分层注水井测调一体化新技术
刘红兰     
中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院, 山东东营 257000
摘要: 针对分层注水井测调一体化技术存在的水嘴漂移、测调累计误差较大和小夹层注水井难以定位等问题,在室内试验及数值分析的基础上,对可调配水器和一体化测调仪器进行了结构优化,研制了防自转可调配水器、双流量计一体化测调仪和电磁精确计深装置,形成了测调一体化新技术。室内试验表明,测试流量大于20.0 m3/d、井斜角大于30°时,改进后的带有支撑机构的双流量计一体化测调仪计量稳定,误差基本控制在2.5%以内。该技术在胜利油田6口分层注水井进行了现场应用,测调成功率100%,层段合格率达到90.1%,单井测调时间平均缩短25%以上。研究认为,测调一体化新技术不仅提高了胜利油田注水开发效果,也可以满足其他水驱开发油田精细分层注水的要求。
关键词: 注水井     测调一体化     分层注水     现场应用     胜利油田    
A New Integrated Measuring and Adjusting Technology of Separate Layer Water Injection Well
LIU Honglan     
Petroleum Engineering Technology Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Company, Dongying, Shandong, 257000, China
Abstract: There can be problems in the application of conventional measuring and adjusting integrated technologies.The challenges include the nozzle drift, large cumulative errors in test and regulation, difficulties in locating the injection wells in thin interlayers, etc.The structure of adjustable water distributor and integrated measuring and adjusting instrument have been optimized on the basis of laboratory tests and numerical analysis.As a result, the team developed an anti-rotation adjustable water distributor, double-flow meters integrated measuring and adjusting instrument and accurate electromagnetic depth measuring device, by which a new integrated measuring and adjusting technology was created.Laboratory tests showed that the integrated double-flow measuring and adjusting instrument with a supporting mechanism had a stable measuring performance after improvement when the testing flow rate was over 20.0 m3/d and the well inclination was larger than 30°.That procedure kept the errors within 2.5%.This technology has been applied in six layered injection wells in Shengli oilfield, with the success rate of measurement and adjustment up to 100%.Further, the qualification rate of layers reached 90.1%, and it was possible to reduce the average testing time for a single well by more than 25%.The study results indicated that the new integrated measuring and adjusting technology may not only improve the layered water injection effects in Shengli oilfield, but also help meet the requirement of accurate layered water injection in other water-flooding oilfields.
Key words: water injection well     measuring-adjusting integrated technology     separate layer water injection     field application     Shengli Oilfield    

目前,国内大多数油田主要采用注水开发方式。分层注水是解决水驱油藏层间矛盾的重要方式,精确调配各层注水量是提高水驱效果的有效手段[1-4]。国外主要采用多管进行分层注水,在井口进行调配,因此没有配套的注水井井下流量调配技术。国内相对成熟的测调一体化分层注水技术主要有桥式偏心测调注水技术和空心测调一体化注水技术[5-9]。分层注水调配技术主要经历了3个阶段:第1阶段是2~3段固定式水嘴分层注水;第2阶段是钢丝投捞活动水嘴分层注水,可以实现3~5段分层注水;第3阶段是还在不断完善的在线一体化智能测调技术,胜利油田已实现了7段分层注水。

采用空心测调一体化技术可以一次下井完成测试和调整配注量的工作,同时地面上可以实时显示测调数据。与常规投捞式测调技术相比,调配时间缩短2/3以上,测调精度大幅提高,且级数不受限制[10-12],因此成为胜利油田分层注水的主要技术,“十二五”期间推广应用1 988口井,分注率较“十一五”期间提高8.5%,层段合格率提高6.0%。但是,随着测调一体化技术的推广和测调工作量增多,现场应用中出现水嘴漂移、测调累计误差较大及小夹层注水井难以定位等问题,制约了测调技术的进一步发展。

针对以上问题,笔者研制了防自转可调配水器、双流量计空心一体化测调仪和电磁精确计深装置,形成了分层注水井测调一体化新技术,现场应用取得了较好的效果,满足了安全长效测调要求。

1 空心测调一体化技术存在的问题 1.1 配注量无法满足地质要求

空心测调一体化技术应用的同心可调配水器主要包括定位导管、固定出水阀和调节芯子(见图 1)。需要调整配注量时,只需下入专用的井下测调仪,根据实时传输上来的测试数据,通过地面控制设备操作井下测调仪的动作,控制调节芯子与固定出水阀的相对转动,打开、关闭或调节出水阀水嘴开度,实现注水层位的定量配注。

图 1 可调配水器 Fig.1 Adjustable water distributor 1.定位导管;2.固定出水阀;3.调节芯子

在实际注水过程中,正注、反洗、酸洗和停注时注水工况发生变化,配水器调节芯子周围的压力发生波动,引起调节芯子发生相对转动,导致配水器注水量不断减小,最终达不到地质要求的配注量。据统计,因为进行调配和检修导致注水量下降的注水井占检修、调配注水井总数的59%以上[13-14]。如胜利油田CB25GC-8井分4段注水,地质配注190 m3/d,井口压力5.6 MPa,2016年10月投注,初期实际注水量192 m3/d,满足地质配注要求;2016年12月按照洗井操作规程对其进行反洗井作业后,再次注水,注水压力5.7 MPa,注水量降至175 m3/d,分析认为调节芯子转动是导致注水量下降的主要因素。

1.2 测调累计误差较大,测调精度低

目前的空心一体化测调仪测调上层流量时,无法监测下层流量,受压力波动影响,调配上层流量时,调配后下层流量也发生变化,导致采用递减方法计算每层流量时的累计误差大,影响了测调精度。

同时,现场操作中为提高测调精度,确保每一层注水量在地质要求配注范围之内,必须调完一遍后,再对上、下层进行复测复调,需要多次上下移动测调仪,反复次数较多,每层测调一次通常耗时0.5 h以上,增加了测调工作量。如胜利油田CB22H-6井分Ng1+24层、Ng1+25+6层和Ng51层注水,其中Ng1+24层与Ng51层存在压差,现场从下至上进行完整测试后,测调仪再次下放至第3层Ng51复测,已达不到配注要求,需要重新调配。现场进行了3次复测复调后,每层注水量才达到地质配注要求。

1.3 测调定位不准,影响了测调成功率

配水器上的定位台阶只能单向限位,不能判断测调仪器反向移动时何时离开配水器;受电缆弹性变形影响,无法准确确定测调仪与配水器的距离,测试误差较大,特别是当相邻层位距离较小时,测调仪容易停留在错误位置上,对其他层位进行调节和测试。因此,只能在层间距20.00 m以上的注水井实施分层注水,难以满足小层段精细注水需要。如胜利油田ST20X176井仅7砂组就有9个小韵律层,层间间距小,最小薄夹层为1.00 m,现场测调时配水器定位困难,难以实现精细分层注水。

2 注水井测调一体化技术优化

在对可调配水器、一体化测调仪进行室内试验和数值分析的基础上,对可调配水器调节芯子的结构进行了优化,消除了压差产生的水嘴漂移;测调仪设计集成了上、下2种流量计,下井后同步监测及回传上下层流量,实现所测层流量实时准确测量。同时,为测调仪设计了配套的电控支撑机构,实现了测调仪居中测试,测试结果更加精确;每个可调配水器上安装一组永磁铁,同时在一体化测调仪上安装磁性检测组件,实现精确定位。通过以上优化研究,形成了以防自转的可调配水器、双流量计空心一体化测调仪及电磁精确计深装置为主的测调一体化新技术。

2.1 防自转可调配水器的研制

现有的可调配水器调节芯子采用的是凸台结构设计,其上的密封体和固定芯子接触实现密封,在实际注水过程中或者注水工况发生变化时,受压力波动影响,调节芯子密封面出水口一侧会瞬间形成低压区(见图 2),调节芯子会自动沿着关闭水嘴的方向漂移,导致注水量不断减小。

图 2 固定出水阀与调节芯子压力示意 Fig.2 Diagram of pressure between the fixed outlet valve and regulating core
2.1.1 结构优化

室内试验表明,流量较低时,水嘴密封体两侧压差缓慢增大,但是流量大于20 m3/d,密封体两侧压差增大速度较快,调节芯子会发生漂移。在注水量为40 m3/d条件下,对不同开度的水嘴进行室内测试,结果表明在水嘴初始开启瞬间,密封体两侧压差迅速增大,调节芯子更容易发生漂移。

上述分析表明,造成水嘴漂移的主要原因是调节芯子与固定出水阀之间的摩擦力小于密封体两侧压差产生的推力。因此,在设计配水器结构时,将凸台调节芯子改为平面调节芯子(见图 3),密封体与固定出水阀间的平面局部接触变为平面与平面的金属面接触,既避免了出现低压区,又增加了两者之间的摩擦力,增大了调节芯子自动旋转的旋转扭矩,进一步降低了调节芯子自动旋转的可能性。

图 3 改进前后的调节芯子 Fig.3 Regulating core before and after improvement
2.1.2 扭矩及密封试验

针对改进后调节芯子由于接触面积增大,导致摩擦力增大,有可能造成测调仪调节能力无法满足调节水嘴需要的问题,进行了室内扭矩试验。试验结果表明:在注水压力最大(30 MPa)的情况下,最大调节扭矩在100 N·m以内,远小于测调仪器调节能力(最大扭矩350 N·m)。同时,试验结果表明,调节芯子结构改进后由于不会出现高压区和低压区,消除了水嘴由于压力差造成的漂移。

由于同心可调配水器密封方式改为平面与平面之间的金属面密封,为保证面与面之间完全密封,将新型配水器底部接丝堵,上接电动加压泵,进行密封试验,加压至30 MPa,稳压15 min,压降0.2 MPa,密封连接处和水嘴都无渗漏,表明调节芯子能够满足井下注水的密封要求。

2.2 双流量计空心一体化测调仪

目前的空心一体化测调仪只能测试调配层位以上的流量,不能测调调配层位以下的流量,导致调上层流量时无法监测下层流量,必须调完上层,再测调下层,反复调测次数比较多,增加了工作量,为此设计了双流量计空心一体化测调仪。

2.2.1 结构组成

双流量计空心一体化测调仪由系统控制装置、压力温度探头、上流量探头、磁定位装置、定位电机及行程控制装置、轴向电动定位滚轮、径向定位滚轮、调配电机及扭矩增大装置、无线信号发射装置、供电装置和下流量探头等组成(见图 4)。其中,下流量探头通过无线信号发射装置与无线信号接收装置实现无线连接。

图 4 双流量计空心一体化测调仪结构 Fig.4 Structure of measuring and adjusting instrument with double flow meters 1.马龙头;2.系统控制装置及无线信号接收装置;3.压力温度探头;4.上流量探头;5.磁定位装置;6.定位电机及行程控制装置;7.轴向电动定位滚轮;8.径向定位滚轮;9.调配电机及扭矩增大装置;10.调配机械手;11.无线信号发射装置及供电装置;12.下流量探头
2.2.2 工作原理

双流量计空心一体化测调仪下至可调配水器上方时,地面控制箱发出信号,控制轴向电动定位滚轮伸出,在可调配水器位置进行轴向定位;控制径向定位滚轮和调配机械手在可调配水器上对应的定位槽内进行径向定位和调配定位;定位结束后,调配机械手在调配电机的驱动下旋转可调配水器,通过调整水嘴的开度控制注水量。此时,上流量探头和压力、温度探头测试可调配水器上方的流量、压力和温度,下流量探头测试可调配水器下方的流量、压力和温度,测量数据由无线信号发射装置发射至无线信号接收装置,经过系统控制装置上传至地面,得到该测试层的流量、温度和压力数据。

2.3 电控支撑机构

测调一体化仪器在井下进行分层流量测试时,由于受井斜和油管内壁结垢影响,测调仪器难以居中,影响测试结果,因此为双流量计空心一体化测调仪研制了与之配套的电控支撑机构,以实现居中测试。

2.3.1 结构组成

电控支撑机构由小直径直流电机、四级行量齿轮减速器、螺杆、滑动螺套、推力轴承、行程控制开关、扭力增换装置、扭力输出轴、支撑臂、滚轮销和支撑臂固定架等组成(见图 5)。

图 5 电控支撑机构基本结构 Fig.5 Structure of electrically controlled support mechanism 1.支撑臂;2.轴套;3.传动螺杆;4.行程控制开关;5.推力轴承;6.滑动螺套;7.传导丝杠;8.四级行量齿轮减速器;9.小直径直流电机
2.3.2 工作原理

通过地面数控面板发出指令给机械手电机供电(可正反向供电),正向供电则电机正转,反向供电则电机反转。正转时,小直径直流电机带动四级行量齿轮减速器正转,实现支撑臂张开;反之,电机反转,实现支撑臂收臂。

电控支撑机构与常规测调仪器支撑机构的不同之处在于它具有电动控制的支撑爪,能够主动实现收爪和放爪,与传统靠重力收放爪的方式相比更加可靠。

通过电控支撑机构,结合高精度的双流量计实现了仪器在居中状态下的单层流量数据直读,累计误差较小。居中测试可以确保分层流量测试不受井斜和油管内壁结垢影响,流量测量精度更高。

2.4 电磁精确计深装置 2.4.1 技术原理

该装置是在井下的每个可调配水器上安装一组永磁铁,同时在一体化测调仪器上安装磁性检测组件,每个配水器上永磁铁的数量或排列方式不同,永磁铁的数量或排列方式不同代表配水器也不同。当测调仪器进入永磁铁的信号范围时,通过测调仪器上的磁性检测组件将信号反馈至地面,地面操作人员根据不同的反馈信号准确获知测调仪和某一配水器在井下的准确位置[15]。同时,通过地面控制柜控制测调仪器的定位滚轮,进行机械定位,实现了机械定位与磁定位检测的有机结合。

2.4.2 技术特点

该装置结构简单、成本低、操作方便,同时具有定位准确、误差较小的特点。可以将测调仪器准确定位在所需测调的配水器位置,避免出现误测调操作,大幅度提高了井下配水器的测调效率。此外,可以将现有层间距定位能力由20.00 m以上缩短至5.00 m左右,提高了油田精细分层注水的准确性,改善了小夹层油藏的注水驱油效果。

3 室内试验

将单流量计测调仪和双流量计测调仪分别下到注水管柱中,调整油管的倾斜角度,模拟不同井斜角的注水井,记录各个采样点的井下测试数据,并与地面标定的流量对比,计算各个标定流量下的测试误差,结果如表 1所示。

表 1 改进前后测调仪在不同井斜角下的测量误差 Table 1 Measurement errors of measuring and adjusting instrument under different deviation angles before and after improvement
流量/
(m3·d-1)
测调仪 不同井斜角下的测量误差,%
15° 30° 45° 50° 60°
5 单流量 3.9 3.8 4.1 4.3 4.4 4.6
双流量 3.7 3.7 3.7 4.0 4.1 4.2
10 单流量 3.4 3.5 3.3 4.1 4.2 4.6
双流量 3.5 3.3 3.8 3.6 4.1 4.1
20 单流量 3.3 3.5 3.6 4.0 4.1 4.5
双流量 2.9 2.7 3.1 2.9 2.6 3.1
50 单流量 2.5 2.7 3.6 3.6 3.5 3.9
双流量 2.4 2.3 2.3 2.4 2.3 2.4
80 单流量 2.4 2.3 2.5 3.8 3.9 3.5
双流量 2.2 2.3 2.3 2.2 2.3 2.1
100 单流量 3.9 2.0 2.9 3.5 3.8 3.1
双流量 2.1 1.8 2.0 1.9 2.1 2.3
  注:采用上下流量计的测试流量平均值计算双流量计测调仪的误差;2种测调仪的系统误差均为2%。

表 1可以看出:1)带有支撑机构的双流量计测调仪的测试误差均小于单流量计测调仪测试的误差,而且测试误差多不大于3.5%;2)测试流量为5~20 m3/d时,无论井斜角多大,2种测调仪都存在一定的测试误差,且测试误差多大于3.5%,说明现有流量计对小流量的适应性较差[16-17],改进结构对提高测调精度意义不大,提高小流量注水井测调精度的重点在于小流量计的优化选择;3)测试流量大于20 m3/d时,单流量计测调仪受井斜影响较大,尤其是井斜角大于30°时,测试误差较大,而带有支撑机构的双流量计测调仪计量稳定,误差基本不大于2.5%,表明居中测试能够提高测试精度,在井斜角较大时效果更加明显。

4 现场应用

分层注水井测调一体化新技术在胜利油田6口分层注水井进行了现场应用,井斜角最大56.2°,井深最大3 538.00 m,层段最多为3层,测调成功率100.0%,层段合格率达到90.1%,测试时间平均缩短25%以上(见表 2)。下面以埕岛油田CB12D-1井为例介绍现场应用情况。

表 2 分层注水井基本情况及技术应用情况 Table 2 Basic conditions of wells with separate water injection and technical application
井号 层段数 注水压力/MPa 注入量/(m3·d-1) 测调缩短时间/h
配注 实际
ST3-4-103 3层 12.10 250 258.0 1.5
DFCH272-13 2层 33.50 35 31.0 1.0
CB12D-1 2层 7.00 95 92.0 1.6
CB11NA-5 3段 3.96 155 156.0 1.8
CB6FA-11 3段 1.70 205 204.0 1.5
CB1HB-6 2段 7.00 240 237.5 1.2
  注:①该井注水压力为酸化后的注水压力。

埕岛油田CB12D-1井的井斜角达56.2°,是目前井斜角最大的一口测调一体化注水井,注水方式为1级2段,采用一体化测调管柱分层注水。该井分2层,总配注量95 m3,其中上层为Ng323536层(1 572.10~1 637.40 m),配注量75.0 m3;下层为Ng4452层(1 640.00~1 686.30 m),配注量20.0 m3。该井Ng323536层与Ng4452层间的距离为2.60 m,测调仪定位较为困难。

由于CB12D-1井的井斜角大,测试调配时为了防止测调仪下不到设计位置,加装了15 kg加重杆,该杆可以在任意方向±10°范围内摆动。首先,将一体化测调仪下至最底部的配水器上方,按照全井配注量95.0 m3/d进行注水,注水压力7.0 MPa,调节水嘴待流量稳定后开始记录数据,上流量计监测流量为21.0 m3/d,下流量计监测流量为0 m3/d(见图 6),说明管柱底部无漏失;然后,上提一体化测调仪,利用磁定位装置迅速定位到顶端配水器,调节该层配水器,当测调仪的下流量计显示24.0 m3/d时,上流量计显示92.0 m3/d,即所测量层的流量为68.0 m3/d(见图 7)。改进后的一体化测调仪能同时监测配水器上下的流量,确保了每层配注量都控制在误差之内,从下到上一次测调就达到了配注要求,测调精确度96.8%。与原来的测调方式相比,新测调方式作业时间缩短约1.6 h。

图 6 CB12D-1井下层流量曲线 Fig.6 Flow curves for the lower layer in Well CB12D-1
图 7 CB12D-1井上下层流量曲线 Fig.7 Flow curves for the upper and lower layers in Well CB12D-1
5 结论与建议

1) 针对分层注水井注水过程中存在的水嘴漂移、测调累计误差以及难以定位等问题,研制了防自转可调配水器、带有支撑机构的双流量计一体化测调仪和电磁精确计深装置,形成了分层注水井测调一体化新技术。

2) 室内测试和现场应用表明,测调一体化新技术提高了分层注水井的测调效率及测调精度,不仅能够满足胜利油田精细注水开发要求,还可以用于其他水驱油田以提高水驱开发效果。

3) 应针对低渗油藏高温高压条件下测调困难、小流量测调精度低等问题,重点攻关完善高温高压、小流量测调一体化分注技术,包括高温电子元件的优选、电缆滚轮自动输送技术、系统屏蔽和滤波处理技术等,以实现高温高压井驱动下入、小流量稳定测试,全面提高水驱油藏开发效益。

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文章信息

刘红兰
LIU Honglan
分层注水井测调一体化新技术
A New Integrated Measuring and Adjusting Technology of Separate Layer Water Injection Well
石油钻探技术, 2018, 46(1): 83-89.
Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(1): 83-89.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.2018020

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收稿日期: 2017-09-01
改回日期: 2018-01-09

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