论文关键词：分层注水 吸水能力 注水管柱 封隔器 配水器
论文摘要 ：我国大部分油田都是非均质多油层砂岩油藏，各类油层在层间、平面内有很大的差异性，通过分不同的开发层系，每口井仍有几个或十几个小层进行开采，各层之间的渗透率仍然存在较大差异，这些差异对注水开发效果有很大影响。有油田物性差异、层内矛盾、层间矛盾十分突出，注水过程中的单层突进和舌进现象十分明显，导致注入水推进不均匀。因此分层注水就显得非常必要。
经过近年来的实践开发，注水工艺已经形成为一套行之有效的方法。在本文的开始，详细的介绍了注水井吸水能力差异原因和几种常用的测试方法以及影响它的一些因素。接着是对注水指示曲线的分析和研究应用。通过对全国各油田的的实践，得出了实现分层注水的几种方法。井下工具部分详细介绍了注水管柱及其配套的工具。
ABSTRACT ：Wholly right and wrong all much oil layers of character sandstone oil deposits in best oil field of our country ,there is very great divergence inner place different type of oil layer is living between the straturm and the plane ,fastens on the development straturm by means of the branch difference ,per mouthful of well yet possess several either tens little straturms to extract .osmosis leading between every straturm yet is greatter divergence ,these divergence adjust to pour water into to be opened up effect to possess the very great effect .Possess oil field matter divergence and inner place the straturm spear and shield andcontradictorily fully stress between the straturm Pours water into in the process single tier advances suddenly and the tongue that to move forward the appearance fully obvious ,cause emptying into water to carry forward ununiformly .The layeringseem very much indispensable hence being poured water into .
The course practice development in the past few years .The technology poured water into has takeed shape in the interest of one suit of effectual means .In the original beginning ,detailed introduction is poured water into , and water power force divergence reason and some kinds of quiz means in common use along with effect its some elements are breathed in to the well .Next is adjusting to pour water into instruction curve analysis and research application .The nationwide every oil field the practice summing-up by means of adjust .obtain some kinds of meanss that the realization layering was poured water into .
Keywords: Layering is poured water into, Breathe in water power force, the tube of pour water into, excluder, bottom hole regulator
前 言
目前，虽然油田注水已不是油田开发研究中的新鲜课题，但对油田分层注水工艺的研究还是非常必要的。在油田开发当中，由于三大矛盾的存在，到油田开发后期，采收率会急剧下降，产量降低。为了解决这一难题，世界大部分油田都采用注水的方式来提高产量，增加油田的效益。
在我国也不例外。大庆油田是我国第一次实现早期内部分层注水、保持油层压力采油的油田。在二十多年来的开发实践中，形成了以分层注水为中心的一整套工艺技术，使油田获得了良好的开发效果。注水是保持油层压力，实现油田高产稳产和改善油田开发效果的有效方法。
分层注水就是在同一口注水井中，利用封隔器将多油层分隔为若干层段，使之在加强中、低渗透率油层注水的同时，通过调整井下配水嘴的节流损失，降低注水压差，对高渗透率油层进行控制注水，以此调节不同渗透率油层吸水量的差异。从而达到提高二、三类油藏的水驱动用储量，减缓老油田自然递减的目的。
本文重点研究分层吸水能力的影响因素、测试技术和分层注水井下管柱的分析研究以及分层注水指示曲线的分析研究。
1注水井吸水能力差异原因分析和测试技术
1.1吸水能力差异原因分析
1.1.1影响吸水能力的因素
（1）与注水井井下作业及注水井操作等有关的因素。主要包括：进行作业时，因用泥浆压井时泥浆侵入注水层造成堵塞;由于酸化等措施不当或注水操作不平稳而破坏地层岩石结构，造成砂堵；未按规定洗井，井筒不洁净，井内的污物随注入水带入地层造成堵塞。
（2）与水质有关的因素。主要包括：注入水与设备和管线的腐蚀产物(如氢氧化铁及硫化亚铁等)造成的堵塞，以及水在管线内产生的垢（碳酸钙、硫酸钡）等地堵塞;注入水中含有的某些微生物，除了它们自身堵塞作用外，它们的代谢产物也会造成堵塞；注入水中所带的细小泥砂等杂质堵塞地层；注入水中含有在油层内可能
[1]
产生沉淀的不稳定盐类，如注入水中所溶解的重碳酸盐，在注水过程中由于温度和压力的变化，可能在油层中生成碳酸盐沉淀。
（3）组成油层的粘土矿物遇水后发生膨胀。
（4）注水井地层压力上升。 （1）铁的沉淀
在油田注水过程中，注入水在水源、净化站或注水站出口含铁量很低，但经地面管线到达井底的过程中，含铁量逐渐上升。
a氢氧化铁的生成
根据电化学腐蚀原理， 二价铁离子Fe 进入水中，生成氢氧化亚铁Fe(OH) ，注入水中溶解的氧进一步将Fe(OH) 氧化，生成氢氧化铁Fe(OH) 。生成的氢氧化铁，当水的pH值﹥3.3～3.5时，处于胶体质点状态；当pH值接近于6～6。5时，处于凝胶状态；当pH值﹥8.7时，则呈棉絮状的胶体物，特别当pH值﹥4.5以后的氢氧化铁，注入底层后将发生明显的堵塞作用，从而降低吸水能力。
当注入水中含有铁菌时，铁菌的代谢作用也会产生氢氧化铁Fe(OH) 沉淀。水中的铁菌由它周围中吸取二价铁盐和氧，而同时在它的机体内进行近似于下列方程的反应，从而生成氢氧化铁沉淀：
4Fe(HCO ) +2H O+O 4Fe(OH) +8CO
b硫化亚铁沉淀的生成
当注入水中含有硫化氢时，其腐蚀将变得更加严重。硫化氢与电化学腐蚀产生的二价铁作用生成硫化亚铁的黑色沉淀物。即使注入水中没有溶解硫化氢气体，当含有硫酸盐还原菌时，也会由于水中的硫酸根被这种菌还原成硫化氢：
2H +SO +4H H S+4H O
而硫化氢将与二价铁Fe 生成硫化亚铁沉淀。
在一些注水井内排出的水为黑色，并带有臭鸡蛋味就是含有硫化氢和硫化亚铁的缘故。
（2）碳酸盐沉淀
当注入溶解有重碳酸钙、中碳酸镁等不稳定盐类时，注入地层后，由于温度变化，这些溶解盐被析出生成沉淀，堵塞地层孔道，降低吸水能力。
水中游离的二氧化碳、重碳酸根及碳酸根在一定的条件下，保持一定的平衡关系：
CO +H O+CO 2HCO
当注水入地层后，由于温度升高，将使重碳酸盐发生分解，平衡左移，溶解中的碳酸根离子的浓度增大。当水中含有大量的钙离子时，在一定条件下将会有碳酸钙从水中析出，从而造成堵塞。
另外，在水中硫酸盐还原菌的作用下，由下面的反应也会生成白色的碳酸钙沉淀。
Ca + SO + CO +8H CaCO + H S+3H O
（3）细菌堵塞
根据国内外的一些研究表明，注入水中含有的细菌，(如硫酸盐还原菌、铁菌等)在注水系统和地层中进行繁殖将引起地层孔隙的堵塞,使吸水能力降低。这些菌的繁殖除了菌体本身造成地层堵塞外，还由于它们的代谢作用生成的硫化亚铁FeS及氢氧化铁Fe(OH) 沉淀也会堵塞地层。
铁菌与硫酸盐还原菌相反，它离开氧便不能生长和繁殖，但是由于注入水中往往含有氧，因而给它的生长和繁殖造就了一定的条件。
由于注入水中所含有细菌和水一起进入地层会在一定范围内生长繁殖，通过对一些井的发现，带入地层的硫酸盐还原菌按排液量计算的活泼发育半径为3～5m。因此，菌体和代谢产物对地层造成的堵塞不只是在井壁渗滤表面，而且会发生在较深地带。这样，将给解除细菌所造成的堵塞增加一定的困难。
（4）粘土遇水膨胀
砂岩油层均存在着粘土夹层，岩石胶结物中亦含有一定数量的粘土。因此，在注水过程中往往由于粘土遇水膨胀造成堵塞，甚至在井壁处造成岩石崩脱和坍垮。
粘土遇水膨胀的程度与构成土矿物的类别和含量有关。蒙脱石组成的粘土矿物膨胀性最大，而高岭石组成的粘土矿物膨胀性最小。因此，粘土膨胀程度随蒙脱石的含量的增多而增大。此外，粘土膨胀与水的性质也有关，通常清水比盐水更容易使粘土膨胀，所以，注地层水可以减少粘土的膨胀。
由于不同的油田上油层岩石中粘土含量与组成不同，以及注入水性质不同，因此粘土的膨胀程度以及对注水井吸水能力的影响程度也有所不同，有的甚至没有明显影响。
在注水的过程中，根据上述影响吸水能力的因素，找出具体存在的影响吸水能力降低的原因，采取措施加以解决。
为了满足分层采油的需要必须分层注水.在分层注水的井内,必须研究各小层的吸水能力的大小。研究分层吸水能力，主要采用下面的几个指标：
（1）注水井指示曲线 注水井指示曲线是表示在稳定流动情况下，注入压力与注水量之间的关系曲线。在分层注水情况下，小层指示曲线表示各小层注入压力（指经过水嘴后的压力）与小层注水量之间的关系，如图所示。
SHAPE * MERGEFORMAT
图1 注水指示曲线
（2）
[2]
吸水指数 吸水指数是表示在单位压差下的日注水量,单位为米 /(日·千帕)。即：
吸水指数= =
它的大小表示这个地层的吸水能力的好坏，吸水指数大就表示吸水能力好，反之吸水能力差。油田正常生产时，不可能经常关井测注水静压，所以采用测试指示曲线的办法取得在不同流压下的注水量，用下面的式子计算吸水指数：
吸水指数=
在进行不同地层吸水能力对比分析时，需采用“比吸水指数”或称“每米吸水指数”为指标，它是地层吸水指数被地层有效厚度除所得的值，单位为米 /(日·千帕·米)，是表示一米的厚地层在一个大气压的压插差下的日注水量。
（3）视吸水指数 用视吸水指数进行分析时，需在对注水井进行测试取得流压资料后才能进行。在日常分析中，为及时掌握吸水能力的变化情况，常采用视吸水指数为指标表示吸水能力。它是井口压力除日注水量，单位为米 /(日·千帕)。
即： 视吸水指数=
在没有分层注水的情况下，如采用油管注水，则上式中的井口压力取套管压力；若采用套管注水，则上式中的井口压力取油管压力。
在注水井进行层注水时，用分层注水量和 分层注水压力所算得的吸水指数（视吸水指数）为分层吸水指数（分层视吸水指数）。分层吸水指数要通过分层测试；来取得。
（4）相对吸水量 相对吸水量是指在同一注水压力下，某小层吸水量占全井吸水量的百分数。表示为：
相对吸水量= ×100
相对吸水量是用来表示各小层相对吸水能力的指标。有了各小层的相对吸水量，就可以有全井指示曲线绘制出各小层的分层指示，而不必进行分层测试。
目前我国研究分层吸水能力的方法主要有两类，一类是测定注水井的吸水剖面；一类是在注水过程中直接进行分层测试。前者是用各层的相对吸水量来表示分层吸水能力的大小，后者用分层测试整理分层指示曲线。并求得分层的吸水指数，来表示分层吸水能力的好坏。 测吸水剖面就是在一定注入压力下测定沿井筒各射开层段吸收注入量的多少（即分层的吸水量），目的是为了掌握各小层的吸水能力，以作为合理分层配注的依据。下面介绍放射性同位素测吸水剖面的方法。
(1)原理及测量过程
将吸附有放射性同位素（如锌Zn 、银Ag 等）离子的固相载体（如医用骨质活性炭、氢氧化锌或二者的混合物）加入水中，调配成带放射性的活化悬浮液。将悬浮液注入井内后，利用放射性仪器在井筒内沿吸水剖面测量放射性强度。当活化悬浮液注入井内时，与正常注水一样，悬浮液将按井筒剖面原有各层吸水能力按比例进入各层，由于所选择的固相载体颗粒直径稍大于地层孔隙，它就被滤积在岩石表面，而清水进入深处。另外，固相载体又具有牢固的吸附性和能均匀悬浮，所以吸水量大的层，岩层表面滤积的固相载体就多，仪器测得的放射性强度就大，反之，就小。
由于岩层本身就具有不同的自然放射性，为了能根据注入活性悬浮液后的放射性强度的变化来确定分层吸水量，必须在注入活性悬浮液以前先测出岩层本身的自然 曲线作为基线。根据实验研究，注入活化悬浮液前后放射性强度的变化来求得各小层的吸水量。
(2)分层吸水剖面的解释
1.绘制迭合图
首先在透明方格纸上绘出自然伽玛曲线（基线），再将放射性同位素曲线与之迭合，使两条曲线在泥岩段与不吸水井段重迭在一起，组成放射性吸水剖面图。
2确定吸水层位
根据自然伽玛曲线与同位素不重合部分，即曲线异常部分，可确定出吸水层位。
3计算相对吸水量
于岩石本身具有不同的自然放射性，因此利用注同位素前后的两条放射性测井曲线进行对比，注同位素以后所测的曲线上所增加的异常值，就反映了相应的吸水能力。如图2所示，从图中可以看出，自然伽玛曲线与同位素曲线不重合的曲线异常部分，即为吸水层位。由于对应于各层的同位素曲线异常面积（即自然伽玛曲线与同位素曲线为重合部分所包围的面积）与各层吸水量成正比，故可用异常面积来计算分层相对吸水量：
分层相对吸水量= ×100
图2 载体法吸水剖面曲线
采用同位素悬浮液测吸水剖面时应注意以下几个问题：
①要选择合适的固体载体。根据测量原理，为了保证测量质量，吸附放射性离子的固相载体必须能牢固地吸附放射性离子，在整个施工过程中不产生脱附现象；能符合本地区地层特性，不被挤入地层，而能滤积在岩石表面，即颗粒直径应稍大于地层孔喉道直径；固相颗粒均匀，具有良好的悬浮性，以保证在注入水中均匀分布；固相载体带放射性离子的效率要高，用量要小，使它在地层表面滤积后对地层的吸水能力影响小。根据以上要求，国内曾使用的固相载体有医用活性炭、氢氧化锌等。
②由于固相载体滤积在地层表面上，会引起地层吸水能力的下降，吸水量大的层位影响大，故求出的相对吸水量偏低；吸水量小的层位影响小，求得的相对吸水量偏高。根据一些实验研究的成果，用活性炭作为固
[3]
相载体时，对Zn 的载带效率比较低，因而用量较大，有堵塞影响，用氢氧化锌时，载带效率高，用量小，无堵塞影响。但后者下沉速度较前这大。
③曲线对比时，应参考该井其他电射孔和油管记录等资料，以区别由于管外串槽、接箍污染等引起的假异常现象。
④放射性同位素施工时，在人身安全及施工设备上都要有专门的防护措施。
⑤由于施工后岩层的放射性强度很高，短期内不易减弱，因而不能连续多次测吸水剖面。
在油田实际应用中，我们除了使用上述的方法外，还有一种常用的方法是投球测试法。采用投球法分层测试时首先测出全井指示曲线，全井指示曲线一般要测4～5个点，即由大到小控制注水压力，测4～5个不同注入压力和相应的全井注水量。两者的关系曲线即为全井指示曲线。测试压力点的间隔为0.5～1.0MPa，每点压力对应的注水时间，一般需稳定30分左右。
（1）投球测试方法
在测得全井资料后，便开始分层测试，先投小钢球入井并坐在最下一级球座上，这样摆弄堵死了钢球以下的第三层段，开始对第一层和第二层段测试，测出4～5个不同压力下的注水量，每个控制点的注入压力必须全井测试时间相同。一和二层测试完毕，即向井中投入第二个钢球并坐在第二级球座上，将第二、第三层段堵死，对第一层测试，测出4～5个不同压力下的注水量，同样要求每个控制点的注入压力必须全井测试时间相同。
（2）资料的整理
各层注水量的计算:第Ⅰ层注水量=投第二个球后测得的注水量;第Ⅱ层注水量=投第一个球注水量-第Ⅰ层注水量;第Ⅲ层注水量=全井注水量-投第一个球后的注水量.
将全部测试数据整理列表,如下表,由表中数据可绘制出各层段的注水压力与注水量的关系曲线—分层指示曲线.
如某井共三个注水层,投球程序测试如下:
1.测全井注水量(不投球)V = V +V +V
2.投第一个球(封堵第Ⅲ层)后的注水量V : V =V + V
3.投第二个球(封堵第Ⅱ层)后的注水量: V =V
表1 分层测试成果表
①各层注水量计算:第一层注水量:V = V
第二层注水量:V = V -V
底三层注水量: V = V - V - V
②绘制分层指示曲线:分层注入压力～注水量的关系曲线
（3）分层指示曲线的压力校正
由上述方法测出的指示曲线，是井口注入压力与小层吸水量之间的关系曲线。而各子层的真正注入压力并不是井口注入压力，而真正对地层有效的（井口）压力要小于测试时得到的实测井口压力，且在同一注入压力下，由于各子层的水嘴直径不同，也有所不同。
有效（井口）压力可用下式计算：
p =p -p -p -p
式中 p ——实测井口注水压力；
p ——注入水通过油管时的压力损失；
p ——注入水通过嘴时的压力损失；
p ——注入水打开配水器节流时所产生的压力损失；
该公式是在井下配水工具正常时才能使
2．注水指示曲线的分析和研究2.1指示曲线的形状
如前所述，按实测压力绘制的指示曲线，不仅反映油层吸水情况，而且还与井下配水工具的工作状况有关。因此，通过对实测指示曲线的形状及斜率变化的分析，就可以掌握油层吸水能力的变化，分析井下配水工具的工作状况，作为分层配水、管好注水井的重要数据。
如图3：
SHAPE * MERGEFORMAT
图3 几种指示曲线的形状
(1)直线型
它表示油层吸水量与注水压力的正比关系。由注水指示曲线上任取两点（注水压力p 、p 以及相应的注水量q 、q ），用下式可以算出油层的吸水指数I
I=
式中 I——吸水指数，m /（d·MPa）；
由上式可以看出，直线斜率的倒数即为吸水指数。但用指示曲线吸水指数时，应采用真实指示曲线进行计算。
第二种为垂直式指示曲线，出现这种曲线的原因是：油层渗透性差，虽然泵增加，但注水量并没有增加。
第三种为递减式指示曲线，出现的原因是仪表设备等有问题，因此，这种曲线是不正常的，不能应用。
(2)折线型
图3中的第四种曲线是折线，表示在注入压力高到一定程度时，有新油层开始吸水，或是油层产生微小裂缝，致使油层吸水量增加，因此，这种曲线是正常的。
第五种为上翘式，出现上翘的原因，除了与仪表、设备有关外，还与油层性质有关，即当油层条件差、连通性不好或不连通时，注入水不易扩散，使油层压力升高，注入水量逐渐减小，造成指示曲线上翘。
第六种为曲拐式。是因为仪器设备出了问题，不能应用。
综合上述，直线式和折线式是常见的，它反映了井下和油层的客观情况。而垂直式和拐式、递减式则主要受仪器、设备的影响，因此，不能反映注水时井下及油层的客观情况。
2.2用指示曲线分析油层吸水能力的变化
正确的指示曲线可以看出油层吸水能力的
[4]
大小，因而通过对比不同时间内所测得的指示曲线，就可以了解油层吸水能力的变化。以下就几种典型情况进行简要分析。
(1)指示曲线右移，斜率变小
图4 曲线右移
这种变化说明油层吸水能力增强,吸水指数.即在同一注入压力下,原来的注入量为q ,过一段时间后的注入量为q , q ﹥q ,说明在同一注 入压力下注入水量增加了,即油层吸水能力变好了.
设原来的吸水指数为I 则I = =
后来的吸水指数为I I = =
因前后计算I ,I 时采,用同一压差 ,而 ﹥ ,所以I ﹥I ,即吸水指数变大.
(2)指示曲线左移,斜率变大
图5曲线左移
这种变化说明油层吸水能力下降,吸水指数变小。
即：在同一压力p下，注入量由原来的q 下降为q ，曲线靠近纵坐标轴，曲线斜率增大了，由于曲线斜率的倒数为吸水指数，所以曲线左移说明吸水指数变小了。
(3)曲线平行上移
如图6，由于曲线平行上移，斜率未变，故吸水指数未变化，但同一注入量q所需注入压力，却由p 增加到p ，这是因为吸水指数未变，同一注水量必需是同一注水压差，由于署入压力由p 增加到 p 说明曲线平行上移是因油层压力增高了。
（4）曲线平行下移
如图7，曲线平行下移，油层吸水指数未变。但同一注水量所需的注入压力却由p 下降到p ，说明油层压力下降了。
原因：地层亏空（注采比偏小，注入量小于采出的油量，导致地层压力下降）。
以上四种典型的变化原因，一般为油层堵塞，油层压力变化，或进行了增产措施等引起的。
但必须注意：分析油层吸水能力的变化，严格的说，必须用有效压力绘制油层真实指示曲线。如用井口实测的压力绘制指示曲线，必须是在同一管柱结构的情况下所测，而且只能对吸水能力的相对变化。同一注水井在前、后不同管柱所产生的压力损失不同，因此，不能用于对比油层吸水能力的变化，只有校正为有效井口压力绘制真实指示曲线后，才能对比分析油层吸水能力的变化。
此外，井下工具的工作状况也影响着指示曲线的变化。
3实现分层注水的方法和相关计算
3.1．分层注水工艺方法：
3.1.1.利用油管和套管分两层段注水
该工艺是将油层分为上、下两个注水层段，中间用封隔器将上、下层段的油套环行空间封死，由套管给上层段注水，从油管给下层段注水，各层段的注水量在地面控制好。该方法管柱比较简单。 双管封隔器分两层段注水，是下两根注水管柱，下入深的一根管柱装有封隔器，将油套环行空间封死，分为上、下两个注水层段，下入深的一根管柱注下层，下入浅的一根管柱注上层。该工艺井口需要改变，用两个油管挂，两套采油树，分别控制两个层段的注水量。
上述两种工艺存在以下不足：一是只能分两个层段注水，如果超过两个层段，则无法进行分层注水；二是注水井无法进行维护性洗井，这意味着井筒内的垢、铁锈、杂质等赃物无法冲洗出来，容易造成赃物堵塞油层，对于结垢严重的，易发生井内工具及管柱被卡，造成大的事故；三是对于设有反循环洗井通道的Y341型注水封隔器如用于油套分注，当油管所注下层启动压力低于套管所注上层时，洗井阀必将打开，这必然会带来上下窜通，从而造成油套分注失败；四是因套管内壁始终处于注入水流动浸蚀状态，因而腐蚀加剧、容易损坏油层套管。基于上述多种原因，各油田目前已基本不采用上述两种方法，而主要采用单管封隔器、配水器多层段注水。
3.1.3单管封隔器、配水器多层段注水
这种单管封隔器、配水器多层段注水的方式，井中只下一根管柱，利用封隔器在油套环行空间，将整个注水井段封隔成几个互不相通的层段，每个层段都装有一个配水器。注入水由油管入井，通过各个地层段，装好的配水器上的水嘴，控制好注水量，分别注入到各层段的地层中去。单管封隔器、配水器多层段注水，根据配水器上水嘴的结构和装配形式，可分为固定式、活动式两类，而活动蚀又可分为空心活动式与偏心活动式。其中，以偏心式应用最多。
3.2管柱的受力分析及相关计算
3.2.1管柱锚定前伸长及轴向载荷计算
（1）井内管柱自由状态下的变形及轴向载荷
管柱下入井底时，上端固定、下端处于自由状态，管柱内外压力相等，管柱受到自身重力和液柱浮力的作用，使管柱长度发生变化由虎克定律，封隔器位置处油管的伸长量 l 为：
l = （5-1）
封隔器位置处于油管的轴向载荷F 及轴向应力 为：
F = （5-2）
（5-3）
（2）加压锚爪锚定前引起管柱的伸长及应力
管柱加内压进行锚定坐封，锚爪锚定前管柱底部球阀关闭，随着管柱内压的增大，管柱在内外压差作用下产生活塞效应和横向鼓胀效应。
a 球座活塞力引起管柱的伸长及应力
设锚定时井口压力为 P ，该压力作用于底部球座
[5]
管柱内壁横截面上，形成的活塞力引起管柱的轴向载荷 及轴向应力 分别为：
（5-4）
（5-5）
封隔器位置处管柱由于活塞效应引起的伸长量 为：
（5-6）
b 横向效应引起注水管柱的变形注水管柱内外压力差作用引起的管柱径向应力 和环向应力 分别为：
（5-7）
（5-8）
由广义虎克定律 得到封隔器位置处的轴向变形为
（5-9）
3.2.2注水过程中管柱受力分析
管柱锚定前，作用于注水管柱内壁的活塞效应和鼓胀效应所产生的应力和变形成为锚爪以上管柱的预拉力和变形。注水过程中，大通径注水器连通，锚定段以上管柱将会产生温差效应、横向鼓胀效应 和摩阻效应 。
a锚定前各效应引起注水管柱的预拉力F ：
F =F + （5-10）
b.横向效应引起注水管柱的轴向载荷F 及应力
井口注入压力为，注水管柱环向应力与径向应力引起管柱的轴向载荷和轴向应力，注水管柱受膨胀效应作用，内部受到轴向拉力作用。
（5-11）
3.2.3温差效应引起注水管柱的轴向载荷及应力
温度变化将会造成管柱长度变化，如果管柱伸长到限制时，在管柱内会产生一个轴向载荷，封隔器坐封时坐封位置处温度为t ，在注水生产时管柱温度为 t 。温度变化引起管柱的轴向热载荷为：
（5-13）
轴向热应力为：
（5-14）
式中 为管柱的热膨胀系数，12.1×10 m/m·℃。
3.2.4摩阻效应引起注水管柱的轴向载荷 F 及应力
注入液体沿管壁流动，由于液体的粘滞性在管柱内的摩擦将造成液体流动阻力即摩阻效应，该效应将引起注水管柱的轴向载荷和轴向变形。注水管柱液流单位长度的水头损失为：
（5-15）
式中v为管内液体流动速度 Q为注水井日注水量，m /d； 为沿程阻力系数。
根据液体流动状态进行计算，单位长度注水管柱上的摩阻力为：
（5-16）
由于注水管柱锚定后，两端可视为固定端，由力学知，液体流动沿注水管柱分布的摩阻力将引起上半段注水管柱纵向伸长，下半段注水管柱纵向缩短。封隔器位置由于液体流动引起的轴向载荷F 为：
（5-17）
轴向应力 为：
（5-18）
式中， 为封隔器位置距井口的距离。
以上从（1）～（18）式中， ——管柱总长度， ；
——水力锚与封隔器直接接触深度， ；
——锚定压力， ；
——注水压力， ；
——注水量， ；
——温度变化，℃；
——油管内外直径， ；
——单位长度管柱质量， ；
——弹性膜量， ；
——液体密度， 。
3.3.配水嘴的选择及嘴损的计算
3.3.1嘴损的计算：
以下按两种情况进行分析。
当油层无（不装配水嘴）注水时，注入量与注入压力的关系：
（5-19）
式中 （5-20）
而 （5-21）
当油层控制（装上配水嘴）注水时，注入量与注入压力的关系：
（5-22）
式中 （5-23）
而 （5-24）
以上式中， ——油层吸水指数， ；
——注水时油管内的沿程阻力损失， ；
——分层无控制时的注水量， ；
——与 对应的井口配注压力， ；
——静水柱压力， ；
——注水时通过水嘴的压力损失， ；
——油层开始吸水时的井底压力， ；
——无控制注水时的有效井底注入压力， ；
——控制注水时的有效井底注入压力， ；
——根据设备条件确定的井口注水压力， 。
3.3.2水嘴的选择：
1嘴损曲线法：
①根据测试资料绘制分层吸水指示曲线
②在分层指示曲线上查出与各层段注水量相对应的饿井口配注压力
③计算各层嘴损压差
④借用嘴损压差值和需要的配注量在嘴损曲线上查出水嘴尺寸。
2简易法：对于调整水量不大的层段选配水嘴直径
式中 ——原用水嘴直径，mm；
——需调整用
——原注水量， ；
——配注量， 。
4.实现分层注水管柱及配套工具结构原理分析
4.1分层注水常用工具
4.1.1封隔器的分类及型号编制
⑴ 封隔器的分类
封隔器封隔件实现密封的方式进行分类。
自封式：靠封隔件外径与套管内径的过盈和工作压差实现密封的封隔器。
压缩式：靠轴向力压缩封隔件，使封隔件外径变大实现密封的封隔器。
扩张式：靠径向力作用于封隔件内腔，使封隔件外径扩大实现密封的封隔器。
组合式：由自封式、压缩式、扩张式任意组合实现密封的封隔器。
⑵ 封隔器型号编制
编制方法：按封隔器分类代号、固定方式代号、坐封方式代号、解封方式代号及封隔器钢体最大外径、工作温度/工作压差六个参数依次排列，进行型号编制，其形式如下：
SHAPE * MERGEFORMAT
图 8
代号说明：分类代号：用分类名称第一个汉字的拼音大写字母表示，组合式用各式的分类代号组合表示。见表2。
表2 分类代号
固定方式代号：用阿拉伯数字表示，见表3。
表3 固定方式代号
[6]
坐封方式代号：用阿拉伯数字表示，见表4。
表4 坐封方式代号
解封方式代号：用阿拉伯数字表示，见表5。
表5 解封方式代号
钢体最大外径：用阿拉伯数字表示，单位为毫米(mm)。
工作温度：用阿拉伯数字表示，单位为摄氏度(℃)。
工作压差：用阿拉伯数字表示，单位为兆。
4.2常用分层注水工具的结构、原理
4.2.1封隔器
随着现场井况的变化，封隔器也随之逐步改进，形成了多种多样的、满足各种条件的封隔器。但其最基本的原理都是相通的。下面介绍几种最基本的封隔器的结构和原理。
⑴ Y211封隔器
①结构：见图9。
图9 Y211封隔器
②工作原理：
⑵Y221 封隔器
①结构：见图10。
②工作原理：
⑶ Y341注水封隔器
①结构：见图11所示，主要由三部分组成：座封部分、密封部分、洗井部分。
图11 Y341 注水封隔器
1-上接头 2-“”型圈 3-洗井阀 4-顶套 5-外中心管 6-内中心管 7-胶筒 8-隔环
②工作原理：
洗井：从套管内加液压，通过顶套4上的侧孔进入内外中心管6和5的环形空间，经锁套13上的侧孔进入下层。
⑷K344封隔器
①结构：见图12。
图12 K344封隔器
1-上接头 2-“O”型圈 3、7-胶筒座 4-硫化芯子 5-胶筒 6-中心管 8-滤网罩 9-下接头
②工作原理：
从油管内加液压，液压经滤网罩8，下接头9的孔眼和中心管6的水槽作用在胶筒5的内腔，使胶筒5胀大，封隔油套环形空间。放掉油管压力，胶筒即收回解封。
4.2.2配水工具
⑴ KPX-114偏心配水器
图
[7]
13 KPX-114偏心配水器
1-工作筒 2-堵塞器
②工作原理：
图14 偏心配水器工作筒
1-上接头 2-上连接头 3-扶正体 4、7、10-螺钉 5-主体 6-下连接套7-螺钉
图15 堵塞器
③主要技术参数：
总长： 995mm 最大外径： 114mm
最小通径：46mm 偏孔直径： 20mm
工作压力：25MPa 堵塞器最大外径：22mm
④技术要求：
a．扶正体3的开槽中心线，Φ22 mm偏孔中心线与工作筒中心线应在同一平面。
b.凸轮工作状态外伸2，收回最大外径以内，凸轮转动灵活可靠。
c.工作筒以下300mm以内的管柱直径应畅通。
⑵ KPX-114配水器提挂式投捞器
①用途： 用于投捞KPX-114偏心配水器的堵塞器。
②结构：见图16。
图16 KPX-114配水器提挂式投捞器
③工作原理：
投送：将投捞器的投捞头11装上压送头把堵塞器的头部插入压送头内，二者用剪钉连接在按上述施工步骤将堵塞器下入偏心工作筒的偏孔内，然后上提投捞器，凸轮8的支撑面已卡在偏孔的上部扩孔处，剪钉被剪断，堵塞器留在工作筒内，投捞器起出。
④主要技术参数：
最大外径：45mm 总长：1265mm
⑤技术参数：
a．投捞爪8收扰锁紧后，在投捞器外径以内；张开后旋转直径大于80 mm。
b．导向爪17收扰锁紧后，不凸出投捞器最大外径；张开后，凸出投捞器最大外径6±0.5 mm。
c.投捞爪8和导向爪17应在同一平面。
4.3分层注水基本管柱类型
为加强有效注水，提高水驱动用储量和开发效果、进一步提高分注工艺水平，结合中原油田特殊的条件、目前的井况和技术现状，特制定水井分层注水现场基本管柱及使用技术条件。
4.3.1分类原则：4.3.2分注基本管柱类型
1.分注基本管柱的使用技术条件及参数
⑴Ф114、Ф110系列顶封管柱：
a.管柱结构：
如图17所示。主要由水力锚+顶封封隔器+座封导流器+单流阀座组成。
b.主要工艺用途：
c.使用技术条件：
d.工作原理：
座封：连好坐封管线，并将套管放开，从油管内加压15MPa，完成封隔器座封，之后继续加压将导流器打开，完成整个管柱坐封。
验封：倒流器打开后，从油管内注水，注水压力至少25MPa，此时套管若无返水则验封合格。
解封：直接上提管柱。
e.主要技术参数：见表6。
表6 Ф114、110顶封系列管柱配套工具主要技术参数表
[8]
注：1、该管柱耐压无常压管柱，均为高压。
a.主要工艺用途：
用于水井油套分注工艺。
b.管柱结构：
c.使用技术条件：
d.工作原理：
座封：管柱到设计位置后，上提管柱封隔器所需坐封距高度，从油管内加压5-6MPa后下放至井口位置，完成封隔器座封，之后继续加压至15MPa，将坐封球座打开，完成整个管柱坐封。
验封：坐封球座打开后，从油管内注水，注水压力至少25MPa，此时套管若无返水则验封合格。
解封：直接上提管柱。
e.主要技术参数：见表7。
（3）常规偏心（上提解封式）一级二段管柱
a.主要工艺用途：
主要用于正注井的分层注水。满足投捞、调配以及包括吸水剖面的各种测试要求，
b.管柱结构：如图19所示。主要由水力卡瓦+偏配+水力锚+Y341系列注水封隔器+偏心配水器+底部球座+筛管+死堵组成。
c. 使用技术条件
d.工作原理：
验封：封隔器坐封后，由测试队进行投捞。从下至上逐级投捞堵塞器进行验封。
解封：直接上提管柱。
e.主要技术参数：见表8。
表8 上提解封式一级二段分注管柱配套工具主要技术参数表
（4）一级二段长效分注管柱：
a.主要工艺用途：
用于井下调配的一级二段分注工艺。
b.管柱结构：
如图20所示。主要由水力锚+ TY221-110封隔器+喇叭口等。
c. 使用技术条件
d.工作原理
座封：管柱到设计位置后，上提管柱封隔器所需坐封距高度，正转2-4圈后下放至井口位置，完成封隔器座封。
验封：封隔器坐封后，装好井口，将套管放开，从油管内注水，注水压力至少25MPa，此时套管若无返水则验封合格。
解封：直接上提管柱。
e.主要技术参数：见表9。
表9 一级二段分注长效管柱配套工具主要技术参数表
a.主要工艺用途：用于井况较好、井下调配、测试的多级分注工艺。
b.管柱结构：如图21所示。主要由水力卡瓦+偏配+水力锚+Y341系列注水封隔器+偏心配水器+底部球座+筛管+死堵组成。
c. 使用技术条件：
d工作原理：
验封：封隔器坐封后，由测试队进行投捞。从
[9]
下至上逐级投捞堵塞器进行验封。
解封：直接上提管柱。
e.主要技术参数：见表10。
表10 多级分注管柱配套工具主要技术参数表
（6）套管分注管柱：
a.主要工艺用途：
用于4in套管井一级二段分注工艺。
b管柱结构：如图22所示。
c.使用技术条件：
主要用于4in套管井。
d.工作原理：
座封：直接注水便可完成封隔器座封。
验封：从油管内注水至少25MPa，此时套管若无返水则验封合格。
解封：直接上提管柱。
e.主要技术参数：见表11。
表11 4in分注管柱配套工具主要技术参数表
５.程序编制
在第3章中介绍了有关嘴损的计算。为了方便计算，现把它编制成程序如下：
Private Sub Command4_Click()
Text1(i).Text = Val(Text1(i).Text)
Text1(0).Text = 12
Text1(1).Text = 15.5
Text1(3).Text = 0.7
Text1(4).Text = 11.4
Text1(5).Text = 0.4
End Sub
Private Sub Command1_Click()
Text1(i).Text = Val(Text1(i).Text)
Text1(0).Text = ""
Text1(1).Text = ""
Text1(3).Text = ""
Text1(4).Text = ""
Text1(5).Text = ""
End Sub
Private Sub command2_Click()
Text1(i).Text = Val(Text1(i).Text)
Iw = Text1(0).Text
Pt = Text1(1).Text
Pfr = Text1(3).Text
Pe = Text1(4).Text
Pcf = Text1(5).Text
q = Iw * (Pt + Ph - Pfr - Pe - Pcf)
Text2.Text = q
End Sub
Private Sub Command3_Click()
End
End Sub
6结论与认识
通过对分层注水工艺的分析和研究得出了以下结论:
(1)通过对指示曲线的分析,可以知道,当注水曲线发生某种变化时,该现象是否正常,发生这种变化的原因。也可以说明地层或油井发生了什么变化。
（2）目前，分层注水的方法主要是油管和套管分两层段注水。
（3）了解了影响注水井吸水能力的各种因素。
（4）通过分层注水，吸水剖面可以明显改善，吸水状况良好。使对应油层得到了充分的能量补充，对应油井逐渐收效。
（5）对适合注水的地层，应积极开展和广泛推广分层注水的方法，完善分层注水工艺，进一步提高油田开发水平。
参考文献
1． 王鸿勋、张琪.〈〈采油工艺原理〉〉.石油出版社.1993年。
2． K.E 布朗. 〈〈升举法采油工艺〉〉. 石油工业出版社.1999年。
3.《采油技术手册》石油化学工业出版社.1977年。
6.李文华主编，《采油工程》中国石化出版社，2022年。
8.吴奇主编，《注水技术研讨会论文集2022》中国石化出版社2022年。
9.谭文彬等编著，《油田注水开发的决策部署研究》，石油工业出版社，2022年。
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