嘴流规律在注水井现场的应用

刘江华

（中国石化江汉油田分公司江汉采油厂，湖北 潜江433123）

引 言

注水开发油田在开发后期需要依据油井受效反应，频繁进行注采调整。最常用的方法是调整注水井的日配注量和注水周期。产油量下降，导致油田经济效益下滑，而钻井成本难以压缩，于是在新建或转投注水井时，投资成本成为影响地面建设的主要因素。然而控制成本的同时，给后续注水管理工作带来问题，具体体现在注水井配注无法落实，油井日产液和含水率得不到控制，高压闸门故障频繁。

1 注水管理现状

为了降低投资成本，江汉油田普遍采用枝状管网模式（图1）连通相邻注水井井口，以此减少增压泵和地面管线的投资。

图1 枝状管网模式示意图

伴随工艺技术进步，注水管理工作从注重井网设计关注注采比发展到注重井筒层间精细化管理，关注注采对应率、受效率，注水工艺也随之由笼统注水逐步调整为分层注水（图2）。

图2 注水井地面流程和井下管柱示意

2 嘴流规律与注水实践

2.1 嘴流规律

嘴流（图3）是指通过油嘴的流动，在液体穿过油嘴、井下安全阀、井下节流器这些节点时，节点前的压力p1与节点后的压力p2存在压差。

图3 嘴流示意图

嘴流条件下气体或液体流经油嘴的流量G与油嘴前后的压力比p2／p1存在关系（图4）。

图4 流量G与压力比p2／p1关系曲线

当p1＝p2时，则G＝0。在曲线ab段上，当压力比p2／p1逐渐减小时，流量G逐渐增加。但当流量G增加到某一定值（最大值）时，继续减小压力比，流量并不增加，而是保持定值，如直线段bc所示。

2.2 在注水实践中反向理解嘴流规律

注水井现场存在类似“油嘴”作用的工具，“水嘴”、“闸门”常用于调整节点前后的压力和流量。与流经油嘴的流体运动方向相反，注水过程是从地面将流体泵入地层，在注水实践中必须反向理解嘴流规律：

1）对于配水间闸门开启程度不变时：降低干线压力，将导致闸门前后压力比p2／p1上升，引起日注水量下降。

2）对于同一口注水井：从嘴流关系曲线ab段可以看出随着p2／p1增加，曲线的斜率不断增加，说明随着干线压力降低，单位压力变量将引起越多的注水量下降。

3）对于不同启动压力的注水井：在算式p2／p1中，当p1降低相同数值时，p2越大，p2／p1的比值变化越大，说明降低干线压力将引起启动压力高的注水井日注水量明显下降，而对启动压力低的注水井日注水量影响相对小。

在注水井管理中，因为泵压、干线压力波动或瞬时排量调整不当，引起高启动压力注水井欠注严重，低启动压力注水井超注严重，在此得到充分解释。

3 确定吸水指数和启动压力

江汉油区生产现场常用投捞分层测试方法得到注水井指示曲线（图5）。

图5 某注水井分层指示曲线

分层注水指示曲线是注水层段注入压力与注入量的相关曲线。在注水正常的情况下，通过投捞分层测试能够绘制直线型指示曲线，它反映油层吸水量与注入压力成正比；直线斜率的倒数即为吸水指数。指示曲线与纵坐标的交点对应的压力即为启动压力。

4 嘴流规律在注水井现场的应用

4.1 应用之一：落实注水井配注

4.1.1 某注水站现场情况

在某注水站东北方向先后投注4口注水井（图1）。投注时间先后顺序依次是：注水井1、注水井2、注水井3、注水井4。由于管网设计过程中只考虑管线承压能力、供水能力、投资成本，未考虑管理中可能遇到的实际操作困难，采用枝状管网模式铺设地面管线。在四口注水井依次投注后，注水井1、注水井4的日注入量频繁出现超注，而注水井3的日注入量却一直处于欠注状态。井区内油井或是高产液高含水，或是低含水低产液，井区日产油量持续低迷。

井组动态分析指出造成上述情况的原因在于注水井配注未能落实。经过现场核实发现三个现象：

1）四口注水井空间距离不大，但受道路制约，依次巡回检查一次在路上将耗费大量时间；由于瞬时排量调节难度大，职工在每口井需要停留数十分钟调节闸门，并且调节后无法同时读取单井瞬时排量。

2）启动压力由高至低的顺序是：注水井3、注水井2、注水井1、注水井4。注水站在供水时仅参考井区日配注量、瞬时排量作为调节指标，没有注意干线压力与注水井3的启动压力基本持平。一旦某低启动压力注水井由于调节不当超过配注上限，会造成整条干线的注水压力下降，导致注水井3完全注不进水。

3）注水井3的吸水指数最小，吸水能力最差；即使干线压力大幅度提高，该井瞬时排量也只是小幅度上升。

4.1.2 解决办法：高启动压力注水井优先配注

生产现场通常采用高压闸门调节瞬时排量，在闸门工况完好的情况下，闸门的开启程度在完全闭合与完全开启之间可以连续调节。可以将闸门的开启程度理解为对“水嘴”大小的调整。结合嘴流规律可知，在干线压力相同的情况下，注水井启动压力越高，完成配注难度越大。

用 Q1、Q2、Q3、Q4分别表示注水井1、注水井2、注水井3、注水井4的日配注量。制定如下操作步骤：

1）通知注水站停泵，再将干线上四口注水井全部停注，即完全关闭所有注水井配水间闸门。

2）注水井3配水间闸门完全开启，通知注水站启泵供水，直至干线瞬时排量达到干线上四口注水井日配注量总和平均分配至24小时得到的瞬时排量，并保持干线瞬时排量在规定的范围。

3）缓慢开启注水井2配水间闸门，按Q2与Q3的比例将干线瞬时排量分配给注水井2。

4）缓慢开启注水井1配水间闸门，按 Q1与 （Q3＋Q2）的比例将干线瞬时排量分配给注水井1。

5）缓慢开启注水井4配水间闸门，直至瞬时排量符合该井日配注要求的范围。

结合嘴流规律可知，当注水站供水量保持稳定，后续的步骤对已开启的注水井瞬时排量影响将越来越小。由多次现场实践验证，在完成上述步骤后，巡检人员不必逐一返回之前已开注的注水井检查瞬时排量。只需要按正常巡回检查周期，对干线上所有注水井瞬时排量进行微调，即可符合配注要求。

4.2 应用之二：注水井管网设计

4.2.1 为控制成本设计的管网存在不足

前面的操作步骤虽然能实现各注水井完成配注的目的，但是由于低启动压力注水井的配水间闸门开启程度非常小，干线压力与井口油压之间存在很大压差。

完成相同日注水量，闸门开启程度越小，即通道截面积越小，流体流经闸门的速度越大，注水一段时间后，闸门闸板即被刺坏，导致闸门无法完全关闭，注水井无法关井；当低启动压力注水井配注量下调或调整为周期注水，势必出现低启动压力注水井超注。而频繁更换存在故障的高压闸门不仅影响注水时率，还引起成本上升，与最初的管网设计目标相悖。

4.2.2 解决办法：优化现有管网

考虑到单井吸水能力差异，为了彻底解决上述问题，需要对管网进行优化。从实测指示曲线可以看出注水井3的启动压力远高于其余三口注水井。高启动压力是引起上述问题的关键因素，所以注水井3应该独立铺设注水管线（图6）。

图6 优化后的注水管网

经过管网优化，虽然注水井3的启动压力、吸水指数均未变化，但是对于注水井3的调节在注水站即可完成，有效降低职工操作难度，避免低启动压力注水井瞬时排量波动对注水井3的干扰，进而消除低启动压力注水井配水间闸门刺坏所引起的成本上升。

当然还可以通过酸化、压裂工艺技术改善注水井吸水能力，由于不在本文讨论的范围，在此不作表述。同时盲目进行储存改造，可能造成无法预计的结果，需要谨慎决策。

5 结论

对嘴流规律的反向理解，可以指导注水井现场的管理工作，从注水井管网设计到落实注水井配注，均有理可依。结合嘴流规律进行注水实践，能降低现场操作难度，提高工作效率。

注水管网设计之初应结合现场投捞测试所取得的资料，预测注水井工作状况，有针对性进行管网设计，能避免重复建设，实现经济效益目标。

［1］张琪.采油工程原理与设计［M］.山东东营：石油大学出版社，2000.