自源闭式注水技术探索与应用

马喜超，余 潞，沙吉乐，黄泽超，张 磊，郭沛文

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452）

图1 自源闭式分层注水管柱组成Fig.1 Composition of self-sourced closed layered water injection string

目前海上油田开发已经全面进入中后期开发阶段，渤海油田利用注水技术补充地层能量已经实施20余年。南海油田开发较晚，在开发初期，其边底水能量充足，在开发初期采用自喷、电泵生产，未进行水驱开发，在油田整体开发方案阶段未考虑水驱开发，地面未配备注水设备。随着开发过程深入，地层能量逐渐出现亏空，需要及时地补充地层能量。为解决地面没有配套注水设备的现状，开发出一种就地利用近源天然水层在井下闭式环境实施人工注水的工艺方案[1-5]，实现自源闭式注水，为南海油田开发解决了无地面注水设施又急需补充地层能量的问题，有效地补充地层能量，实现了高效开发[6-8]。

1 自源闭式注水工艺组成

1.1 管柱组成

自源闭式注水工艺管柱由滑套、电潜泵、双层油管、测调工作筒等系统组成。电潜泵采用宽频高扬程设计，采出地下水源层位水进行增压，为井下注水提供注水压力，同时通过泵频的改变，实现变流量注入，从而满足油藏开发需求。循环滑套位于顶部封隔器上方，其目的是实现循环压井，从而控制注水路开关。利用双层油管，实现采水、注水两条独立的通道，从而实现分层注水。双管边测边调工作筒，实现水嘴开度调节从而实现分层配注。调配时，下入测调仪器，通过测调仪器实现注水量的边测边调，从而有效地保障调配成功率。

图2 双管式边测边调工作筒Fig.2 Double-tube type working cylinder while measuring and adjusting

1.2 工作原理

返排：管柱下入到位后，为缓解修井液对近井地带早层的污染，需要对井液进行返排，通过堵塞器下入到Y接头部分，将中心通道关闭，地层产出液通过电潜泵增压，举升至地面，从而实现返排功能。

正常注水：管柱下入到位后，水源层水通过双层油管的环空通过双管定位密封装置，到达油套环空内部，通过电潜泵增压，增压后回注水进入双层油管内部空间，通过双管边测边调工作筒实现分层注入。

分层调配：将中心通道堵塞器全部捞出，下入边测边调测调仪，对双管边测边调工作筒进行调配。调配过程中，可以实时地对分层注水量进行直读，利用一趟钢丝作业，可以实现多层的调控。

1.3 工艺特点

1）不动管柱返排等工况下，闭式注水工艺难题。

2）宽频高扬程设计+可视化在线调配实现分层注水，调控效率高。

3）不动管柱实现了地层酸化、示踪剂注入等功能，提高措施效率。

2 自源闭式注水工艺关键工具

自源闭式注水工艺由双管式边测边调工作筒、测调仪器、双层油管等关键工具组成。双管式边测边调工作筒用于分层注水，同时实现层间过流。测调仪器实现工作筒注入量的调节，双层油管建立换空通道，实现了采水、注水通道。

2.1 双管式边测边调工作筒

1）工具组成

双管边测边调工作筒由测调仪器定位台阶、测调仪器防转槽、调节套、水嘴内套、水嘴外套、桥式通道等结构组成。

2）工作原理

双管边测边调工作与双管配合，其主要设计目的是实现内层管内注入水进入地层，同时保障内管和外管之间的过流通道保持独立。因此，在常规边侧边调工作筒的基础上增加了外层管结构，延续引用了常规边测边调工作筒的测调仪器定位台阶、测调仪器防转槽、调节套等结构。同时在水嘴处设置结构，将内层水嘴直接与外部通道相连，实现中心管注入水直接进入地层。同时在水嘴侧面设置有桥式通道结构，保障内外层管通道的独立，从而形成独立的注水通道。

3）工具特点

①为保障在热水驱环境下工作筒的可靠性，对工具密封结构进行优化，优选Balseal动密封结构，满足150℃高温，60MPa高压作业环境，确保高温高压环境下的双向密封，并降低调节扭矩。

②针对水嘴结构，优选氮化硅陶瓷水嘴，满足冲蚀条件的同时，满足后续酸化、调驱作业要求。

③在水嘴下部添加动密封防护结构，防止动密封部件被流体高速冲击，冲出密封槽。

4）工具关键参数

单层最大排量800m3/d，外径148mm，内径46mm，长度1340mm，耐压60MPa，耐温150℃。

2.2 测调仪器

1）工具组成

图3所示，测调仪器结构组成包括：防过载电缆头，外磁电磁流量计，压力、温度传感器，控制、测量模块，变速控制伺服电机，收、放位置检测传感器，角度传感器，支撑执行机构，同心调节执行机构，加重连接头。

图3 测调仪器结构图Fig.3 Structure diagram of measuring and adjusting instrument

导向调节部分决定仪器和桥式双层边测边调工作筒的对接位置，确保调节爪和桥式同心配水器的调节部分可靠挂接，与双层边测边调工作筒的防转槽配合，防止仪器在调节过程反方向转动，调节爪主要作用是和双层边测边调工作筒的调节部分配合，实现工作筒的正负调节和脱扣。

2）工作原理

调节机构工作原理：测调仪支撑臂由导入笔尖定位，调节爪与双层边测边调工作筒调节结构配合。当测调仪调节爪正旋时，带动工作筒内调节机构转动，调节机构由于螺纹结构作用带动工作筒内层套管往下移动，阀内、外套间环空间隙减小，流量减小，此为正调；当测调仪调节爪反旋时，带动工作筒内调节机构转动，调节机构由于螺纹结构作用带动工作筒内层套管往上移动，阀内、外套间环空间隙增大，流量增大，此为反调。

图4 双层油罐结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of the double-layer oil tank

流量测试原理：流量测量采用注水油管中心流速式外磁电磁流量计，依据法拉第电磁感应定律，即导电性液体在油管中切割电磁流量计的磁力线时产生感应电动势，其感应电动势与导电液体流速、磁感应强度、导体宽度成正比。该感应电动势由电磁流量计管壁上的两对电极检测到，通过运算就可以得到流量。

3）工具特点

①开发适用于闭式注水环境下的可视化在线测调技术，调配误差＜2%。

②一趟电缆作业，无需反复投捞。

③可任意调节任意一级工作筒，不影响其它级正常注水。

④数据直接读取，实现地面测调同步，测调效率和配注精度高。

⑤攻克了地热水驱所需高温高压分层注水的技术难题，耐温150℃，耐压60MPa。

4）关键参数

外径42mm，长度1650mm，流量测试范围50m3/d～1200m3/d，耐温等级150℃，耐压等级60MPa。

2.3 双层油管

双层油管是工艺的重要组成部分，通过双层油管实现了采水、注水独立通道，从而实现了闭式环境下的分层注水工艺。双层管式油管采油“4.5″套管+2-7/8″油管”组合：内管过流直径59mm，环空当量过流直径69.1mm，最小当量过流直径53.5mm，双层管式油管内管最大排量1800m3/d，双层管式油管环空最大排量1500m3/d。

3 现场应用

南海M油田目前进入开发中后期阶段，长期大排量开发导致地层能量补充慢，供液不足，需尽快补充能量，同时地面没有配套注水设备，井槽紧张。针对以上问题，2020年9月在M油田的A20井成功实施闭式分层注水工艺，依据油藏需求及各注水层吸水能力情况，以优先保障韩江2-21层配注为调配目标，将韩江2-21层、韩江2-22A层水嘴全开，调配韩江2-15层、韩江2-17层水嘴，最终调配结果基本达到油藏配注要求，实现了自源闭式工艺的可视化分层注水。地层压力整体回升约3MPa，地层压力水平从最低的59%提升到71%，受效井日产油从60桶/天逐渐增加至170桶/天，增油量超过100桶/天；含水从98.3%逐渐降低至95.1%，含水降低3.2%，受效明显。

表1 M油田A20井分层注水调配结果Table 1 The results of layered water injection in Well A20 in M Oilfield

4 结论

1）形成了自源闭式注水技术及配套管柱工艺、工具，解决了地面无注水设备平台注水问题，补充地层能量，提高水驱开发效率。

2）形成了适用于闭式注水的转向分流工具、可视化测调技术等系列工具，有效解决了闭式注水工艺注采通道转向、精细化注水等难题。

3）通过海上现场实施，有效地对地层能量进行了补充，保障开发效果。自源闭式注水工艺技术，为海上油田开发提供经济、高效、低碳的水驱开发解决方案。