0 引言
注水是保持油藏压力，实现油田高产稳产及改善油田开发效果的有效方法[1-4]。随着油田的持续开发，储层纵向物性差异大，尤其是油田进入中高含水期，层间矛盾突出[5-7]。采用分层注水技术可以发挥多油层潜力，提高高含水油田的水驱采收率。
哈得油田属于薄砂层油藏，有2号和3号2个薄层，油藏埋藏深(超过5 000 m)，地层温度高(高于100 ℃)，压力高，纵向上物性差异大，层间矛盾突出，采油井和注水井以超深双台阶水平井为主，实施分注难度极大，国内外几乎无成功经验可借鉴[8-11]。常规斜深井偏心分层注水工艺中配水器的堵塞器安装在侧向的偏孔内，在斜井内的投捞成功率低，当井斜角超过50°时，钢丝投捞成功率低于50%，严重影响测试效率，难以满足超深井和水平井分层注水要求[12-13]。为此，开展了桥式同心分注工艺研究，研制了适合超深双台阶水平井的桥式同心分注配水器。该配水器能够同心对接，提高了仪器与配水器的对接成功率。现场应用结果表明：采用该技术能正常注水，并且测调效率与分注合格率均较高。
1 桥式同心分注技术新型超深双台阶水平井分层注水管柱结构如图 1所示，主要由桥式同心配水器、封隔器、伸缩管、水力锚和扶正器等组成。由于井深较深，管柱在注水及酸化过程的收缩量通过伸缩管的伸长进行补偿；扶正器主要是减小井斜对管柱的影响，避免工具在入井时损坏。桥式同心分注技术把投捞工具置于直井段，有效地解决了水平井投捞和测调的难题。
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| 图 1 双台阶水平井分层注水管柱示意图 Fig.1 Schematic diagram of separate layer water injectionstring for double-step horizontal well 1、5-伸缩管；2-水力锚；3、6-封隔器；4-桥式同心配水器；7、8-扶正器。 |
1.1 桥式同心配水器
桥式同心配水器主要由工作筒与注水芯子2部分组成，其结构见图 2。分层注水时，首先优选好水嘴并装入注水芯子，将注水芯子坐入工作筒后，注入水将分成2路：一路由注水芯子滤孔经过第1级水嘴后进入上层，一路经工作筒的环形空间后，绕过上层出水通道，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，以满足不同层段的配注要求，减小注水时的层间干扰。配水器主要技术参数：外径112 mm，内径46 mm，长717 mm，耐温120 ℃，耐压50 MPa，扣型2 7/8 in TBG。
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| 图 2 桥式同心分注配水器 Fig.2 Bridge concentric separate layer water regulator |
1.2 配套测调工艺 1.2.1 封隔器验封
验封仪入井、坐封于配水器工作筒后，将油管分为上、下2个压力系统(见图 3)。上压力系统(油管压力系统p1) 直接作用于验封压力计的上传感器，并通过工作筒桥式通道的出水孔作用在下封隔器的下胶筒；下压力系统(上层回压p2) 直接作用于上封隔器的下胶筒和下封隔器的上胶筒，并通过配水器的上层出水孔作用在验封压力计的下传感器上。在井口通过“开-关-开”注水闸门的方式改变油管压力时，验封仪器就会记录压力值p1和p2，若下封隔器密封严，则p2不会随p1变化(相反整个过程p2会呈下降趋势，下降速度与地层的渗透能力有关)，即2路压力会出现明显差异，否则下封隔器密封不严。
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| 图 3 验封测试原理图 Fig.3 Schematic of seal test |
1.2.2 背景流量测试
为保证测吸水指示曲线时，各层水量均匀分配，能够真实测得各层允许范围内的注水量及注水压力，在进行全井吸水指示曲线测试前，需进行背景流量测试。流量测试原理如图 4所示。
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| 图 4 流量测试原理图 Fig.4 Schematic of flow test |
地面采用2组水量试注，第1组试注水量为全井设计水量，第2组注水量为全井设计水量的1.2倍，每组试注时间15 min。短期试注结束后，上提流量计及注水芯子，地面回放数据，若上层流量与下层流量相差过大，则应在强吸水层加水嘴进行限流。限流水嘴节流压差为：
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(1) |
式中：Δp为水嘴实际节流压差，Pa；q为过水嘴流量，m3/d；d为水嘴直径，mm。
2 室内试验及数值模拟 2.1 注水管柱受力及变形量分析桥式分层注水工艺注水管柱必须满足分层注水和分层酸化等工况要求。分层注水时，最为严苛的条件为单独注下层。注水和酸化最为严苛的条件是酸化过程，即整体管柱满足单独酸化下层作业必然满足其他所有工况。为此，利用Wellcat软件分别针对单独注水下层和酸化下层的工况进行封隔器受力及管柱变形量分析模拟，结果如表 1和表 2所示。
| 工况 | 油管对上封隔器施加的力 | 油管对下封隔器施加的力 |
| 注水200 m3/d | -64.262 | -40.104 |
| 停注 | -55.415 | -57.722 |
| 酸化1.5 m3/min | 120.000 | -230.000 |
| 工况 | 深度 | 虎克伸长 | 屈曲伸长 | 膨胀伸长 | 热伸长 | 整体伸长 | |
| 顶部 | 底部 | ||||||
| 初始 | 0.52 | 4 800 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 初始 | 4 800 | 5 330 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 注水200 m3/d | 0.52 | 4 800 | 0.056 | -0.029 | -0.739 | -2.172 | -2.883 |
| 注水200 m3/d | 4 800 | 5 330 | 0.032 | -0.002 | -0.072 | -0.392 | -0.435 |
| 停注 | 0.52 | 4 800 | 0.013 | 0.000 | -0.003 | -0.873 | -0.863 |
| 停注 | 4 800 | 5 330 | 0.002 | 0.000 | -0.001 | -0.145 | -0.144 |
| 酸化1.5 m3/min | 0.52 | 4 800 | 1.602 | -0.022 | -1.713 | -2.867 | -2.999 |
| 酸化1.5 m3/min | 4 800 | 5 330 | 0.063 | -0.022 | -0.145 | -0.615 | -0.720 |
模拟结果表明：新型超深双台阶水平井分层注水管柱结构安全可靠；分层注水时管柱上伸缩管的伸缩距选3.0 m，下伸缩管的伸缩距选1.5 m，即可有效保证分层注水和酸化。
2.2 注水芯子投放坐封试验 2.2.1 数值模拟现场施工过程中为省去注水芯子用钢丝投送工序，常将注水芯子带压力计或流量计直接由井口投入，而超深井由于井深较大需验证该方法的可行性。因此，对注水芯子沿井筒下落速度分布及落入工作筒后的冲击力进行模拟。
(1) 速度分布。首先建立注水芯子与井筒的物理模型(见图 5)，然后用软件模拟注水芯子在井筒中的速度分布，结果如图 6所示。
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| 图 5 注水芯子与井筒的物理模型 Fig.5 Physical model of water injection core and the wellbore |
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| 图 6 注水芯子在井内运行速度分布规律 Fig.6 Velocity distribution of water injection core in wellbore |
由图 6可知，在流动过程中，开始投掷时由于注水芯子运行速度很低，受到的流动阻力较小，主要受重力和浮力的作用；随运行速度的增大，注水芯子受到的流动阻力越来越大，加速度逐渐降低，运动速度变化趋向平缓，最终趋于稳定；速度变化最大的时刻就在投掷开始时刻，即运行速度最慢的时刻，达到15 m/s速度需在井内运行70 m后才会趋向平缓。
(2) 冲击。利用有限元软件对实际结构进行有限元模拟分析，网格模型见图 7，应力分布见图 8。
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| 图 7 有限元模拟分析网格模型 Fig.7 Grid model for finite element simulation analysis |
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| 图 8 冲击过程所受的Mises应力分布 Fig.8 Mises stress distribution in the impact process |
分别对坐入速度1、6、10和15 m/s的情况进行模拟计算，并统计出相应的坐入时间和最大屈服应力，见表 3。
| 坐入速度/(m·s-1) | 坐入时间/s | 最大屈服应力/MPa |
| 2 | 无法坐入 | 260.8 |
| 6 | 无法坐入 | 413.1 |
| 10 | 0.032 | 863.4 |
| 15 | 0.025 | 937.6 |
由表 3可知，如果速度过小，将导致工具无法坐入工作筒；如果速度过大，如以15 m/s的速度冲击坐筒并坐入后，屈服应力偏大，容易导致仪器损坏。为避免仪器工具受损，应以一个合理的速度坐入。建议采用井筒内定点脱开技术，既要保证注水芯子在坐入工作筒前有足够的速度(能坐入工作筒)，又要保证流量计和压力计不损坏。经计算建议在距配水器工作筒7~8 m位置脱开。
2.2.2 室内试验将工作筒连接油管后下入人工井筒(深12 m，井筒油管内灌满清水)，井口接防喷管，将注水芯子连接打捞器在9.6 m油管内进行钢丝车控制速度下的快速下放冲击; 冲击坐封结束后，用吊车将防喷管和油管提出井筒，各工具坐封情况良好；将注水芯子分别连接脱开器在9.6和5.6 m油管中上部，进行悬停及人工脱开，上提油管，投放工具正常坐封。
试验及数值模拟结果为同心分注工艺在现场的顺利实施提供了理论支撑。
3 现场试验超深双台阶水平井同心分注工艺于2014年11月在哈得油田开展现场试验，现在已经完成3井次的现场施工，施工过程中最大井斜90°，最大井深5 500 m，施工成功率100%，成功解决了常规分注工艺适应性差的难题。
HD X井为哈得油田典型的双台阶水平井。该井最大井斜90°，井深5 500 m，油层温度达110 ℃，注水层位为C1和C2。根据地质要求，上层配注50 m3/d，下层配注30 m3/d。2014年11月至2015年2月，该井采用新研发的同心分注和测调技术，完成分注管柱入井、封隔器验封及分层流量测调，具体过程如下。
3.1 封隔器验封封隔器验封进行了多轮的开泵-停泵操作，从验封压力曲线(见图 9) 可看出：采用泵车对油管进行“升压-降压-升压-降压”的方法改变油管压力(封隔器的下胶筒)p1时，封隔器的上胶筒压力p2未变化，说明该封隔器密封严密；验封仪坐封后，下层压力p1有显著下降趋势，而p2基本平稳，说明下层比上层渗透性好。
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| 图 9 HD X井验封压力曲线 Fig.9 Seal test curve of Well HD X |
3.2 分层流量测调
确保各级封隔器密封后，需按照地质配注要求完成分层流量调试。流量测试仪器结构为：地面钢丝+振击器+打捞器+上集流式流量计+注水芯子+下集流式流量计。根据地质配注量、吸水指示曲线原理及公式(1)，在进行吸水指示曲线测试时，下层需加装ø2.4 mm水嘴进行限流。投放芯子时将注水芯子与上、下集流式流量计在工作筒以上8~10 m位置脱开，注水芯子与上、下集流式流量计能够稳定坐入工作筒，测试15 min后，提出流量测试工具，回放数据，如图 10所示。
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| 图 10 上、下层注水量 Fig.10 Water injection volume of the upper and lower layers |
流量测试结果显示：全井注水量79.6 m3/d，上层实际注入量49.3 m3/d，单层配注误差1.4%；下层实际注入量30.3 m3/d，单层配注误差1.0%，各层水量在注水误差范围之内，配注合格。
4 结论及建议(1) 桥式同心配水器与井下测调仪之间采用同心方式对接，解决了偏心分注工艺在斜深井对接成功率低和风险大的难题，不仅为超深双台阶水平井的分注提供了有效的工艺手段，而且保证了较高的分注合格率。
(2) 该工艺既可满足全井2只封隔器同时验封操作要求，也可有效保证2层流量同时测量，且验封工具性能稳定，流量测量结果准确度高。
(3) 桥式同心分注工艺在超深双台阶水平井试验3井次，工具各项性能均满足分注需求，各层配注量达到设计要求，成功率100%。
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