Downhole Constant-Flow Stratified Water Injection Technology with Concentric Bridge
-
摘要:
低渗透油藏分层注水合格率受压力波动等因素影响下降快，针对这一问题，设计了井下小体积水嘴自调节机构，将其集成于桥式同心井下恒流分层配水器，以缓解压力波动导致的分层注水量不稳定问题。基于伯努利方程，在理论分析及室内试验的基础上，设计了水嘴自调节机构，以达到井下小流量分层恒流注水目的。室内试验可知，自调节机构可在注入压力0.2～1.5 MPa范围内实现调节。采用水嘴自调节机构形成的桥式同心井下恒流分层注水技术，已在长庆油田低渗透油藏应用40余井次，实现了注入压力上升1.5 MPa以内不需人工干预、自动调节分层注水量至配注合格。长庆油田现场应用表明，桥式同心井下恒流分层注水技术可将6个月后分层注水合格率由常规分层注水的43.4%提高至75.0%，可将测调频次由常规分层注水的4次/年优化为2次/年，并延长分层注井测调周期，单井作业费用降低2.6万元/年。桥式同心井下恒流分层注水技术，为低渗透油藏精细注水开发提供了更高效的分层注水手段。
Abstract:In view of the problem that downhole pressure fluctuations cause the qualified rate of stratified water injection to drop rapidly in low permeability reservoirs, a downhole small-volume water nozzle was designed with a self-adjusting mechanism. It was then integrated into the downhole constant-flow stratified water distributor using a concentric bridge, which would minimize pressure fluctuation-triggered stratified flow variations. On the basis of the Bernoulli principle, with theoretical analysis and laboratory experiment, a self-adjusting mechanism was designed to achieve the stratified and constant flow water injection with small flow rate. According to laboratory experiments, the self-adjusting mechanism can be adjusted within an injection pressure range of 0.2−1.5 MPa. Adopting the water nozzle mechanism, the downhole constant-flow stratified water injection technology with concentric bridge has been applied in more than 40 wells in the low permeability reservoirs of Changqing Oilfield. It is possible to achieve an increase of injection pressure rise by 1.5 MPa without manual intervention, and the stratified flow adjusted automatically until the injection is qualified. The field application in Changqing Oilfield showed that the technology could increase the qualified rate of stratified water injection from 43.4% to 75.0% within 6 months and reduce the testing and adjusting frequency from 4 times to 2 times per year. It can also prolong the testing and adjusting period of the involved wells so that the annual operation expenses for a single well can be reduced by 26 000 yuan.The stratified water injection technology proposed has provided an efficient stratified water injection method for fine water injection development in low permeability reservoirs.
-
精细分层注水可有效缓解油藏层间、层内非均质性导致的纵向水驱不均难题，大幅提高油藏水驱采收率，是国内外最经济、最有效的水驱稳产手段。截至目前，国内已发展形成了固定式分注、偏心分注和桥式分注等分层注水技术，满足了直井、定向井精细分层注水的要求，已规模化应用6万余口井[1-7]。但应用分层注水技术时，测调周期内水嘴的开度是固定的，当注水压力波动时，分层注水量变化幅度大，尤其在低渗透油藏小注水量分注时尤为突出[8-10]。长庆油田低渗透油藏目前就存在分层注水合格率受压力波动等因素影响而下降快的问题。对于该问题，缩短测调周期可在一定程度上改善，但测调费用会大幅升高，严重影响了分层注水的经济性[9]。为了解决长庆油田低渗透油藏分层注水合格率受压力波动等因素影响大的问题，笔者分析了井下恒流控制原理，设计了井下小体积水嘴自调节机构，将其集成于桥式同心井下恒流分层配水器，以缓解压力波动导致的分层注水量不稳定的问题，并基于此形成了桥式同心井下恒流分层注水技术。该技术在长庆油田应用40余井次，提高了分层注水合格率，延长了测调周期，降低了测调费用，取得了很好的综合应用效果。
1. 井下恒流控制原理
依据伯努利方程[11]，对水嘴的水力学特性进行了分析。水嘴流量可表示为：
Q=CdA√2Δpρ (1) 式中：Q为水嘴流量，m3/d；Cd为流量系数；A为水嘴开度面积，m2；Δp为水嘴前后压差，MPa；ρ为注入水密度，kg/m3。
由式（1）可知，注水过程中，注入水密度ρ、流量系数Cd为定值，水嘴调节周期内水嘴开度面积A也为定值，要使水嘴流量Q相对恒定，需控制水嘴前后压差Δp的变化幅度。
基于式（1），设计了控制井下恒流的自调节机构（见图1）：p1为进液口前（减压前）的压力，p2为经自调节机构过流通道后（减压后）的压力，通过侧向导压通道将压力p2导向自调节机构的大圆柱下端和小圆柱上端，经过人工调节水嘴流出，出液口外（节流后）的压力为p3，与自调节机构大圆柱上端的弹簧腔相通（Fs为弹簧弹力，N）。其控制原理：自调节机构中平衡弹簧产生附加压力Δp'（Δp'=p2－p3），使水嘴前后实际压差变为Δp+Δp'，抵消注水压力增量，来控制水嘴流量Q使之保持平稳，即通过自动调节Δp'来确保流量恒定不变。
2. 关键结构设计
桥式同心井下恒流分层注水工具主要由验封测调一体化仪器、桥式同心井下恒流配水器组成。其中，验封测调一体化仪器是成熟工具。因此，桥式同心井下恒流配水器是该技术的核心部分，需要实现恒流组件的小型化设计及小流量恒流控制。
2.1 井下恒流配水器的结构
考虑配水器本体空间限制、自调节机构调节启动压差等因素，井下恒流配水器采用同心齿轮啮合调节机构。即通过调节大齿轮带动传动齿轮副旋转，传动齿轮副带动调节水嘴阀芯运动，来调节配水器水嘴开度。配水器本体内设计自调节机构，置于中心通道与节流组件之间，建立分层水流通道。
井下恒流配水器主要由上接头、定位筒、外护筒、本体、节流组件、调节套、下接头、出水口、水嘴阀芯、传动齿轮副、平衡弹簧及自调节机构组成，本体上设计了出水口、自调节机构，节流组件包括水嘴阀芯、传动齿轮副，如图2所示。
![]()
图 2 恒流配水器和节流组件的结构1.上接头；2.定位筒；3.外护筒；4.本体；5.节流组件；6.调节套；7.下接头；8.出水口；9.水嘴阀芯；10.传动齿轮副；11.平衡弹簧；12.自调节机构Figure 2. Structures of constant-flow water distributor and throttling assembly2.2 井下小体积水嘴自调节机构设计
自调节机构需满足小型化及恒流调节控制要求。为此，进行了如下设计：配水器外径0.114 m，最大内通径0.046 m，按照配水器承压60 MPa、抗拉强度550 kN，配水器本体上自调节机构的环空间隙0.018 m，考虑密封胶圈安装，将自调节机构的最大外径设置为0.017 m，机构上端、下端用胶圈密封；因为平衡弹簧为恒流控制关键，用Δp（Δp=p1－p2）在自调节机构端部产生的作用力平衡弹簧压缩；过流面设计为矩形，长度0.004～0.009 m，承压移动距离0.006 m，用其平衡弹簧的压缩行程；考虑平衡弹簧的工作环境、压力波动的敏感性、承载压力循环载荷频率等因素，压力波动值设计为0.2～1.5 MPa；弹簧的初始参数：工作行程0.006 m，外径0.015 m，最小载荷39.2 N，最大载荷196.5 N。
假定弹簧预紧安装形变量为0.005 m，最小载荷为39.2 N，压紧形变量为0.011 m，最大载荷为196.5 N，弹簧材料的抗拉强度为1750 MPa，依据力学疲劳公式，求得极限剪切应力为875.0 MPa。同时，求得线径0.002 m弹簧的极限载荷为213.0 N；以弹簧作用10 000次循环应变的疲劳验算，疲劳强度安全系数为1.245，达到设计要求。
3. 室内性能试验
3.1 基础性能试验
由文献[4]可知，桥式同心井下恒流配水器应在25.0 MPa压差下，水嘴密封可靠，满足封隔器坐封要求。同时，常压测调扭矩应小于5.0 N·m，带压测调扭矩应小于18.0 N·m。
3.1.1 配水器密封性试验
将桥式同心井下恒流配水器的水嘴关闭后，安装于密封性测试装置，在内外压差25.0 MPa条件下稳压5.0 min，无压降，密封合格。
3.1.2 调节扭矩试验
在常压条件下，模拟调节仪带动水嘴旋转开关，试验得到测调扭矩为3.0～4.0 N·m，符合测调扭矩小于5.0 N·m的要求。
在内压 20.0 MPa、环空压力18.0 MPa条件下，模拟正常注水时打开水嘴的情况，试验得到扭矩为10.0～14.0 N·m，满足测调扭矩小于18.0 N·m的要求。
3.2 恒流性能试验
为了解桥式同心恒流配水器的恒流性能，设计了恒流试验装置（如图3所示），进行了恒流性能试验。试验分3组进行：1）单配水器恒流恒流性能试验；2）恒流配水器与常规配水器恒流性能对比试验；3）2支恒流配水器相互影响试验。
3.2.1 单配水器恒流性能试验
将1支桥式同心恒流配水器连接于试验装置，设置初始注入压力1.5 MPa，压力上升幅度0.3 MPa，最大注入压力3.6 MPa，出口压力为大气压，试验结果如图4所示。
![]()
图 4 单支恒流配水器恒流性能试验结果Figure 4. Constant-flow performance test of a single constant-flow water distributor由图4可知，压力上升最大幅度2.1 MPa，流量变化7.0%，满足分层注水要求。
3.2.2 恒流配水器与常规配水器恒流性能对比试验
将1支桥式同心恒流配水器与1支常规配水器串联连接于试验装置，设置初始注入压力1.0 MPa，初始流量10.7 m3/d，测试注入压力分别为1.1，1.9和3.6 MPa时2支配水器的流量，结果如图5所示。
![]()
图 5 恒流配水器与常规配水器恒流性能对比试验结果Figure 5. Comparison of test results of constant-flow performance between constant-flow water distributor and conventional water distributor由图5可知：相同压力变化条件下，恒流配水器流量变化小，波动幅度均小于1.07 m3/d；而常规配水器压力波动0.8 MPa时，流量波动达7.28 m3/d。
3.2.3 2支恒流配水器相互影响试验
将2支桥式同心恒流配水器串联连接于试验装置，初始注入压力1.5 MPa，初始流量10.7 m3/d，测试注入压力分别为1.6，2.2和3.2 MPa时2支配水器的流量，结果如图6所示。
![]()
图 6 不同压力波动下恒流配水器间影响试验结果Figure 6. Influence test of constant-flow water distributor under different pressure fluctuations由图6可知：配水器间流量差小于0.107 m3/d，恒流配水器间的相互影响较小；压力波动1.7 MPa时，流量波动0.715 m3/d，误差仅6.6%。
上述试验结果表明，桥式同心恒流配水器能够有效缓解压力波动导致的流量变化，从而延长分层注水有效期。
4. 现场应用
以上述水嘴自调节机构为核心的桥式同心井下恒流分层注水技术，在长庆油田的南梁、环江、华庆等区块已应用40余井次，配套测试100 余井次，单层配注量5.0～10.0 m3/d，系统压力在0.5～1.5 MPa波动，6个月后分注合格率75.0%，预计单井年可减少人工测调2井次，节约测试成本2.6万元。应用结果表明，该技术可以解决压力波动导致的分层注水合格率下降问题，进一步提高分层注水的适应性、减少现场作业频次，实现分层注水提质增效。
以3口井（H553-57井、H480-52井和H480-50井）为例，分析具体应用情况，并与一口未应用该技术的邻井（H553-59井）进行了对比，结果见表1。
表 1 桥式同心恒流分层注水技术3口应用井与邻井的对比Table 1. Cmparison of three wells used constant-flow stratified water injection technology with concentric bridge and adjacent wells井别 井号 井深/m 井斜角/（°） 层数 配注量/
（m3·d−1）调后实注量/
（m3·d−1）3个月实注量/
（m3·d−1）6个月实注量/
（m3·d−1）应用井 H553-57 2 534 22.6 2 10.0 9.8 9.7 10.2 10.0 10.6 11.8 11.5 H480-52 2 095 24.1 2 5.0 4.9 5.2 4.9 5.0 5.1 4.6 4.2 H480-50 2 145 32.8 2 5.0 5.1 5.2 5.1 5.0 5.2 5.4 4.9 邻井 H553-59 2 435 19.8 2 8.0 7.9 6.3 4.4 7.0 7.0 8.8 9.5 从表1可以看出：3口应用井均验封合格，测调后分层流量满足长庆油田测调误差不高于10%的要求，6个月后实注量与配注量误差在2%～15%，满足长庆油田配注误差不高于20%的要求；邻井H553-59井虽然调后分层流量满足长庆油田测调误差不高于10%的要求，但3个月后上、下层实注量与配注量误差分别为21.3%和25.7%，已不满足长庆油田配注误差不高于20%的要求。
连续测试了应用井H553-57井9个月的实注量，结果如图7所示。
从图7可以看出，H553-57井上下两层6个月的实注量与配注量误差在2%～15%，满足配注误差不高于20%的要求，说明采用桥式同心井下恒流分层注水技术可将测调周期由3个月延长至6个月，测调频次可由4次/年减少至2次/年。
5. 结论与建议
1）设计了恒流自调节机构，集成在桥式同心配水器内，注水压力自动调节范围0.2～1.5 MPa，实现了井下分层注水量恒流调节。
2）以井下小体积水嘴自调节机构为核心的桥式同心井下恒流分层注水技术，在低渗透油藏分层注水效果良好，6个月后分层注水合格率可保持75.0%，可有效延长测调周期，实现分层注水提质增效。
3）桥式同心井下恒流分层注水技术通过机械方式实现恒流调控，受注水工具空间限制，水嘴无法全行程自动开关，存在一定卡堵风险。建议进一步研究井下电动控制方式，提高自动化控制水平。
-
![]()
图 2 恒流配水器和节流组件的结构
1.上接头；2.定位筒；3.外护筒；4.本体；5.节流组件；6.调节套；7.下接头；8.出水口；9.水嘴阀芯；10.传动齿轮副；11.平衡弹簧；12.自调节机构
Figure 2. Structures of constant-flow water distributor and throttling assembly
![]()
图 4 单支恒流配水器恒流性能试验结果
Figure 4. Constant-flow performance test of a single constant-flow water distributor
![]()
图 5 恒流配水器与常规配水器恒流性能对比试验结果
Figure 5. Comparison of test results of constant-flow performance between constant-flow water distributor and conventional water distributor
![]()
图 6 不同压力波动下恒流配水器间影响试验结果
Figure 6. Influence test of constant-flow water distributor under different pressure fluctuations
表 1 桥式同心恒流分层注水技术3口应用井与邻井的对比
Table 1 Cmparison of three wells used constant-flow stratified water injection technology with concentric bridge and adjacent wells
井别 井号 井深/m 井斜角/（°） 层数 配注量/
（m3·d−1）调后实注量/
（m3·d−1）3个月实注量/
（m3·d−1）6个月实注量/
（m3·d−1）应用井 H553-57 2 534 22.6 2 10.0 9.8 9.7 10.2 10.0 10.6 11.8 11.5 H480-52 2 095 24.1 2 5.0 4.9 5.2 4.9 5.0 5.1 4.6 4.2 H480-50 2 145 32.8 2 5.0 5.1 5.2 5.1 5.0 5.2 5.4 4.9 邻井 H553-59 2 435 19.8 2 8.0 7.9 6.3 4.4 7.0 7.0 8.8 9.5 
下载: 导出CSV
-
[1] 刘合,裴晓含,罗凯,等. 中国油气田开发分层注水工艺技术现状与发展趋势[J]. 石油勘探与开发,2013,40(6):733–737. doi: 10.11698/PED.2013.06.13 LIU He, PEI Xiaohan, LUO Kai, et al. Current status and trend of separated layer water flooding in China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(6): 733–737. doi: 10.11698/PED.2013.06.13
[2] 于九政,巨亚锋,郭方元. 桥式同心分层注水工艺的研究与试验[J]. 石油钻采工艺,2015,37(5):92–94. YU Jiuzheng, JU Yafeng, GUO Fangyuan. Research and experiment on bridge concentric separated layer water injection technology[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37(5): 92–94.
[3] 杨玲智,刘延青,胡改星,等. 长庆油田同心验封测调一体化分层注水技术[J]. 石油钻探技术,2020,48(2):113–117. doi: 10.11911/syztjs.2020023 YANG Lingzhi, LIU Yanqing, HU Gaixing, et al. Stratified water injection technology of concentric seal-check, logging and adjustment integration in Changqing Oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2020, 48(2): 113–117. doi: 10.11911/syztjs.2020023
[4] 叶勤友,刘亚珍,孙伟,等. 智能化多管分层注水技术研究与应用[J]. 石油机械,2021,49(6):82–87. YE Qinyou, LIU Yazhen, SUN Wei, et al. Research of intelligent multi-pipe separate zone injection technology[J]. China Petroleum Machinery, 2021, 49(6): 82–87.
[5] 刘红兰. 胜利海上油田安全可控长效分层注水技术[J]. 石油钻探技术,2019,47(1):83–89. doi: 10.11911/syztjs.2018149 LIU Honglan. Safe and controllable long-term layered water injection technology for the Shengli offshore oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2019, 47(1): 83–89. doi: 10.11911/syztjs.2018149
[6] 贾贻勇,李永康. 胜坨油田套损井分层注水及测调技术[J]. 石油钻探技术,2021,49(2):107–112. doi: 10.11911/syztjs.2020137 JIA Yiyong, LI Yongkang. Techniques of layering injection and the measurement-adjustment towards wells with casing damage in Shengtuo Oilfield[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2021, 49(2): 107–112. doi: 10.11911/syztjs.2020137
[7] 徐兴安,张凤辉,杨万有,等. 注水井高效测调一体化技术研究与应用[J]. 石油机械,2020,48(8):43–49. XU Xing’an, ZHANG Fenghui, YANG Wanyou, et al. Integrated high efficient testing and adjustment technology for water injection wells[J]. China Petroleum Machinery, 2020, 48(8): 43–49.
[8] 刘红兰. 分层注水井测调一体化新技术[J]. 石油钻探技术,2018,46(1):83–89. LIU Honglan. A new integrated measuring and adjusting technology of separate layer water injection well[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(1): 83–89.
[9] 刘义刚,孟祥海,张志熊,等. 海上油田小井眼分注井测调一体化工艺研究[J]. 石油机械,2021,49(3):90–94. LIU Yigang, MENG Xianghai, ZHANG Zhixiong, et al. Study on the integrated measurement and adjustment technology for slim hole separate injection wells in offshore oilfield[J]. China Petroleum Machinery, 2021, 49(3): 90–94.
[10] 杨玲智,于九政,王子建,等. 桥式同心分层压降测试仪器研制与试验[J]. 石油机械,2017,45(6):96–98. YANG Lingzhi, YU Jiuzheng, WANG Zijian, et al. Development and test of bridge concentric separate layer pressure testing device[J]. China Petroleum Machinery, 2017, 45(6): 96–98.
[11] 丁晓芳. 井下空心恒流量配水技术研究[J]. 石油机械,2009,37(11):68–71. DING Xiaofang. Research on the borehole hollow constant flow water distribution technology[J]. China Petroleum Machinery, 2009, 37(11): 68–71.
-
期刊类型引用(10)
1. 刘刚，李海峰，阿守燕，赵艳，高腾飞. 延长油田井下分层注水管柱双通道流量智能调节方法. 自动化与仪器仪表. 2025(02): 121-125 . 
百度学术
2. 刘国振，崔宇，丁鹏飞，张智，杨昆. 稠油水驱注采管柱极限寿命预测与安全管控. 石油机械. 2024(02): 130-140 . 百度学术
3. 周军，史叶，梁光川，彭操. 分时电价下油田分压周期注水优化研究. 石油钻探技术. 2024(03): 106-111 . 本站查看
4. 范春高，刘汉东. 基于桥式同心分层注水技术在油田采油应用研究. 石化技术. 2024(06): 214-216+294 . 百度学术
5. 周鹏，董越，刘冠华，郭卫民. 桥式同心分层注水技术对提高采收率的影响分析. 当代化工. 2024(12): 2893-2897 . 百度学术
6. 周鹏，董越，刘冠华，郭卫民. 桥式同心分层注水技术对提高采收率的影响分析. 当代化工. 2024(12): 2893-2897 . 百度学术
7. 鲁义攀，魏勇，陈强，刘国权，刘杰. 基于热传导时域积分的井下流量测量方法. 石油钻探技术. 2023(01): 106-114 . 本站查看
8. 王涛，李尧，何辉. 考虑压力约束的精细分层注水耦合调配模型. 石油钻探技术. 2023(02): 95-101 . 本站查看
9. 杜康，刘永国，郭萍，陈志刚，慕进升，黄凯，王琛. 基于核磁共振技术评价气田采出水对地层的伤害机理. 工业水处理. 2023(05): 149-157 . 百度学术
10. 赵洪绪，柴世超，毛敏，于伟强，李金泽，李庆庆，刘均荣. 基于长短期记忆神经网络模型的分层注水优化方法. 中国海上油气. 2023(04): 127-137 . 百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 302
- HTML全文浏览量: 109
- PDF下载量: 43
- 被引次数: 11
