0 引言
渤海油田现有水驱开发油田35个，截至2019年底，共有注水井808口，其中分层注水井742口，分层注水井占比达90%以上。渤海油田常用分层注水技术有一投三分注水技术、空心集成注水技术、同心分注技术、边测边调注水技术和多管分注技术[1-8]，其中前4种技术存在以下不足：①分层测调时需要钢丝和电缆作业配合，单井测调时间较长，测调效率较低；②受井斜的限制，大井斜注水井无法分层测调；③无法实时获取分层注水数据，分层注水管理水平较低。多管分注技术虽解决了大井斜注水井分层测调问题，但注水管柱复杂、作业成本较高，该技术仅适于不大于3层的注水井。伴随着渤海油田进入开发中后期，为保证油田的稳产与高产，急需一种分层注水新技术，在解决大斜度井分层注水问题的同时，能够实现分层注水的精细化管理。
2012年，渤海油田开始注水井高效测调一体化技术的研究[9-10]，经过几年的技术攻关，工艺技术日趋成熟，配套工具逐渐完善并形成系列化，满足了不同尺寸注水井的应用需求。注水井高效测调一体化技术与现有技术相比，具有无需钢丝电缆与井口作业、操作简便、测调效率高以及分层调配准确等特点，有效解决了注水井测调效率低、调配率低、分层注水合格率低以及大斜度井无法分层测调的问题，为渤海油田的高效开发提供了技术支持。
1 技术分析 1.1 测调一体化系统结构注水井高效测调一体化技术中的相关设备由地面控制部分和井下管柱部分组成，两部分由钢管电缆相连接，共同构成一个分层注水集散式测调系统。地面控制部分主要由地面测调控制器及监控机组成；井下管柱部分包括井下安全阀、滑套、过电缆定位密封、过电缆插入密封、分注自动测调配水器和过电缆特殊接箍等工具。分层注水高效测调一体化系统如图 1所示。
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| 1—监控计算机；2—供电柜；3—地面测调控制器；4—采油树；5—液压管线；6—井下安全阀；7—钢管电缆；8—滑套；9—过电缆定位密封；10—自动测调配水器；11—过电缆特殊接箍；12—过电缆插入密封；13—圆堵；14—顶部封隔器；15—防砂管柱；16—隔离封隔器；17—底部封隔器。 图 1 分层注水高效测调一体化系统 Fig.1 Integrated high efficient testing and adjustment system for layered water injection |
1.2 技术原理
井下每个注水层位对应下入一个分注自动测调配水器，自动测调配水器集成分层测试、分层注水量自动调控和分层验封功能，长期置于井下，完成分层注水量、注水压力、地层压力、温度以及运行状态等数据的实时采集，并能够根据分层配注量自动调整分层注水开度，实现分层注水的自动化控制。各注水层使用过电缆插入密封分隔层位，过电缆插入密封具有钢管电缆穿越与密封功能，钢管电缆自上而下依次穿越电缆密封组件和过电缆插入密封的过电缆孔并与下部自动测调配水器连接，相邻的过电缆插入密封和自动测调配水器构成一级分注单元，各级分注单元间通过一根钢管电缆连接，并经此根钢管电缆连接到地面测调控制器。地面测调控制器与远程中控监控机通过一根信号电缆连接，在监控机端运行测调软件即可实现分注层的实时监测、分注量的自动化控制以及层位验封。
1.3 技术特点与对比 1.3.1 技术特点(1) 适应性强。高效测调一体化技术不受井斜的限制，适用于任意井斜。
(2) 抗风险能力强。测调系统采用集散式架构设计，地面测调控制器作为中央控制器，自动测调配水器作为执行器，每个自动测调配水器独立运行，受地面测调控制器集中控制。
(3) 集成度高。井下自动测调配水器作为注水管柱的一部分，内部集成流量计、压力计、水嘴调节机构和测控电路等组件，实现了注水管柱由单一注水功能向集注水测试、调配和验封功能的一体化集成。
(4) 自动化程度高。每个注水层对应一个自动测调配水器，自动测调配水器实时监测分层注水量，并根据分层配注量自动调整分层注水量，实现分层注水的自动化与精细化控制。
(5) 在线验封。自动测调配水器设有内、外压力传感器，无需下入验封仪器，降低井下作业风险，快速层位验封，确保分层注水安全。
1.3.2 技术对比(1) 常规分注技术仅适用于井斜小于60°的注水井，分层测调和验封需要借助钢丝电缆作业下入测试测调与验封仪器，测调耗时较长，措施成本低，但后期分层测试调配成本高，综合投入较高。
(2) 高效测调一体化技术不受井斜的限制，借助预置电缆和地面测调控制器即可实时监测注水动态，快速完成分层注水的测调和验封，措施成本高，但后期分层测试调配无投入，综合效益较高。
2 关键工具及配套设备为满足海上油田不同尺寸大斜度水平井分层注水的应用需求，开展了渤海油田注水井高效测调一体化技术的系列化研究，形成了4.75型、3.88型和3.00型3个系列化的工具。
2.1 自动测调配水器 2.1.1 结构自动测调配水器为井下分层测试与调配自动化工具，集成有分层测试、分层验封以及分层水嘴无极调控等功能，不同型号的自动测调配水器结构分别如图 2和图 3所示。
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| 1—电缆接头；2—上接头；3—上流量计；4—主体；5—外压力计；6—内压力计；7—测控电路板；8—下流量计；9—下接头；10—电缆接头；11——电机；12—减速器；13—丝杠。 图 2 4.75型自动测调配水器结构示意图 Fig.2 Structural schematic of the 4.75 type automatic testing and adjustment water distributor |
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| 1—上接头；2—支架；3—电路仓；4—一体化水嘴；5—压力计；6—流量计；7—下接头。 图 3 3.88型及3.00型自动测调配水器结构示意图 Fig.3 Structural schematic of the 3.88 type and 3.00 type automatic testing and adjustment water distributors |
2.1.2 工作原理
4.75型自动测调配水器采用同心结构设计，配水器内部集成有流量计、可调水嘴、压力计和测控电路等组件。为满足海上油田大排量注水的需要，配水器中心过流通道内径达44.0 mm，分层注水当量通径22.6 mm，分层注水量最大可达1 000 m3/d；流量计采用双冗余设计，包括上、下两个电磁流量计，分别位于可调水嘴的上、下两端，分别测量分注前流量Q1和分注后流量Q2，分层注水量为Q1和Q2的差值，测量误差2%；可调水嘴采用平衡压结构设计，由电机、减速器、丝杠、阀套和阀芯组成，额定输出扭矩8 N·m，具有20 MPa压差无级调控和位置锁定功能。可调水嘴在全开与全关两个极限位置，设计有行程开关，当丝杠运行到两个极限位置时，行程开关被触发，确保水嘴开关到位后切断电机供电，保护电机安全、长期运行。配水器的主体部分设计有内、外两个传压通道，并安装内、外两个压力传感器，测量管柱内注水压力和油套环空外地层压力，压力测量范围0~60 MPa，测量误差0.1%，当可调水嘴全关时，通过实时监测内、外两个压力计采集的数据，可快速完成分层在线验封。测控电路由通信、数据采集、运算处理和控制模块组成，其中通信模块实现与地面测调控制器间的双向数据传输；数据采集模块用于采集井下分注压力、流量和温度等数据；运算处理模块作为井下集成配水器的核心，组织协调各模块的运行；控制模块驱动电机正、反转与限位保护，实现可调水嘴的无极调控。
3.88型和3.00型自动测调配水器在4.75型自动测调配水器架构设计的基础上，保留了双压力分层验封和平衡压可调水嘴等方面的设计。针对分层大排量注水的应用需求，过流通道采用桥式过流结构设计，上、下接头径向设计有12个过流孔，3.88型和3.00型桥式过流当量通径分别达48和40 mm，分层注水过流通道当量通径分别达18和16 mm，分层注水量最大分别可达500和300 m3/d。配水器内部同样设有流量计、压力计、温度计、可调水嘴和测控电路等组件，其中两个压力传感器分别测量管柱内压力和油套环空外压力，达到分层验封的目的；配水器采用单电磁流量计结构设计，流量计位于分层注水通道中部，测量精度更高。
2.1.3 技术指标不同型号井下配水器的主要参数如表 1所示。
| 规格型号 | 4.75型 | 3.88型 | 3.00型 |
| 外径/mm | 116.0 | 95.0 | 73.0 |
| 内径/mm | 44.0 | 48.0(当量) | 40.0(当量) |
| 适应井径/mm | 120.7 | 120.7、101.6、98.6 | 120.7、101.6、98.6、76.2 |
| 最大注水量/(m3·d-1) | 1 000 | 500 | 300 |
| 流量测量精度/% | ±2.0 | ±2.0 | ±2.0 |
| 压力测量精度/% | ±0.1 | ±0.1 | ±0.1 |
| 耐温/℃ | 150 | 150 | 150 |
| 耐压/MPa | 60 | 60 | 60 |
2.2 过电缆插入密封 2.2.1 结构
过电缆插入密封工具结构如图 4所示。
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| 1—上接头；2—本体；3—紧固接头；4—密封模块；5—隔环。 图 4 过电缆插入密封工具结构示意图 Fig.4 Schematic diagram of the cable-through sealing tool |
2.2.2 工作原理
针对渤海油田防砂完井管柱形式，设计了系列化过电缆插入密封工具。区别于膨胀式封隔器加压坐封方式，过电缆插入密封直接插入顶部封隔器、隔离封隔器和底部封隔器的密封筒内，依靠插入密封的密封模块与封隔器密封筒间的过盈配合分隔层位。过电缆插入密封同时具有电缆穿越与密封功能。密封本体设有ϕ8.00 mm的过电缆孔，过电缆孔两端为6.35 mm NPT密封螺纹，并配有ϕ6.35 mm卡套密封接头，ϕ6.35 mm钢管电缆穿越过插入密封时，由上至下依次穿越上ϕ6.35 mm卡套密封接头、过电缆孔和下ϕ6.35 mm卡套密封接头后，借助卡套密封接头内部前、后卡套与ϕ6.35 mm钢管电缆外钢管间的铰链-夹箍作用，密封钢管电缆同时抓紧钢管电缆，起到固定和密封保护的双重作用。
2.2.3 技术指标不同型号过电缆插入密封的主要参数如表 2所示。
| 插入密封型号 | 外径/mm | 内径/mm | 耐差压/MPa | 耐温/℃ |
| 6.00型 | 151.5 | 76.0 | 21 | 120 |
| 5.00型 | 123.0 | 76.0 | 21 | 120 |
| 4.75型 | 120.5 | 58.0 | 21 | 120 |
| 4.00型 | 101.5 | 40.0 | 21 | 120 |
| 3.88型 | 98.4 | 40.0 | 21 | 120 |
| 3.25型 | 82.4 | 30.0 | 21 | 120 |
| 3.00型 | 76.7 | 30.0 | 21 | 120 |
2.3 过电缆特殊接箍 2.3.1 结构
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| 1—螺钉压帽；2—橡胶垫；3—本体；4—铜垫。 图 5 4.75型和3.88型过电缆特殊接箍示意图 Fig.5 Schematic diagram of the 4.75 type and 3.88 type cable-through coupling |
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| 1—螺钉；2—本体；3—C形环。 图 6 3.00型过电缆特殊接箍示意图 Fig.6 Schematic diagram of the 3.00 type cable-through coupling |
2.3.2 工作原理
过电缆特殊接箍是针对大斜度井和水平井防砂段内的电缆保护工具，具有电缆穿越和固定保护的功能。防砂段内所有常规油管接箍更换为过电缆特殊接箍，可降低钢管电缆伴随注水管柱下入防砂段内受油管挤压等因素造成损坏的风险。
如图 5所示，4.75型和3.88型过电缆特殊接箍由本体、螺钉压帽、橡胶垫和铜垫组成，本体径向设有4个过电缆凹槽，凹槽端部设有定位台阶。钢管电缆过接箍保护时，优选一个过电缆凹槽，并将电缆置于过电缆凹槽内，依次填入铜垫、橡胶垫和螺钉压帽，铜垫抵至凹槽定位台阶处限位，拧紧螺钉压帽挤压橡胶垫产生变形进而夹紧钢管电缆，实现对钢管电缆的固定保护。
如图 6所示，3.00型过电缆特殊接箍由螺钉、过电缆凹槽、本体和C形环组成，本体径向设有4个过电缆凹槽，特殊接箍两端设有可穿越电缆的C形环。过电缆特殊接箍工作时，电缆预置于过电缆凹槽内，通过拧紧接箍两端的C形环，即可快速实现特殊接箍对钢管电缆的固定和限位保护。
2.3.3 技术指标不同型号过电缆特殊接箍的主要参数如表 3所示。
| 规格型号 | 外径/mm | 内径/mm | 适应井径范围/mm |
| 4.75型 | 116.0 | 62.0 | 120.7 |
| 3.88型 | 94.0 | 50.6 | 120.7、101.6、98.6 |
| 3.00型 | 75.0 | 50.6 | 120.7、101.6、98.6、76.2 |
2.4 地面测调控制器 2.4.1 结构
地面测调控制器作为监控机与井下集成配水器的纽带，其测控电路组成包括电源模块、微控制器、通信模块、控制模块和隔离保护模块，如图 7所示。
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| 图 7 地面测调控制器组成示意图 Fig.7 Schematic diagram of ground testing and adjustment controller |
2.4.2 工作原理
电源模块将交流电转变为直流电，为地面测调控制器和井下自动测调配水器供电；微控制器作为地面测调控制器的核心，组织协调各功能模块的运行；通信模块作为监控计算机和井下自动测调配水器的“联络与翻译官”，一方面与监控计算机串口连接，另一方面与隔离保护模块连接，对控制指令和井下数据进行解码与调制解调，实现监控计算机和井下自动测调配水器的双向通信；控制模块在微控制器的控制下7选1，实现对7口分注井的分时级联控制；选择隔离保护模块作为地面测调控制器与井下自动测调配水器间的保护屏障，一方面与通信模块连接，另一方面与钢管电缆和井下自动测调配水器连接，起到电压与电流的过载保护作用。
2.4.3 技术指标输入交流电压220 V，功率400 W, 输出直流电压100~180 V，一台地面测调控制器可连接7个注水井，单井负载最多达5 000 m钢管电缆和8个井下集成配水器。
2.5 监控软件的功能(1) 设定与调整地面测调控制器的输出电压、软件异常/过载保护阈值；
(2) 下达分层测调指令，监测注水井生产动态和调整分层配水器水嘴开关，实现分层验封和分层注水的测试与调配；
(3) 下达注水井调控指令，实现7口注水井的分时监测；
(4) 具有数据存储、历史数据回放、报表输出和异常报警等功能。
3 现场应用 3.1 整体应用情况截止到2019年12月，高效测调一体化技术已在渤海油田现场实施82口井，最大下入深度2 903 m，最大井斜87.62°，最多单井分注6层，单层最大注水量705 m3/d，技术施工成功率达100%。与常规分层测调技术相比，高效测调一体化技术的实施，平台作业甲板占用时间每年将减少约328 d，钢丝作业每年减少约902井次，调配作业费用每年将节约1 148万元。
3.2 应用实例以BZ34-1-N油田XX井为例，该井完井深度2 419.8 m，垂深1 294.4 m，最大井斜87.62°，采用ϕ177.8 mm筛管简易防砂，防砂段总长487 m，细分三层三段注水。高效测调一体化技术的实施步骤如下。
(1) 下管柱作业：连接、下入分层注水管柱[10]，保持3#自动测调配水器水嘴全开，管柱下放到位，到位前测上提下放悬重，下压定位插入密封试插入顶部封隔器，上提后有过提显示，重新下放管柱到位。
(2) 环空验封：环空加压5 MPa，稳压10 min，压力不降视为合格。
(3) 分层验封：打开第二防砂段自动测调配水器的水嘴，关闭第一、三层防砂段自动测调配水器的水嘴，油管内加压5、7和9 MPa，各压力点保持10 min，读取观察第一、三层自动测调配水器外部压力无变化，一、二、三层间密封性完好，分层验封合格，验封曲线如图 8所示。
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| 图 8 分层验封曲线 Fig.8 Layered sealing check curves |
(4) 恢复井口：井口配管、连接油管挂、拆井口防喷器、安装井口采油树后恢复注水。
(5) 分层测调：恢复注水2 d后，进行分层测试调配，井口注水压力11 MPa，全井注水量281.5 m3/d，监控机借助地面测调控制器向井下各自动测调配水器发送调控指令和分层配注量数据，井下自动测调配水器即可自动完成分层注水的测试与调整，将分注测调数据实时反馈至远程中控监控机显示，整个测调过程耗时几分钟完成，与常规测调技术相比，该技术不需人为干预、无需额外作用，测调效率极高。
分层测试与调配数据如表 4所示。现场应用中分层注水合格率100%。
| 注水层位 | 注水压力/MPa | 地层压力/MPa | 配注量/(m3·d-1) | 注入量/(m3·d-1) | 配注误差/(m3·d-1) | 水嘴开度/% |
| 第一层 | 21.2 | 10.2 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0 |
| 第二层 | 21.4 | 21.4 | 180.0 | 179.5 | 0.5 | 100 |
| 第三层 | 21.4 | 17.7 | 100.0 | 101.5 | 1.5 | 15 |
BZ34-1-N油田XX井实施高效测调一体化技术后，有效解决了常规分注技术无法分层测试调配的难题，实现了分层注水的实时动态监测与自动化调控，提升了分层注水自动化与监管水平，为油藏分析提供了实时而准确的数据支持。
4 结论(1) 注水井高效测调一体化技术实现了注水管柱由单一的注水功能向井下数据采集、层位验封、分注测试与调配功能的集成，分层测调和验封无需钢丝电缆作业，平均单井测调时间可缩短至3 h；无需占用平台时间和空间，最大限度地降低了作业费用和作业风险。
(2) 该技术实现了分层注水的数字化、自动化和远程动态监测，确保井下注水安全，为分注精细化管理和油藏注采方案的调整提供了更加准确的数据支持。
(3) 该技术已在渤海油田25个平台实施82口井，施工成功率100%，每年节约测调费用约1 148万元，注水井管理水平极大提升，注水“三率”显著提高，降本增效显著，综合效益较高。
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