2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室;
3. 中石油长庆油田分公司第五采油厂
2. National Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development;
3. No.5 Oil Production Plant, Changqing Oilfield Company, CNPC
0 引言
水平井开发是动用致密油藏的有效手段，采用定向井注水或自然能量开发面临体积压裂后缝网复杂、注水点集中、开发易见水、井间干扰严重及注采矛盾加剧等诸多问题，严重影响产量和最终采收率。2014年以来，长庆油田采用“笼统注水+关井憋压+采油”方式开展了水平井吞吐先导性试验，并取得了一定效果。但笼统注水吸水剖面显示吸水严重不均、剖面矛盾突出。为了进一步提高注水效率和波及体积，需要进行水平井多段分注，以解决吸水不均难题，最终提高水平井吞吐开发效果。
水平井分段注水工艺技术在胜利、吉林和大港等油田均有所应用。胜利油田研发了3段集成注水管柱，集成配水封隔器和局部双管注水结构设计，采用连续管进行测试，实现高效测调；吉林油田研发了水平井井下分注工艺管柱，采用连续管实现水嘴更换和测试调配工艺；大港油田采用压力控制开关分注器实现2段分注。
水平井分段注水技术仍处于探索阶段[1-5]，存在水平段封隔器密封性能有待提高，配套测试调配工艺成本还需控制以及后期起管柱遇阻风险需降低等问题。因此采用水平井智能配水器，形成水平井智能分段注水工艺技术。该技术可实现水平井分段流量自动测调及生产参数实时录取与存储，对安83致密油开发具有重要意义。
1 水平井智能分段注水工艺 1.1 工艺原理[6-8]该工艺采用水平井智能配水器，下井前在地面设置配水器注水程序，实现井下自动测调、动态参数实时录取和存储，焖井结束、起出管柱后读取配水器存储的数据。其技术优势包括：井下分层流量自动测调，后期无需测调，生产数据(流量、温度和压力)实时存储，兼有地层压降测试功能以及施工工序简单和综合成本低等特点。
1.2 管柱结构管柱组合自下而上依次为：水平井底阀+水平井智能配水器+水平井扶正器+水平井封隔器+水平井智能配水器+安全接头+CQFFO3防腐油管至井口，如图 1所示。
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| 图 1 水平井智能分段注水工艺管柱图 Fig.1 Horizontal well intelligent separate section water injection string |
2 关键工具 2.1 水平井智能配水器 2.1.1 结构
水平井智能配水器主要由电池组及管理模块、无线通信模块、主控制模块、参数监测模块和流量调控模块等部分组成，如图 2所示。
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| 图 2 水平井智能配水器结构组成图 Fig.2 Structural schematic of horizontal well intelligent water distributor 1—无线通信模块；2—电池组及管理模块；3—主控制模块；4—流量调控模块；5—参数监测模块。 |
(1) 电池组及管理模块：为智能配水器的传感器和控制电路提供电能，同时采用分时控制策略实现低功耗电池组管理，以延长电池组使用寿命。
(2) 无线通信模块：智能配水器与地面控制仪间采用无线通信方式实现参数设置和数据传输，避免在施工现场拆卸智能配水器。根据生产需求，在下井前利用地面控制仪设置智能配水器的工作参数，在起出智能配水器后，利用地面控制仪读取所存储的压力、温度及流量等井下参数。
(3) 主控制模块：由STM32单片机为核心构建的主控制模块主要用于实现参数测量与存储、流量调控和关井憋压等功能的时序控制。
(4) 参数监测模块：主要包括压力传感器、温度传感器、涡街流量计及其相关的信号处理与采集电路，其中涡街流量计采用小尺寸设计，置于智能配水器的偏心流道上，可直接测量单段注水量。
(5) 流量调控模块：由微型直流减速电机与控制驱动电路、传动轴系、可调陶瓷水嘴组成的流量调控模块可以根据实际注水量与目标配注量的误差，自动调节陶瓷水嘴的开度大小，实现单段注水量的精确调节。
2.1.2 工作原理水平井智能配水器下井前，在地面通过控制系统设置分段配注量、测调周期和采样间隔等参数，下井后配水器内的涡街流量计对分段注水量进行精确监测。当自动测调周期时间到达时，控制芯片将预测分层配注量与实际测得的流量数据比较，若实际流量误差超过允许误差限度，则控制电机驱动螺杆运动，带动调节阀阀芯移动，调整阀芯与阀体间过流面积，实现注入量的连续调节，在免施工的情况下实现了水平井分段流量的实时监测与调节。
2.1.3 技术参数外径110 mm，内通径40 mm，长度1 330 mm，承压60 MPa，耐温120 ℃。
2.2 小型化涡街流量计 2.2.1 结构为满足井下配水器安装空间要求，涡街流量计主体采用扇形结构设计，置于配水器腔体内部。
2.2.2 工作原理涡街流量计主体主要由核心部件漩涡发生体及感应探头组成，测量过程中被测介质流经漩涡发生体时分离释放出2排有规则的漩涡，漩涡脱离频率与平均流速成正比，通过感应探头内部压电晶体进行振动检测，将漩涡脱离频率转换为电信号反馈至流量计控制系统，进而推算出当前被测介质的流量值，如图 3所示。
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| 图 3 涡街流量计原理示意图 Fig.3 Schematic diagram of vortex flowmeter |
2.2.3 技术参数
主体长度60 mm，流道通径15 mm，承压60 MPa，耐温120 ℃，测试范围3~200 m3/d，测试精度±1%。
2.3 井下供电系统图 4为井下供电系统放电特性、容量与电流曲线。
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| 图 4 井下供电系统放电特性、容量与电流曲线 Fig.4 Discharge characteristics, capacity and current curves |
井下供电系统采用3节电池串联为1组、2组电池并联，由此构成一个电压10.8 V、标称容量7.2 Ah的电池组为控制系统供电，实际可用总容量约为4.3 Ah(考虑最大30 mA持续放电及温度影响，实际容量按标称容量的60%计算)，因此足以满足电控系统3个月总耗电需求(如表 1所示)。
| 电控系统 | 3个月总工作时间/h | 3个月总用电量/Ah | 电池组供电电量/Ah |
| 电机驱动系统 | 3.3 | 0.231 | 4.2 |
| 控制系统工作状态 | 54.0 | 2.700 | 4.3 |
| 控制系统待机状态 | 2 102.7 | 0.084 | 4.3 |
2.4 流量调节阀
水平井智能配水器流量调节阀(见图 5)为锥阀结构形式，阀芯与阀体间采用锥面配合密封，开启及关闭过程中阀芯做往复直线运动，与阀体间无相对转动，最大限度避免了因井下工况恶劣导致的砂卡和堵塞等现象的发生，提高了调节可靠性，延长了配水器的使用寿命。
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| 图 5 流量调节阀结构示意图 Fig.5 Structural schematic of flow control valve |
3 室内试验 3.1 智能配水器压力试验 3.1.1 静密封试验
水平井智能配水器装配完成后放入缸体内进行加压试验，压力从0逐渐增加到60 MPa，并分别在压力升高到10、20、30、40、50和60 MPa时，维持一段时间，观察压力表变化。试验结果表明：水平井智能配水器在60 MPa的压力下静密封效果良好，满足井下高压环境下的密封要求。
3.1.2 动密封试验水平井智能配水器装配完成后进行动密封试验，压力分别升高到15、30和45 MPa时，对可调水嘴进行开、闭动作2次，观察其运作状态。试验结果表明：水平井智能配水器在45 MPa的压力下可调水嘴能够正常动作，密封性能、封堵效果及整个系统的工作性能良好，满足设计要求。
3.2 流量计标定试验调节变频获取各流量值，以标准流量计作为参照进行涡街流量计标定，标定完成后进行流量计重复性测试。拟合标定曲线及重复测试曲线，2次测试曲线线性度良好，重复性满足使用需求。试验标定数据如表 2所示。
| 频率/Hz | 标准流量/(m3·d-1) | 实测流量/(m3·d-1) | 误差/% |
| 79 | 14.88 | 14.77 | 0.72 |
| 97 | 17.83 | 17.83 | 0.02 |
| 110 | 19.92 | 20.03 | 0.57 |
| 124 | 22.32 | 22.41 | 0.40 |
| 175 | 31.20 | 31.06 | 0.44 |
| 223 | 39.04 | 39.21 | 0.43 |
| 268 | 47.04 | 46.85 | 0.41 |
| 316 | 54.96 | 54.99 | 0.06 |
| 363 | 62.88 | 62.97 | 0.14 |
| 407 | 70.56 | 70.43 | 0.18 |
| 451 | 78.24 | 77.90 | 0.43 |
4 现场试验
安平83井于2015年11月30日完井，2016年1月16日起钻。项目组在该井成功开展了2段智能分注试验，试验中累计注水47 d，配注量120 m3/d。图 6为该井智能分段注水管柱图。
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| 图 6 安平83井智能分段注水管柱图 Fig.6 The intelligent separate section water injection string for Well Anping 83 |
起出工具后对井下集成流量计、压力和温度传感器进行检测，仪器各项性能指标正常。压力检测结果显示：上、下段地层压力差为1.1~2.3 MPa，证明封隔器密封性能良好。流量数据分析显示，现场注水制度不规律，影响井下自动测调功能。同时，监测上、下段流量之和比实际注水量少20 m3/d，判断受井筒出砂影响，球座存在漏失。
安平83井累计注水54 d，注水量7 552 m3，累积产液3 312 m3，目前仍在生产。
5 结论与认识(1) 长庆油田致密油地层压力低、单井产量递减快，笼统注水导致吸水剖面矛盾突出，有必要开展致密油水平井分段注水攻关研究，进一步提高致密油吞吐效果。
(2) 基于安83致密油油藏开发需求，成功开展了水平井智能分段注水现场试验，实现了分层流量自动测调与生产参数实时存储，施工工序简单、综合成本低，初步达到了预期要求。
(3) 国内水平井分段注水目前仍处于摸索阶段，在长庆油田尚属首次实施，相关工艺、配套工具和施工方案等还需针对地质要求进一步完善。
| [1] | 张玉荣, 闫建文, 杨海英, 等. 国内分层注水技术新进展及发展趋势[J]. 石油钻采工艺, 2011, 33(2): 102–107. |
| [2] | 沈泽俊, 张卫平, 钱杰, 等. 智能完井技术与装备的研究和现场试验[J]. 石油机械, 2012, 40(10): 67–70. |
| [3] | 丁晓芳, 范春宇, 刘海涛, 等. 集成细分注水管柱研究与应用[J]. 石油机械, 2009, 37(3): 61–63. |
| [4] | 李香玲, 赵振尧, 刘明涛, 等. 水平井注水技术综述[J]. 特种油气藏, 2008, 15(1): 1–5. |
| [5] | 凌宗发, 王丽娟, 李军诗, 等. 水平井注水技术研究及应用进展[J]. 石油钻采工艺, 2008, 30(1): 83–85. |
| [6] | 孙洪礼. 轨道式空心配水器的改进与应用[J]. 内蒙古石油化工, 2007(6): 49. |
| [7] | 张一羽, 孙金锋, 辛林涛, 等. 水平井浅测分段注水管柱的研制与应用[J]. 石油机械, 2013, 41(6): 94–96. |
| [8] | 赵贵金, 毕愿涛, 王超, 等. 水平井井下分注工艺管柱的研制及应用[J]. 石油机械, 2011, 39(8): 53–56. |