0 引言
油藏持久开发导致储层在纵向上物性差异变大，而分层注水是实现有效注水，提高水驱采收率的主要方法[1-6]。常规分层注水工艺只适用于直井，国内分层注水受工艺限制，水平井主要采用笼统注水或常规偏心分层注水。受储层物性差异以及注入水水质等因素的影响，经一段时间注水后各注水层之间的注水压力以及其吸水指数将发生变化，影响注水驱油效果。为恢复注水井注水能力，常需利用酸化进行解堵，而分层酸化是消除层间物性差异大、注水不均的有效途径[7-12]。
哈得油田的油藏类型属于薄砂层油藏，油层薄，分布稳定，埋藏深(＞5 000 m)，储层温度高(＞100 ℃)，纵向油层之间物性差异大，整体采用大井距双台阶水平井注采井网开发[13]。现阶段超深双台阶水平井的分层注水基本采用笼统注水或常规偏心分层注水工艺，要实现精细分注难度极大。笼统注水时由于两注水层之间的物性差异大，注入水基本全部进入物性较好的层位；而常规斜深井的偏心分层注水工艺由于其投捞成功率低，严重影响测调效果，并且在后期酸化作业时需动管柱作业，延长作业周期。
为弥补现有工艺技术的不足，降低作业成本，研制了超深双台阶水平井分层注水酸化一体化管柱(简称为“一体化管柱”)，同时采用软件模拟优化各配套工具以及管柱结构，成功实现了不动管柱分层注水及酸化，并且提高了投捞测试的成功率。
1 分层注水酸化一体化管柱 1.1 管柱结构超深双台阶水平井分层注水酸化一体化工艺管柱自下而上依次为：导向头+筛管+球座+扶正器+Y441封隔器+扶正器+安全接头+伸缩管+油管+配水器+Y341封隔器+水力锚+伸缩管+油管至井口，如图 1所示。该管柱创新性的将配水器设计于直井段，可实现上、下层分层注水以及分层酸化。
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| 1、5—伸缩管；2—水力锚；3、6—封隔器；4—一级两层酸压配水器；7—扶正器。 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 injection string for double-step horizontal well |
1.2 工作原理 1.2.1 坐封
将管柱按照顺序连接入井，调整好封隔器位置后在井口正加压，随着压力的升高，水力锚的锚爪伸开将管柱锚定在套管上。随着井口压力的继续升高，伸缩管的销钉将被剪断使伸缩管处于可伸缩状态，继续加压至封隔器完全坐封，泄掉油压。
1.2.2 分层注水分层注水时，坐入工作筒的注水芯子将注入水分为两路：一路由注水芯子滤孔，经过第1级水嘴后进入上层；另一路经工作筒环形空间，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。注水过程中通过调节配水器芯子的上、下两个水嘴即可实现精细分层注水。
1.2.3 分层酸化酸化上层时，将酸化上层芯子坐入工作筒，酸液通过芯子进水孔经由配水器上层出水通道注入上层，实现上层酸化；酸化下层时，酸化下层芯子坐入工作筒，酸液通过工作筒的环形空间经芯子进水孔进入油管，注入下层，实现下层酸化。
1.3 工艺特点超深双台阶水平井注水酸化一体化管柱具有锚定补偿功能，在注水及酸化过程中可防止管柱的蠕动，延长管柱寿命。在入井管柱中预制配水器工作筒，注水一段时间后可不动管柱进行分层酸化，缩短作业周期，降低作业成本。同时配水器采用桥式过流通道设计，在分层注水过程中可有效消除层间干扰，提高测调精度。
2 配套工具及主要参数为满足双台阶水平井分层注水及酸化要求，设计了集成式同心配水器、注水芯子、酸化上层芯子、酸化下层芯子以及其他配套工具。
2.1 注水酸化一体化配水器注水酸化一体化配水器由工作筒与相应的芯子组成(见图 2)。下钻时在油管柱中安装预制工作筒，通过与注水芯子配合，利用内部的桥式过流通道可实现两层分注，调节上、下两层的水嘴大小可实现两层的精细分注，与分层酸化芯子配合可实现上、下两层的分层酸化。
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| 图 2 注水酸化一体化配水器 Fig.2 Water injection and acidification integrated water distributor |
2.2 分层酸化芯子
分层酸化芯子(见图 3)可与配水器工作筒配合工作，实现分层酸化功能。酸化上层时，投酸化上层芯子坐入工作筒，酸液通过芯子进水孔经配水器上层出水通道注入上层；酸化下层时，投酸化下层芯子坐入工作筒，酸液通过工作筒的环形空间，经芯子进水孔进入油管，注入下层，实现不动管柱分层酸化。
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| 图 3 分层酸化芯子 Fig.3 Separate layer acidification core |
2.3 主要技术参数
配水器与分层酸化芯子的主要技术参数如表 1所示。
| 工具名称 | 外径/mm | 内径/mm | 长度/mm | 耐温/℃ | 耐压/MPa | 扣型 |
| 配水器 | 112 | 46 | 717 | 120 | 50 | 73.03 mm TBG |
| 分层酸化芯子 | 46 | 28 | 717 | — | — | — |
3 注水酸化一体化管柱受力分析
哈得油田HD X井是一口注水井，井型结构为双台阶水平井(直井+水平井)，A点斜深5 197 m，垂深5 022 m；B点斜深5 312 m，垂深5 024 m；C点斜深5 414 m，垂深5 027 m；井底D点斜深5 455 m，垂深5 029 m；井底深度5 514 m。入井油管及套管参数如表 2所示。
| 类型 | 外径/mm | 下入深度/m | 钢级 | 壁厚/mm | 线质量/(kg·m-1) | |
| 顶 | 底 | |||||
| 244.5 | 0 | 1 000 | TP110TT | 11.99 | 69.95 | |
| 套管 | 177.8 | 0 | 3 425 | BG110-3CR | 10.36 | 43.16 |
| 139.7 | 3 425 | 5 514 | TP110-3CR | 9.19 | 26.79 | |
| 油管 | 88.9 | 0 | 1 200 | P110E | 6.45 | 13.84 |
| 73.0 | 1 200 | 5 330 | P110E | 5.51 | 9.67 | |
3.1 管柱下入模拟
哈得油田采油井和注水井均以超深双台阶水平井为主，井身结构复杂且地层压力较高。注水酸化一体化完井管柱下至弯曲井段后，由于油管刚度的影响致使其产生极大的扭矩，并且由于入井管柱的长度较长导致大钩载荷也较大。为保证分层注水酸化一体化管柱在施工过程中能够顺利入井，对大钩载荷、轴向力-失稳结果进行分析显得尤为重要。
采用模拟软件对管柱下入过程进行模拟得到的结果如图 4所示。根据大钩载荷、轴向力-失稳结果可得注水酸化一体化管柱在管柱入井及起甩过程中大钩载荷始终大于0并呈线性分布，并且入井过程中全井管柱无螺旋弯曲，表明全井管柱在入井过程中安全可靠。
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| 图 4 软件模拟结果 Fig.4 Software simulation results |
3.2 注水及酸化时管柱受力分析
超深双台阶水平井分层注水及酸化过程中管柱受力情况复杂，影响因素如下：①管柱自重将对管柱产生轴向拉力；②在正常注水及酸化过程中管柱内充满高压流体，流体在流动过程中将对管壁产生摩擦力；③管柱内外压差以及注入液体的温度与地层温度之间的差异；④高压流体经过配水器时在水嘴的节流作用后产生上下压差等。这是导致管柱产生活塞效应的主要因素。因此，在注水及酸化过程中，在各种力的综合作用下将产生胡克效应、螺旋弯曲效应、压力效应及温度效应等。
研制的管柱必须满足分层注水、分层酸化作业要求。分层注水过程中，最难满足的条件为单独注下层，而注水和酸化最难满足的条件为酸化过程，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，采用WELLCAT软件针对单独酸化下层等工况进行受力分析模拟，模拟所需基础数据如表 3所示。
| 井深/m | 地层温 度/℃ | 地层压 力/MPa | 1#封隔器 下深/m | 2#封隔器 下深/m | 坐封压力/MPa |
| 5 500 | 114 | 52.43 | 4 800 | 5 330 | 25 |
该区块注水井设计最大注水量为200 m3/d，井口最大注水压力为25 MPa，注入水的井口温度为30 ℃；设计酸化排量为1.0~1.5 m3/min，酸液温度为30 ℃，酸化时井口最高泵压为50 MPa。
3.2.1 注水及酸化时封隔器受力封隔器坐封后在各种工况下的受力也均不一样，计算各种工况下封隔器的受力对管柱设计及封隔器选型具有重要指导作用。哈得油田超深双台阶水平井注水及酸化过程中封隔器的受力软件模拟结果如表 4所示。在酸化排量1.5 m3/min时，上封隔器受到的下拉力最大约为100 kN，下封隔器受上提力最大为310 kN。
| 状态 | 油管对上封隔器 施加的力 | 油管对下封隔器 施加的力 |
| 酸化(1.5 m3/min) | 104.940 | -312.227 |
| 注水(200 m3/d) | 60.717 | -245.465 |
| 停注 | 12.832 | -87.414 |
酸洗时两封隔器之间油管由于温度效应和膨胀效应引起管柱收缩，即使两封隔器之间的管柱较短。但由于管柱两端固定，较小的收缩变形也可转化为较大的轴向力，此时轴向力约为310 kN，从而产生了等量反变形的胡克效应。酸化排量1.5 m3/min时下封隔器的受力如图 5所示。
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| 图 5 酸化排量1.5 m3/min时下封隔器受力状态 Fig.5 Forced state of the lower packer at an acidification displacement of 1.5 m3/min |
3.2.2 注水及酸化时管柱伸长量
在注水及酸化等工况中管柱产生的伸缩量是胡克效应、螺旋弯曲效应、压力效应及温度效应产生的变形量之和[14-15]，计算管柱在各种工况下的变形量可指导伸缩管的选择，有效防止管柱因伸缩变形而导致的破坏。
研究区块双台阶水平井分层注水及酸化过程中各段管柱伸缩量WELLCAT模拟结果如表 5所示。两封隔器之间油管因长度较短所以收缩距离短，酸化排量1.5 m3/min时0~4 800 m段管柱的伸缩量达2.681 m，4 800~5 300 m段伸缩量为0.571 m。根据模拟结果，在井口至上封隔器之间增加3 m伸缩管，在两封隔器之间配上1 m伸缩管，即可保证整体管柱安全有效，满足分层注水和分层酸化需求。
| 油管长度 | 油管伸缩量 | ||||
| 酸化排量 1 .0 m3/min | 酸化排量 1 .5 m3/min | 注水(瞬态) | 注水 (稳态) | 停注 | |
| 0～4 800 | 2.640 | 2.681 | 1.825 | 2.517 | 0.834 |
| 4 800～5 330 | 0.570 | 0.571 | 0.250 | 0.461 | 0.461 |
3.2.3 注水及酸化时管柱强度校核
注水及酸化过程中各种效应所产生的力可用三轴应力表示，该应力是相对于单轴应力的广义三维应力，以Hencky-Mises的应变能量理论为基础。在各种工况下若三轴应力超过了油管的屈服强度，则将发生屈服失效，三轴应力通常也被称为冯米塞斯力，其表达式为[16-17]：
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(1) |
式中：YP为最小屈服强度，MPa；σVME为三轴应力，MPa；σz为轴向应力，MPa；σθ为切应力(周向应力)，MPa；σr为径向应力，MPa。
根据式(1)的计算值绘制出三轴应力椭圆，若载荷在设计区域内则说明管柱设计满足要求。利用WELLCAT软件对带有双封隔器的分层注水酸化一体化管柱进行强度校核。根据三轴应力校核结果(见图 6)，各种工况下管柱所受载荷均在设计区域内，表明该管柱的配置结构安全可靠。
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| 图 6 各种工况三轴应力校核结果 Fig.6 Triaxial stress check results under various operating conditions |
根据三轴安全系数沿管柱的分布(见图 7)，在注水及酸化过程中井口安全系数较小，此处较危险，在4 800与5 330 m处管柱结构中有封隔器，导致安全系数在这两处存在明显变化，但始终大于设定值，再次说明该管柱结构安全可靠。
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| 图 7 各种工况三轴安全系数计算结果 Fig.7 Three-axis safety factor calculation results under various working conditions |
4 现场试验
超深双台阶水平井分层注水酸化一体化管柱研制成功后，2014—2016年在塔里木盆地哈得油田开展了3井次的现场试验，施工成功率100%，层段之间注水合格率100%，成功实现了超深双台阶水平井不动管柱分层注水和酸化。
HD XX井是哈得1号构造北部的一口双台阶水平井，该井井深5 480 m，最大井斜90°，油层温度114 ℃，CI和CII两个层段均需注水，设计注水管柱结构如图 1所示。根据地质配注要求，上层注水量为20 m3/d，下层注水量为30 m3/d。应用该工艺之前该区块主要采用偏心分层注水管柱，投捞成功率低。2016年2月该井采用分层注水酸化一体化管柱注水，成功完成了封隔器验封及分层流量测调。
4.1 封隔器验封封隔器验封采用泵车加压作为压力信号来源，采用“开-关-开-关”井的程序进行验封测试，验封仪器主要由存储式双探头压力计及验封芯子等组成。
验封时将验封仪器入井并坐封于配水器工作筒，油管压力被分为上、下两个压力系统(见图 8)，通过在井口开关注水阀来调节油管压力，此时仪器将分别记录压力值p1和p2，若下封隔器密封较好则两压力值将出现明显差异，否则下封隔器密封不严。该井封隔器密封测试结果如图 9所示。图中p1为油管压力，p2为上层压力。根据测试曲线得出验封仪坐封后上层压力p2基本保持不变，说明芯子坐封严密。当地面采用“开-关-开-关”井法改变油压p1时，上层静压p2保持恒定，得出该井封隔器密封严密。
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| 图 8 验封测试原理 Fig.8 Principle of seal test |
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| 图 9 实测验封曲线 Fig.9 Actual seal test curve |
4.2 分层流量测调
上、下封隔器验封合格后进行CI和CII两小层吸水指数曲线测试，再依据流量计算公式确定上、下两层所需水嘴直径。吸水曲线测试结果显示该井上层为加强层，下层为限制层，为达到节能的目的，设计该井加强层免装水嘴，仅对限制层配水嘴，经计算得出限制层需加装直径为2.6 mm的水嘴，以满足配注要求。加装水嘴后分层注水量测试结果如图 10所示。
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| 图 10 实测分层注水量曲线 Fig.10 Measured separate layer water injection curve |
当全井注水量为52.1 m3/d时，上层注水量为25.1 m3/d，占比为48.25%，下层注水量为27.0 m3/d，占比为48.4%。上、下两层调配误差均小于20%，满足配注要求，表明测调合格。
5 结论(1) 超深双台阶水平井分层注水酸化一体化管柱分层注水一段时间后可实现不动管柱达到分层酸化的目的，并且酸化后可及时进行注水，减轻了压井对地层造成的污染。
(2) 管柱结构中各配套工具长度较短，避免了管柱在入井过程中遇卡问题，并且入井时全井管柱无螺旋弯曲。
(3) 根据软件模拟结果对管柱结构进行优化设计后，管柱强度能够满足该区块分层注水及酸化工况需求。
(4) 现场试验结果表明，分层注水及酸化一体化管柱提高了测调效率，节约了生产成本，能够满足分层注水及酸化要求，在国内首次实现了双台阶水平井的分层注水及酸化试验。
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