0 引言

传统的分层注水工艺只适用于直井^[1]。目前，由于分注工艺限制，国内水平井基本采用笼统注水^[2]。欧美一些大型的石油公司有自己成熟的智能完井技术^[3]，该技术可用于水平井分注，但是费用高昂，无法推广。水平井分层注水一直是国内外注水界难题。

塔里木油田薄砂层油藏，油层薄、分布稳定，平均井深5 500 m，地层温度150 ℃、上层与下层物性差异较大，整体采用大井距的双台阶水平井注采井网开发。现有双台阶水平注水井多口，受技术条件限制，全部采用笼统注水，由于2层物性差异较大，注入水全部进入物性较好层，区块欠注问题严重。笔者旨在设计多种工具及管柱结构，同时采用Wellcat软件模拟，优化各工具及管柱结构，以满足双台阶水平井分层注水要求。

为满足水平井分层注水要求，设计了集成式同心配水器工作筒、注水芯子、坐封芯子、芯子打捞器和芯子脱开器。为了完成封隔器验封及吸水指示曲线测量，设计了注水芯子与双探头压力计、上下集流式流量计配合结构。配水器的主要功能是将油管中的水分成2路，一路由注水芯子滤孔，经过第1级水嘴后进入上层，第2路经芯子与工作筒的环形空间后，绕过上层出水桥，由芯子下部进水孔进入注水芯子，经下层水嘴进入油管，注入下层，具体结构如图1所示。

图 1 集成式同心配水器 Fig.1 The integrated concentric water regulator 1-上层水嘴;2-下层水嘴。

图选项

为实现下封隔器验封，设计双探头压力计与注水芯子配合结构，如图2所示。验封过程采用油管正加压方式，压力计传感器在上层压力传感孔位置测得压力为两封隔器间压力，油管注入液体沿工作筒环形空间绕过上层桥式通道，全部注入下层，即压力计传感器在下层压力传感孔位置测得油管压力。若下封隔器密封不严，则2只压力计测得的压力曲线形态相同或相近，若2只压力计测得的曲线有明显台阶，则说明下封隔器密封良好。

图 2 集成式同心配水器验封结构 Fig.2 Seal test mechanism for the integrated concentric water regulator 1-双探头压力计;2-注水芯子。

图选项

由于该井较深，采用2只具有锚定功能的Y441封隔器，其中上层Y441封隔器作为套管保护封隔器。全井计划采用钢丝投捞水嘴，配水器必须位于直井段，为减小两封隔器间跨距，上层Y441封隔器位于配水器以上，尽量靠近配水器，下层封隔器下至2水平段之间稳斜段(B、C段)将2水平段封隔。由于注水过程中管柱要收缩，停注时管柱要相对伸长且上层封隔器与井口之间、2封隔器之间跨距较大，则上、下封隔器需具有上、下锚定功能，必须配备合理伸缩管，对油管伸长缩短加以补偿，避免封隔器受油管上拉力而非正常解封，导致分注失败。

××1井A点垂深5 000 m，斜深5 200 m，B点垂深 5 002 m，斜深5 300 m，C点垂深5 020 m，斜深 5 400 m，D点垂深5 022 m，斜深5 550 m。套管结构如表1所示。

该井分层注水管柱结构见图3。油管采用复合结构，88.9 mm(3 1/2 in)UP TBG油管下至1 200 m，73.0 mm(2 7/8 in)UP TBG油管下至5 425 m。

图 3 全井管柱结构 Fig.3 The whole string structure 1、4-伸缩管;2、6-Y441封隔器;3-集成式同心配水器;5-安全接头;7-球座;8-打孔短节;9-底丝堵。

图选项

伸缩管分为定压开启式与拉力开启式2种，其中定压开启式是指管柱坐封过程中，将伸缩管打开，注水及停注过程伸缩管可自由伸缩。拉力开启式是指注水过程中，通过管柱收缩产生的拉力将伸缩管剪钉接断，达到开启伸缩管目的。本管柱工艺采用定压开启式伸缩管。伸缩管剪钉设计原则时，首先要保证伸缩距满足管柱缩短要求，其次剪切力大于伸缩管以下管柱重力10～20 kN入井过程中避免剪钉拉断。本管柱工艺中上伸缩管以下油管自重58 kN，下伸缩管以下油管自重9 kN。

整体注水管柱为2层分注，最为严酷条件为一层吸水、另一层不吸水，即全井水量全部注入上层或下层，若此时管柱设计满足工况，则2层同注时注水管柱同样安全有效。软件计算中考虑膨胀、螺旋弯曲、温度、活塞及井斜影响^{[4, 5]}。

伸缩管选择定压开启式，封隔器启动压力为6 MPa、完全坐封压力20 MPa，伸缩管开启压力25 MPa，球座击落压力30 MPa，即坐封过程中，伸缩管已开启，保证注水过程中，伸缩管可自由伸缩。该区块设计最大注入量200 m³/d，井口注水压力25 MPa，将该井深、井斜和方位角导入Wellcat，井口流体注入温度30 ℃，井底温度150 ℃，封隔器耐压差50 MPa。

软件模拟结果如表2所示。由表可知，当所有水全部注入下层时，井口到第1个封隔器(即0～4 800 m)管柱收缩2.883 m，停注时收缩0.435 m，即管柱由注水时收缩2.883 m，停注后管柱重新伸长2.448 m。Y441(上)至Y441(下)段管柱，注水时管柱收缩0.863 m，停注时管柱收缩0.144 m，即由注水转停注后管柱伸长0.791 m。

单独注、停下层时上、下层封隔器受力如表3和表4所示。表中F_上、F_下分别表示油管对上、下封隔器的下压力，p_上、p_下分别表示上、下封隔器的环空压力，t表示温度。由表3和表4可知，当伸缩管打开，注水时油管对上封隔器下压力64.262 kN，停注时油管对上封隔器下压力55.415 kN，注水时油管对下封隔器下压力40.104 kN，停注时油管对下封隔器下压力57.722 kN，既注水、停注过程，全井封隔器受到下压力，整体管柱设计满足要求。

单独注上层时，则全井管柱需等价于2口井来分析。井口至上封隔器等价于单井加1只Y441(上)单独分析，而Y441(上)至Y441(下)部分等价于第1只Y441为井口，全井接1只Y441(下)且只加套压不加油压情况。

单独注、停上层时井口至Y441(上)段管柱长度变化如表5所示，Y441(上)受力如表6所示。由表5可知，井口到上层Y441封隔器(即0～4 800 m)管柱收缩2.885 m，停注时收缩0.864 m，即由注水转停注后管柱又伸长2.021 m。由表6可知，当伸缩管拉开，注水时油管对上封隔器下压力64.263 kN，停注时油管对上封隔器下压力55.416 kN，即明显看出在注水、停注中，井口至Y441(上)段管柱变化量(收缩、伸长量)基本相同，油管对Y441(上)封隔器施加力基本相同。

边界条件设定井深714.28 m，下层Y441封隔器位于600 m，取2封隔器段井深、井斜、方位角导入Wellcat。由于计算单注上层时下封隔器受力(相当于油管在配水器位置堵住，全井水全部注入上层)，即无论上层为注水或停注状态，计算过程中油管压力始终为Y441(上)位置处液柱压力46.966 MPa。当上层注水时，套管压力等于全井水全部注入下层时，上层Y441位置处油管压力66.88 MPa，上层停注时套管压力与油管压力相同，同样为Y441(上)封隔器位置处液柱压力。

单独注上层时，上封隔器至下封隔器段管柱伸长、缩短情况及下封隔器受力情况如表7和表8所示。

由表7和表8可知，全井水全部注入上层时，无论上层注水或停注，上、下封隔器间管柱收缩与伸长量仅为0～0.058 m且无论上层何种状态，油管对下封隔器始终产生下压力，即单独停注上层时，下层封隔器都不会受向上拉力而解封，上下封隔器间管柱收缩量可不计。

综上分析可知，该区块分层注水管柱结构及伸缩管长度，只要满足单独注入下层要求，即可满足全井分注要求，即上伸缩管控制伸缩距3 m，下伸缩管控制伸缩距1 m，上封隔器解封力108 kN，下封隔器解封力81 kN，就可以满足该区块该种类型井分层注水要求。

××1井管柱入井后，替环空保护液、投直径29 mm低密度球后小排量送球至水平段，投坐封芯子，待芯子到位后地面小排量泵送球至球座，地面泵车采用5 MPa→10 MPa→15 MPa→20 MPa→25 MPa→30 MPa→35 MPa压力台阶稳压方式加压，32 MPa时管柱底部球座打掉，下层注水通道畅通，封隔器坐封结束。

地面钢丝车带打捞器将坐封芯子捞出，将双探头压力计与注水芯子相连，按图2方式坐入工作筒，地面泵车采用“启泵→停泵→启泵→停泵”方式完成下封隔器验封，验封结果如图4所示。图中蓝色线为油管压力(注入水全部注入下层)，绿色线为2封隔器之间压力，红色线为温度线。

图 4 下封隔器验封结果 Fig.4 Seal test results of the lower packer

图选项

明显看出2封隔器之间(上层)压力基本保持不变，第1次地面泵车加压时，下封隔器压差为16.75 MPa，第2次泵车加压时，下封隔器压差为11.63 MPa，由此分析下封隔器严密，上封隔器采用套管反加压方式完成验封。

下封隔器验封结束后，进行各层吸水指示曲线测量，依据嘴损图版曲线及经验公式，确定各层所需水嘴直径并完成流量验证，完井。

50 m³/d稳定注水3个月后，按要求进行上下层水量调整，要求上层50 m³/d，下层30 m³/d。首先应用地面注水管线进行下封隔器验封，地面采用“开→关→开→关”方式完成验封，验封结果如图5所示，图中蓝色线为油管压力(注入水全部注入下层)，绿色线为2封隔器之间压力，红色线为温度线。2轮地面注水阀开关，下封隔器胶筒两端压差分别为5.19和5.90 MPa，由此分析下封隔器密封严密。

图 5 注水3个月后验封结果 Fig.5 Seal test results after three months’ water injection

图选项

验封结束后应用钢丝车将注水芯子及压力计捞出，注水芯子连接上、下流量计重新坐入工作筒进行吸水指示曲线测试。依据各层吸水指示曲线及嘴损图版，注水芯子下层加装2.3 mm水嘴限流，全井80 m³/d条件下，测得上层实际注水量为47.6 m³/d，下层实际注水量为32.0 m³/d，满足配注要求，完井。

(1)由Wellcat模拟结果可知，该类管柱结构及工具只要满足单独注入下层要求，即可满足全井分注要求，即上伸缩管控制伸缩距3 m，下伸缩管控制伸缩距1 m，上封隔器解封力108 kN，下封隔器解封力81 kN，满足该区块双台阶水平井200 m³/d、25 MPa条件下的分层注水。

(2)该管柱结构共计实施试验井2口，其中××1井分别经历了2次验封、多次停注、启动注水及全井水量逐级降低式分层压力测试，上层实际配注量47.6 m³/d，下层实际配注量32 m³/d，满足地质要求，已稳定注水8个月，管柱工作状态良好。

(3)××2井原井采用笼统注水，下层倒吸，注入水全部注入下层。2015年1月改为分注，地质配注要求上层20 m³/d，下层30 m³/d。该井分注管柱完井后，大排量平衡注水2 d(流量200 m³/d，地面注入压力25 MPa)，后经历降压式吸水指示曲线测试等多次变流量、开关井操作。依据各层吸水指示曲线及嘴损图版，下层选择2.6 mm水嘴，经流量验证，上层实际配注量23.7 m³/d，下层实际配注量26.8 m³/d，满足地质要求。

(4)2口井的现场应用结果表明，双台阶水平井分层注水管柱及工具设计合理，可满足双台阶水平井分层注水要求。