增大。大庆油 田杏北开发区２００９年完成测试任务５５２４井次。实施精 注水井高效测调联动技术，测试时不需要更换水 嘴，而且地面直读，边测边调，减少了仪器反复起下时 间，提高了测调效率。平均单井测调时间在２天以内，与 常规测试技术相比，提高工作效率一倍以上（表３）。 注水井高效测调联动技术，经过几年的攻关完 善，目前已在大庆油田规模推广应用。截至２００９年底， 杏北开发区累计组建１９个高效测调联动班组，当年完 细分层要求分注率从８０％提高到９０％以上，单井分注层 段由４．３个增加到７个以上，单井测试周期由６个月缩短 为４个月，年注水井分层测试工作量达到７８６３井次。 目前，常规注水井分层测试存在以下不适应： 一成联动测试１３４７井次，累计完成工作量２８９１井次，占 分层测试工作量的约４０％。 是分层测试调配效率低，由于需要反复进行水 ２０１ ０年第４期・石油科技论坛２３ 天滑轮 测试仪器、机械臂、调节头的定期清洗标准， 仪器维修维护标准，电缆使用保养标准等， 都需要制定详细的量化标准。 ３．３．２ 发展高效测调技术 发展高效测调技术需做到以下几点： 一是研制双流量计井下测调仪，使该 项技术适用范围更广，不仅适用于桥式偏心 配水管柱，也适用于非桥式偏心配水管柱。 二是研制侧出水结构的恒流可调堵塞 器，使压力在一定范围内波动时不影响水 量，保证恒流注水。 三是增加当量水嘴指示功能，在测调仪 图８测调联动工艺原理流程图 处增加水嘴指示传感器，实现水嘴调节过程 中实时显示水嘴大小。 表３常规测试工艺与高效测调工艺对比表 比较 项目 测试方法 单井测试 投捞次数 常规测调工艺 递减法测试 数次起下 （４．５层） 多次 高效测调工艺 双卡单层测试 ４结论和认识 大庆油田进入特高含水后期，为控制含水上升速 测调顺序 自下而上逐级测试 任意次序单层测试 不 １次 不更换 度，提高油田水驱开发效果，制定了细分层段注水合 理分级的“７７８３８”精细分层注水开发标准。实施精细 分层后，由于油层纵向上分注层数增加，导致注水隔 层厚度变薄，相邻配水器间的测试投捞距离缩短；同 时，由于封隔器、配水器级数的增加，使管柱洗井和 解封更加困难。为此，对注水工艺提出了“２２９４”工 作目标：即隔层厚度＞０．２ｍ可以实现有效分层注水； 同 水嘴更换次数 点 数据采集及 处理 测试资料 相同点 投捞方式 井下存储， 地面回放 测试成果表， 测试卡片 钢幺幺投捞 地面直读， 边测边调 测试成果表，测试 卡片，吸水指示曲线 钢丝投捞。电缆测试 管柱类型 所有偏心配水管柱 桥式偏心配水管柱 ３．３ 完善注水井高效测调联动工艺技术 ３．３．１ 制定技术标准 两级偏心配水器间距≥２ｍ可以实现投捞测试；单井分 注层段达到９级时保证管柱有效密封，要求注水管柱 重配时平均解封力小于４００ｋＮ。目前，已经开展了最 小有效隔层厚度标准和管柱精确定位的理论研究和试 高效测调技术主体技术已趋于成熟，存在的问题 主要是车辆、仪器设计和加工中缺乏统一的质量标 准，因此，欲规模化推广应用，关键是必须实现技术 的标准化。通过制定统一的、量化的、可操作的各项 标准，以发挥技术的真正优势。 一验，注水井高效洗井技术研究，分层注水管柱的逐级 解封技术研究以及完善注水井高效测调工艺技术研究 等。通过以上工艺技术的研究和完善，可以满足高含 是改装车和仪器加工及检验标准。改装车滚筒 水后期精细分层对注水工艺的需求。 的加工和装配，滚筒切换和档位控制，计数器和张力 计的标定，测调仪及堵塞器的加工等，都要制定详细 的质量检验标准并提供检测手段。 【参考文献】 ［１１王玉普，等．大庆油田高含水期注采工艺技术［Ｍ】．北 京：石油工业出版社，２００１． 二是仪器设备操作标准。完善操作规程，量化测试过 程操作标准，制定测调仪器连接标准，资料录取步骤及标 准，达到方便操作、易于掌握、安全可靠、资料真实的要求。 三是设备维修保养标准。改装车设备的保养标准， 【２］孙爱军，等．注水管柱的受力分析及理论计算Ｕ］．钻采 工艺，２００３，（３）． （收稿日期：２０１０—０７—２３改回Ｅｌ期：２０１０—０８～１０） ｏ ２４石油科技论坛・２０１ ０年第４期