技术领域：

本发明属于一种用于稠油热采领域蒸汽驱井中的系统和方法，尤其涉及一 种对蒸汽驱井进行分层配汽的系统和配汽方法。

背景技术：

稠油是石油烃类能源中的重要组成部分，具有比常规原油资源高达数倍的巨 大潜力，我国稠油资源丰富，约占石油资源量的20％。

稠油粘度高、密度大、开采中流动阻力大，不仅驱替效率低，而且体积扫油 效率也低，难于用常规方法进行开采。

鉴于稠油的特点，可通过降低稠油粘度、减小流动阻力来有效地开采稠油， 提高采收率。提高稠油采收率的方法主要有：物理降粘(稀释、加温)、化学降 粘(乳化湿润、减粘裂化、高温裂解)。

总结各种稠油开采经验，加之稠油的粘度对温度非常敏感，可以说注蒸汽热 采方法是开采稠油的一种有效手段。

我国稠油热采技术起步较晚，但发展很快。蒸汽吞吐方法已成为稠油开发的 主要技术。但是，到目前为止，我国已投入蒸汽吞吐开发的多数稠油油藏及区 块，已进入中后期，即蒸汽吞吐周期在5周其以上。即使有许多油藏或区块采 取打加密井，继续进行蒸气吞吐开采，但延续的开采期有限。多轮次蒸气吞吐 以后，必须要转入蒸汽驱开采方式，才能有效提高采收率。最近几年，经过各 种类型油藏开辟的十多个蒸汽驱先导试验项目的试验结果已证实稠油油藏采用 蒸汽驱开发方式在技术上、经济上是成功的。

综上，蒸汽吞吐和蒸汽驱是油井开发中的两个不同的工艺阶段。其中，蒸 汽吞吐是指向一口生产井短期内连续注入一定数量的蒸汽，然后关井(焖井) 数天，使热量得以扩散，之后再开井生产。当瞬时采油量降低到一定水平后， 进行下一轮的注汽、焖井、采油，如此反复，周期循环，直至油井增产油量经 济无效或转变为其他开采方式为止。与蒸汽驱对比，蒸汽吞吐投资少、工艺简 单、生产费用低。采油速度高，是有效的提高稠油油藏采油速度的一种主要方 法。但其采收率低，为此，一般情况下蒸汽吞吐后转为蒸汽驱开采。

而蒸汽驱是注热流体中广泛使用的一种方法。蒸汽驱是指按优选的开发系 统开发层系、井网(井距)、射孔层段等，由注入并连续向油层注入高温湿蒸 汽，加热并驱替原油由生产井采出的开采方式。当瞬时油汽比达到经济界限(一 般为0.15)时，蒸汽驱结束或转变为其他开采方式。

本发明的分层配汽系统及其方法是针对蒸汽驱工艺阶段而研制开发的。

以往蒸汽驱多采用笼统注蒸汽的注入方式，即同时对几个开发层系注汽 (Michael Prats 1982)。但是，由于各层系的地层压力、渗透率、原油物性等 存在差异，有时会使层间注汽量分配不合理，甚至出现某个层位的蒸汽带急剧 推进，达不到预期的注汽效果。对于多层稠油油藏，由于各层岩石物性存在差 异，以及初期开采过程中的合注合采，致使各层动用程度不均，加剧了蒸汽超 覆和单层突进，使以往多采用的蒸汽驱笼统注蒸汽的注入方式纵向波及效率降 低，影响了开采效果(如图1)。

现有技术中，实用新型专利分层配汽工艺管柱(申请号为01220374.2)、和 分层定量注汽管柱(申请号为02235425.3)提供了一种油田蒸气吞吐开采中提 高注汽质量的分层配汽工艺管柱，解决了多轮次笼统注汽时，由于油藏各层岩 石物性存在差异，致使稠油注汽井纵向吸汽严重不均的问题，改进了注汽方式， 调整了吸气剖面。具有注汽效果好，增加油井产量等优点。该方法的存在的最 大问题是不能根据底层压力自动调节井下分层配汽量。从而达不到预期的注汽 效果。

其中，实用新型专利分层配汽工艺管柱(申请号为01220374.2)是针对蒸 汽吞吐工艺而研制的。同时，其无法实现分层配汽量的自动调节。根据其技术 方案，若要变化分层配汽量，则需要将整套工艺管柱整体从井下取出，再进行 调节分层配汽嘴。施工工艺相对烦琐、成本高且作业时间长。另外，该篇技术 方案中没有井下时时监测的结构和功能。由于其无法随注汽量而变化而调节配 气嘴的配汽量，所以其没有设置井下分层的动态测试结构和方法。

实用新型专利稠油热采井高温多参数组合测试仪(申请号为03284848) 是一种在油井计量测试中应用的一种仪器，属于井口数据测试的工艺阶段，分 层配汽需要根据其测试到的数据结果进行分析、计算得出各层分层配汽量，在 具体实施分层配汽。

由于蒸汽吞吐过程中地层内的压力是随注汽量而变化的，所以合理的注汽 开采是一个注汽量和压力的动态平衡过程。为改进上述分层配汽器这一动态调 节功能。专利油井分层稳恒注汽装置(申请号为02289214.1)、自适应井下分层 配汽器(申请号为2004100746615)克服了已有配汽器的不足，提供了一种恒量 阀或自适应井下分层配汽器，它能够按照配产所需的注汽比例根据地层内的压 力变化自动调节注汽量。

但是，上述专利都是应用在蒸汽吞吐开发阶段。不能满足分层汽驱的分层 测试要求，也不能实现蒸汽驱过程中各层注汽量的调整。

在文献《蒸汽驱工艺新进展》-提及多层注蒸汽和注入剖面测量技术-是指 并联双管方法用于对同一口井，不同的两个产层进行注蒸汽处理，这种方法是 将两根油管柱并行下入井筒中，将一套双管耐高温封隔器座放在上部油层的上 面，并且将一套单管封隔器座放在两个油层之间。在上封隔器和下封隔器之间 应用绝热油管，以求降低单管和进入到上部油层的蒸汽之间的得热传递。这种 方法不能实现同一井筒多层同时汽驱的目的。

针对现有技术中分层蒸汽驱的分层配汽的技术问题，所研制和设计的分层 系统和方法应满足以下几个特点：

1.实现蒸汽驱的分层注汽。

2.满足分层蒸汽驱的分层测试要求。

3.实现蒸汽驱过程中各层注汽量的调整。

发明内容：

为解决蒸汽驱分层配汽的上述技术问题，发明人通过多年的研究，发明了 一种蒸汽驱分层配汽的系统和方法。其实现了分层系统和方法应满足的特点和 要求。

发明一种蒸汽驱分层配汽的系统和方法是减少注汽时层间干扰，提高油层 纵向动用程度和改善蒸汽驱效果的重要手段。

蒸气驱分层配汽是通过井下注汽装置来实现的，分层配汽的目的就是使注 汽前沿均匀推进，避免出现舌进现象，合理分配注汽量，从而改善注汽效果。 分层配汽的工艺技术原理为：

1.根据各小层的油层物性，合理划分注汽单元，根据各注汽单元的油层物性 合理设计蒸汽注入量；

2.利用热力封隔器将各注汽单元封隔开，防止蒸汽在各注汽单元之间互窜；

3.根据油井上周期的注汽参数(注汽压力、蒸汽干度、蒸汽温度、蒸汽流量、 累注量)及本周期的油井计划注汽量，设计分层配汽器；

4.利用分层配汽器对各单元进行定量注汽，达到既动用中低渗透层，又发挥 高渗透层剩余能量的目的。

蒸汽驱分层配汽系统和方法是这样实现的：

一种蒸汽驱分层配汽系统，包括油井监测计量单元、油井注汽数据处理单 元、和分层配汽单元；所述油井监测计量单元与油井注汽数据处理单元连接， 将注汽参数传输给油井注汽数据处理单元；油井注汽数据处理单元与分层配汽 单元连接；

其中，所述的油井注汽数据处理单元用于利用各项注汽参数进行压降、干 度和分层配汽量的数据处理，将分层配汽量数据输出至分层配汽单元，进行油 井分层配汽；所述的分层配汽单元包括分层配汽装置，所述的分层配汽装置根 据所述油井注汽数据处理单元输出的各层配汽量和各层配汽孔面积，设置和调 节各层分层配汽孔的面积，进行分层汽驱流量分配；

所述的蒸汽驱分层配汽系统还包括分层测试单元，所述分层测试单元用于 对各层配汽后状态进行分层测试，并将测试数据传输回所述的油井注汽数据处 理单元进行数据处理。，

所述蒸汽驱分层配汽系统中还包括显示输出单元，所述的显示输出单元与 油井注汽数据处理单元连接，所述显示输出单元用于将油井资料、各项注汽参 数和注汽结果输出。

上述的油井注汽数据处理单元包括流态判断模块、数据计算处理模块、油 井高度迭代模块和分层配汽孔面积设定模块；

所述流态判断模块用于判断该位置混合物的流动型态；

所述数据计算处理模块包括持液率计算部分、沿程阻力系数计算部分、压 降计算部分、干度计算部分和分层配汽量计算部分；数据计算处理模块根据不 同的流态依次对注汽参数进行持液率、沿程阻力系数、压降、干度和分层配汽 量的计算。

其中，本发明在计算注汽井筒内多相流动压降时，采用Beggs Brill(贝格 斯布里尔)方法进行，其中包括流态判别、持液率、沿程阻力系数及压降的计 算。

本发明在计算井筒内的干度分布规律时，是将能量平衡方程在一定的假设条 件下加以简化，并根据其边界条件得到干度的常微分方程的通解为：

$x=e^b(-\frac{C_3}{C_2}{e}^k+x_0+\frac{C_3}{C_2})$

其中

$b=-\frac{C_2}{C_1}z;$ $k=\frac{C_2}{C_1}z.$

C1＝M(hs-hw+hlg)

$C_2=M\left[\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{{\mathrm{dh}}_s}{\mathrm{dp}}-\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}})\right]$

$C_3=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+M\left(\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}\right)\left(\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}}\right)+\frac{M^3}{\left(A{\upsilon }_m\right)}\frac{d(1/{\rho }_m)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{Mg}$

为了求得C1、C2和C3，必须给出hw及hs与压力的关系式，这可以根据水 蒸汽表，利用计算机插值得出。此外，dQ是根据热传导方程求出的。

所述油井高度迭代模块用于从油井的井口至目标点进行高度迭加，油井监 测计量单元顺序提取油井的注汽参数，以便进行监测和数据计算处理。

所述分层配汽孔面积设定模块根据所述数据计算处理模块处理得出的各项 参数计算并设定各层分层配汽孔的孔径面积。

本发明在计算孔径面积时，假设气液两相流体在配汽孔中作分相流动，液 相是不可压缩流体，气液两相的流量系数Cd相同，在流动过程中不发生附加蒸 发，气相的截面含气率不变，且当两相同时流过配汽孔时气相的压差和液相的 压差相同，都等于两相流体流过配汽孔时的压差Δp。根据能量方程式和连续性 方程式，导出配器孔面积的计算公式为

$A=\frac{G_{\mathrm{tp}}\sqrt{\bar{\rho }}}{\sqrt{2{\psi }^2{C}_d^2{\rho }_l{\rho }_g(p-p_1)+G_{\mathrm{tp}}^2{\bar{\rho }}^2/S^2}}$

其中

$\sqrt{\bar{\rho }}=ϵ(1-x)\sqrt{{\rho }_g}+x\sqrt{{\rho }_l},$ 修正系数ε是通过实验曲线回归确定的。

所述的油井监测计量单元用于对油井注汽参数进行检测和计量，所述油井 监测计量单元中包括四参数测量仪，对温度、压力、干度和注汽速度参数进行 检测和计量；所述四参数测量仪分别为涡轮流量计、干度计量仪、压力传感器 和温度传感器；

所述分层测试单元中包括四参数测量仪，用于对各层配汽参数进行测试和 检测。

在具体的应用中，所述的分层配汽单元包括分层配汽装置，所述的分层配 汽装置为偏心分层配汽装置；其包括分层蒸汽驱偏心分层配汽井筒，所述的分 层配汽井筒包括一注汽管柱，其特征在于：在所述的注汽管柱中还包括有封隔 器，所述的封隔器将注汽管柱分隔成一组分层注汽腔；且在每一个分层注汽腔 中设置有一个偏心分层配汽器；

所述的偏心分层配汽器包括偏心分层配汽阀阀芯和配汽工作筒：

所述的偏心分层配汽阀阀芯包括有打捞头、阀芯主体、入汽孔、配汽嘴、 出汽孔和对正头；所述偏心分层配汽阀阀芯的打捞头通过锁扣与阀芯主体锁定； 所述的入气孔和出汽孔设置在所述阀芯主体上；配汽嘴装嵌在阀芯主体的下部， 对正头与阀芯主体螺纹连接，并压紧配汽嘴；

所述的配汽工作筒包括有上接头、配汽堵塞器座套筒、进汽孔、出汽孔、 下接头和工作筒主体；所述配汽工作筒的上接头和下接头分别以螺纹方式与配 汽工作筒的上下两端连接；所述配汽堵塞座套筒固化在所述工作筒主体内；所 述的进汽孔和出汽孔设置在所述工作筒主体上；

所述的偏心分层配汽阀阀芯设置在所述配汽工作筒的配汽堵塞器座套筒 内，且偏心分层配汽阀阀芯的入汽孔和出汽孔分别与配汽工作筒的进汽孔和出 汽孔适配。

在具体的应用中，所述的偏心分层配汽阀阀芯还包括有压帽、胶圈、压簧、 扭簧、轴和凸轮；所述偏心分层配汽阀阀芯的打捞头通过锁扣与阀芯主体锁定， 并通过压帽压紧；压帽通过胶圈以螺纹方式与阀芯主体相连，压帽与打捞头之 间设置有压簧，扭簧通过轴固定在阀芯主体上，凸轮装嵌在扭簧的外侧；所述 的入气孔和出汽孔设置在所述阀芯主体上；配汽嘴安装在阀芯主体的下部，对 正头与阀芯主体通过螺纹连接，并压紧配汽嘴；

所述的配汽工作筒还包括有：胶圈、上连接滑套、下连接滑套、支架、导 向体、螺钉和扶正器，且在所述配汽阀阀芯座套筒的上部设置有一外凸的扩孔； 所述上接头和下接头分别以螺纹方式与配汽工作筒上连接滑套和下连接滑套螺 纹连接，下接头紧靠导向体；所述配汽堵塞座套筒固定在所述工作筒主体内；所 述的进汽孔和出汽孔设置在所述工作筒主体上；所述扶正器通过螺钉与工作筒 主体固定连接；螺钉将支架固定在工作筒主体上。螺钉将导向体固定在配汽器 下接头上；

所述配汽工作筒与所述每一个分层注汽腔固定连接；且所述的偏心分层配 汽阀阀芯设置在所述配汽工作筒的配汽堵塞器座套筒内：偏心分层配汽阀阀芯 的对正头通过其表面设置的卡槽与配汽工作筒的配汽堵塞器座套筒卡接，以确 保偏心分层配汽阀阀芯的入汽孔和出汽孔分别与配汽工作筒的进汽孔和出汽孔 的位置适配；所述偏心分层配汽阀阀芯的凸轮支撑面的外轮廓与配汽工作筒的 配汽堵塞器座套筒内的扩孔的内径适配。

在上述具体的应用中，在所述偏心分层配汽阀阀芯中的胶圈和配汽工作筒中 的胶圈为O型耐高温胶圈；

在所述偏心分层配汽阀阀芯中的配汽嘴为拉瓦尔喷管型配汽嘴。

在具体的应用中，所述配汽工作筒的总长在500～2000mm；其外径：100～ 160mm；管柱内最小通径：50mm、工作压力：10～25Mpa；

所述配汽嘴内径：10～30mm；配汽嘴过流面调整范围：0---491mm2。

本发明中除了可采用偏心分层配汽装置外，所述的分层配汽装置还可以为 同心分层配汽装置，其包括分层蒸汽驱同心分层配汽井筒，所述的分层配汽井 筒包括注汽管柱和封隔器，所述的封隔器将分层配汽井筒分隔成一组分层注汽 腔；且在每一个分层注汽腔中设置有一个同心分层配汽器；

所述的同心分层配汽器包括同心分层配汽阀固定阀体和活动阀芯；在所述 的固定阀体侧壁上设置有一出汽孔；所述活动阀芯内部有一个通气管柱，在所 述通气管柱上部的外侧边缘设置有外螺纹；在所述活动阀芯的外壁上设置有一 环形锥型平台；

所述的同心分层配汽器还包括配汽嘴，且所述的配汽嘴通过螺纹与所述活 动阀芯的上端连接；

所述配汽嘴外侧轴向截面的形状可为矩形截面、正梯形截面、倒梯形截面 或半椭圆型截面中的一种。

在具体的应用中，所述的封隔器将分层配汽井筒分隔成至少两个分层注汽 腔，且在每一个分层注汽腔中设置有一个同心分层配汽器；

所述每一层同心分层配汽器中的固定阀体的上端和下端分别通过螺纹与接 头连接，所述接头与注汽管柱连接；所述出汽孔设置在固定阀体的侧壁上；

所述每一层同心分层配汽器中的活动阀芯的大小与该层固定阀体的通径相 适配；所述活动阀芯内部有一个通气管柱，在所述通气管柱上部的外侧边缘设 置有外螺纹，所述的外螺纹用于与配汽嘴连接；在所述活动阀芯的外壁上设置 有一环形锥型平台，所述每一层的活动阀芯通过该环形锥型平台与该层的固定 阀体座封；所述配汽嘴外侧轴向截面的形状为矩形截面。

在所述最底层同心分层配汽器中，所述活动阀芯内的通气管柱为实心管柱； 且在所述的活动阀芯顶端设置有一打捞杆，所述打捞杆用于将所述活动阀芯打 捞出配汽井筒。

在具体的应用中，所述注汽管柱内的工作压力：10～25Mpa；

所述各层固定阀体的长度范围：250～300mm；外径范围：85～90mm；内径 范围：40～55mm；

所述各层活动阀芯的长度范围：150～200mm；外径范围：45～60mm；内径 范围：38～45mm；

所述配汽嘴内径：10～30mm；配汽嘴过流面调整范围：0～1018mm2。

一种蒸汽驱分层配汽方法，方法中包括油井监测计量单元、油井注汽数据 处理单元、分层配汽单元；所述油井监测计量单元与油井注汽数据处理单元连 接，将注汽参数传输给油井注汽数据处理单元；油井注汽数据处理单元将分层 配汽量数据输出至分层配汽单元，进行油井分层配汽；

所述的蒸汽驱分层配汽方法包括油井监测计量步骤、油井注汽数据处理步 骤、实施分层配汽步骤、分层测试步骤和输出步骤；

A、油井监测计量步骤：所述油井监测计量单元包括四参数测量仪，对油 井的各注汽参数进行计量和检测，即对温度、压力、干度和注汽速度 进行计量和检测；

B、油井注汽数据处理步骤：所述的油井注汽数据处理单元包括流态判断 模块、数据计算处理模块、油井高度迭代模块和分层配汽孔面积设定 模块；

流态判断模块先判断该位置混合物的流动型态，数据计算处理模块根 据不同的流态和注汽参数依次对持液率、沿程阻力系数、压降、干度 及对应的高度进行计算；所述油井高度迭代模块用于从油井的井口至 目标点进行高度迭加，直至油井目标点；根据地层的物性参数及油层 厚度计算出分层配汽量；由分层配汽孔面积设定模块根据所述数据计 算处理模块处理得出的各项参数设定并计算各层分层配汽孔的孔径 面积；

C、实施分层配汽步骤：所述的分层配汽单元包括分层配汽装置，分层配 汽过程为分层配汽装置根据所述油井注汽数据处理单元输出的各层配 汽量和分层配汽孔面积计算并设定各层分层配汽器的配汽孔的面积， 进行分层汽驱流量分配；

D、分层测试步骤：所述分层测试单元包括四参数测量仪，用于对各层配 汽状态进行分层测试。

E、输出步骤：用于将输出油井资料、分层配汽各项参数数据以及配汽效 果分析结果。

在步骤A油井监测计量步骤和步骤D分层测试步骤中，所述油井监测计量 单元包括四参数测量仪分别为涡轮流量计、干度计量仪、压力传感器和温度传 感器；

所述的压力传感器和温度传感器分别对油井中蒸汽进行检测和计量；设置 在气相输出端口的涡轮流量计用于对气相数据进行流量计量；设置在液相输出 端口的涡轮流量计用于计量液体的流量；计量后的各物性参数输出给油井注汽 数据处理单元。

所述步骤B油井注汽数据处理步骤包括：

a、确定初始计算点：根据监测计量参数提取的位置，设置计算起始点和计 算方向；

b、输入注汽参数步骤：输入所述油井监测计量单元采集的当前油层的各项 物性数据；

c、判断步骤：流态判断模块根据油井监测计量单元输出的当前位置各项物 性参数来计算流态判别准数，根据流态判别准则来判断该位置混合物的流动型 态：分离流、间歇流和分散流；

d、数据处理步骤：根据不同的判断结果计算该位置相应流态下的持液率、 沿程阻力系数、压降、干度、目标层的配汽量和计算各目标层分层配汽孔的孔 径面积；

其中，本发明在计算注汽井筒内多相流动压降时，采用Beggs Brill(贝格 斯布里尔)方法进行，其中包括流态判别、持液率、沿程阻力系数及压降的计 算。

本发明在计算井筒内的干度分布规律时，是将能量平衡方程在一定的假设条 件下加以简化，并根据其边界条件得到干度的常微分方程的通解为：

$x=e^b(-\frac{C_3}{C_2}{e}^k+x_0+\frac{C_3}{C_2})$

其中

$b=-\frac{C_2}{C_1}z;$ $k=\frac{C_2}{C_1}z.$

C1＝M(hs-hw+hlg)

$C_2=M\left[\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}(\frac{{\mathrm{dh}}_s}{\mathrm{dp}}-\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}})\right]$

$C_3=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dz}}+M\left(\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}\right)\left(\frac{{\mathrm{dh}}_w}{\mathrm{dp}}\right)+\frac{M^3}{\left(A{\upsilon }_m\right)}\frac{d(1/{\rho }_m)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{Mg}$

为了求得C1、C2和C3，必须给出hw及hs与压力的关系式，本发明根据水 蒸汽表，利用计算机插值得出。此外，dQ是根据热传导方程求出的。

本发明在分层配汽过程中，把蒸汽注入某一地层简化为平面径向流。假设 地层为水平圆盘状，均质等厚，渗透率为k，厚度为h，圆形边界是供给边界， 其压力为供给压力pe，半径为供给半径Re，井的半径为Rw，井底压力为pw。在 上述假设条件下，对流体在渗流过程中遵循稳定渗流的拉普拉斯基本方程进行 简化，从而建立了分层配汽量的数学模型。即

$-q=\frac{2\mathrm{\pi kh}}{\mu }\frac{p_w-p_e}{\ln \frac{R_w}{R_e}}---\left(1\right)$

在平面径向渗流中，每一层的渗流速度为 $V_i=\frac{Q_i}{2\pi h_i}\frac{1}{r}$

式中

q为注入流体的体积流量，m3/s；Vi为每层流体的渗流速度，m/s；Qi为每层 注入流体的体积流量，m3/s。

在分层注汽过程中，假设每一层的速度相同，即认为推进距离也相同，即

$\frac{Q_1}{h_1}=\frac{Q_2}{h_2}=\Lambda$

根据连续性方程可知

Q总＝∑Qi＝∑Chi＝C∑hi    (3)

联立式(2)和式(3)，即可求得每一层的分层配汽比例。

本发明在计算孔径面积时，假设气液两相流体在配汽孔中作分相流动，液 相是不可压缩流体，气液两相的流量系数Cd相同，在流动过程中不发生附加蒸 发，气相的截面含气率不变，且当两相同时流过配汽孔时气相的压差和液相的 压差相同，都等于两相流体流过配汽孔时的压差Δp。根据能量方程式和连续性 方程式，导出配器孔面积的计算公式为

$A=\frac{G_{\mathrm{tp}}\sqrt{\bar{\rho }}}{\sqrt{2{\psi }^2{C}_d^2{\rho }_l{\rho }_g(p-p_1)+G_{\mathrm{tp}}^2{\bar{\rho }}^2/S^2}}$

其中

$\sqrt{\bar{\rho }}=ϵ(1-x)\sqrt{{\rho }_g}+x\sqrt{{\rho }_l},$ 修正系数ε是通过实验曲线回归确定的。

e、计算高度迭加步骤：将计算高度进行迭加，即确定下一计算点的起始位 置高度；

f、判断高度步骤：油井高度叠加后，判断叠加后的位置高度是否与井下目 标位置点高度一致；

g、重复步骤：若下一层的位置高度小于井下目标位置点高度，重复上述步 骤b-f；

h、输出步骤：若下一层的位置高度超出井下目标位置点高度，则采用内插 法，求出目标位置处的相应参数，输出步骤d数据处理的各项数据。

发明效果

本发明与实用新型专利分层配汽工艺管柱(申请号为01220374.2)的不同：

(1)对比文件是针对蒸汽吞吐工艺而研制的。而本发明的技术方案 是应用在蒸汽驱工艺阶段的。其属于不同的工艺。

(2)同时，对比文件无法实现分层配汽量的自动调节。根据其技术 方案，若要变化分层配汽量，则需要将整套工艺管柱整体从井 下取出，再进行调节分层配汽嘴。整套工艺管柱的打捞步骤烦 琐、成本高昂且长时间消耗采油时间。而本发明的技术方案可 以实现分层配汽量方便调节，若要变化分层配汽量，只需将配 气嘴从井下取出。非常方便快捷。成本大大降低，打捞和投放 的步骤简单，时间短。

(3)另外，该篇技术方案中没有井下时时测试的结构和方法。由于 其无法随注汽量而变化而调节配气嘴的配气量，所以其没有设 置井下分层的动态测试结构和方法。而本发明需要根据井下各 层所需不同的注汽量进行调节配气嘴，所以在各层设置有测试 部件和根据测试部件设计的测试步骤。

所以，本发明与该篇技术方案无论在设计工艺还是在技术方案本身均有本 质的不同，本发明解决了现有技术中蒸汽驱无法实现配气量方便快捷的调 节和时时检测的技术问题。达到了很好的技术效果。

某油田为一典型的厚互层状油藏，经多年的蒸汽吞吐生产后，油井大部分 进入了高周期生产阶段。随着油井吞吐周期的加大，区块产量明显下降。主要 原因是受油层物性差异的影响，导致油井各层吸汽不均，油层动用程度较差。 解决这一问题的有效手段就是使用分层配汽技术来改善油井的吸气剖面。

1.试验井的分层原则及配汽要求

我们进行了分层配汽现场试验。该井的基础资料见表1，该井共有8个油层 (油层物性见表2)，其中10、11、13、15、17、18号六个油层与下面的20、21 号两个油层相比，油层厚度较大，渗透率也较高。因此，在笼统注汽阶段，其 吸汽能力与油层动用程度均好于后者，油井经多周期蒸汽吞吐后，油层纵向动 用程度不均。为提高油层动用程度，对该井进行分层注汽，采用了分层配汽工 艺技术，以调整油井的吸汽剖面，使20、21号两个油层吸汽量增加。

根据该井的油层特点，将10、10、11、13、15、17、18号油层分为一个油 层组，20、21号油层分为另一个油层组，中间用热力封隔器隔开，采用同心分 层配汽装置对两个注汽单元进行配注，设计上部注汽量为1800t，下部注汽量为 1200t，该井现场施工，一次成功。

表1试验井的基础资料

表2试验井油层物性数据

2.热注参数

试验井注汽参数及热传导参数如表3所示

表3试验井注汽参数

3.井筒内压力分布规律

根据表3的注汽工况得出的井筒内计算压力与实测压力对比图如图7所示。

4.油层剖面压力、流量动态曲线

测量的油层剖面压力、流量分布规律如图8所示。

5.综合解释结果

(1)井口温度为277.50℃，压力为5.72MPa，油层底部温度降为249.20℃， 压力为4.21MPa，两层吸汽都较好。

(2)从吸汽剖面来看，一号油层组射孔井段为980.5-1024.4m，层厚24.6m， 吸汽压力为4.35MPa，吸汽达61.13％，与另一层相比，一号层位于储层的顶部， 因此该层吸气效果较好；

(3)二号油层射孔井段为1029.5-1036.7m，层厚4.8m，吸汽压力为4.21MPa， 吸汽达38.87％，该层吸气效果较好；

6.蒸汽剖面

表4表示的是实测吸汽剖面与设计吸汽剖面的结果。其对比图见9。

表4设计与实测吸气剖面对比表

7.增产效果分析

试验井目前分层配汽与第8周期笼统注汽相比，日均增产原油8.5t，累计 增产原油约1539t；与第9周期分层合采注汽相比，日均增产原油6.3t，累计 增产原油约1021t；从油井生产情况看，达到了调整油井吸汽剖面，提高油层动 用程度的目的。

附图说明：

图1为现有技术中井下注汽的原理示意图；

图2为本发明蒸汽驱分层配汽系统的系统示意图；

图3为本发明中油井监测计量单元的示意图；

图4-A为本发明中分层配汽装置为偏心分层配汽装置的阀芯的结构示意图 和阀芯中配汽嘴11剖面示意图；

图4-B是偏心分层配汽阀的配汽工作筒的结构示意图；

图5-A为本发明中分层配汽装置为同心分层配汽装置的一、二级同心分层 配汽器的结构示意图；

图5-B本发明中分层配汽装置为同心分层配汽装置的三级同心分层配汽器 的结构示意图；

图5-C本发明中分层配汽装置为同心分层配汽装置的同心分层配汽井筒的 结构示意图；

图6为本发明蒸汽驱分层配汽方法的流程；

图7为井筒内计算压力与实测曲线示意图；

图8为实测油层剖面压力、流量示意图；

图9为试验井吸气剖面示意图。

以上附图将具体结合下述的具体实施方式加以说明。

具体实施方式：

图1为现有技术中井下注汽的原理示意图。

图1所表示的为注蒸汽井蒸汽超覆致使单层突进的现象。目前蒸汽吞吐方 法已成为稠油开发的主要技术。但是，我国已投入蒸汽吞吐开发的多数稠油油 藏及区块，已进入中后期，即蒸汽吞吐周期在5周其以上。即使有许多油藏或 区块采取打加密井，继续进行蒸气吞吐开采，但延续的开采期有限。多轮次蒸 气吞吐以后，必须要转入蒸汽驱开采方式，才能有效提高采收率。最近几年， 经过各种类型油藏开辟的十多个蒸汽驱先导试验项目的试验结果已证实稠油油 藏采用蒸汽驱开发方式在技术上、经济上是成功的。以往蒸汽驱多采用笼统注 蒸汽的注入方式，即同时对几个开发层系注汽(Michael Prats 1982)。但是， 由于各层系的地层压力、渗透率、原油物性等存在差异，有时会使层间注汽量 分配不合理，甚至出现某个层位的蒸汽带急剧推进，达不到预期的注汽效果。 对于多层稠油油藏，由于各层岩石物性存在差异，以及初期开采过程中的合注 合采，致使各层动用程度不均，加剧了蒸汽超覆和单层突进，使以往多采用的 蒸汽驱笼统注蒸汽的注入方式纵向波及效率降低，影响了开采效果。

图2为本发明蒸汽驱分层配汽系统的系统示意图。

图中所示为本发明一种蒸汽驱分层配汽系统，包括油井监测计量单元、油 井注汽数据处理单元、分层配汽单元、显示输出单元和分层测试单元。

所述油井监测计量单元和分层测试单元分别与油井注汽数据处理单元连 接，分别将注汽参数传输给油井注汽数据处理单元；油井注汽数据处理单元将 分层配汽量数据输出至分层配汽单元，进行油井分层配汽。油井注汽数据处理 单元与显示输出单元连接将油井资料、各项注汽参数和注汽结果加以输出。

其中油井监测计量单元用于对油井的各注汽参数进行计量和检测；

所述的油井注汽数据处理单元用于利用各项注汽参数进行压降、干度和分 层配汽量的数据处理；所述的油井注汽数据处理单元包括流态判断模块、数据 计算处理模块、油井高度迭代模块和分层配汽孔面积设定模块；所述流态判断 模块用于判断该层混合物的流动型态；所述数据计算处理模块包括持液率计算 部分、沿程阻力系数计算部分、压降计算部分、干度计算部分和分层配汽量计 算部分；数据计算处理模块根据不同的流态依次对注汽参数进行持液率、沿程 阻力系数、压降、干度和分层配汽量的计算。

所述的分层配汽单元包括分层配汽装置，所述的分层配汽装置根据所述油 井注汽数据处理单元输出的各层配汽量和各层配汽孔面积，设置和调节各层分 层配汽孔的面积，进行分层汽驱流量分配；

所述分层测试单元用于对各层配汽后的生产动态进行分层测试。

所述蒸汽驱分层配汽系统中还包括显示输出单元，所述的显示输出单元用 于将油井资料、各项注汽参数和注汽结果输出。

图3为本发明中油井监测计量单元的示意图。

所述的压力传感器和温度传感器分别对油井中蒸汽进行检测和计量；本发 明在井口采用的是多相分离计量仪对井口注汽状况进行测量。湿蒸汽首先在分 离器中进行汽液分离，设置在分离器汽相输出端口的压力传感器、温度传感器 和涡轮流量计分别记录汽相的压力、温度和流量；设置在分离器液相输出端口 的涡轮流量计用于计量液体的流量；汽、液相分别计量后，通过引射喷嘴，使 两相充分混合，设置在混合物输出端的压力传感器、温度传感器用于计量注入 蒸汽的压力、温度。使用计算机自动采集各项参数，并进行数据处理和转换， 根据干度及注汽速度的定义，利用上述检测结果进行计算，就可得到井口的温 度、压力、干度和注汽速度。

图4-A为本发明中分层配汽装置为偏心分层配汽装置的阀芯的结构示意图 和阀芯中配汽嘴111剖面示意图；

所述的偏心分层配汽阀阀芯包括有打捞头101、阀芯主体108、入汽孔110、 配汽嘴111、出汽孔113、对正头114、压帽102、胶圈103，109，115、压簧 104、扭簧105、轴106和凸轮107。

所述偏心分层配汽阀阀芯的打捞头101通过锁扣与阀芯主体108锁定，并 通过压帽102压紧；压帽102通过胶圈103以螺纹方式与阀芯主体108相连， 压帽102与打捞头101之间设置有压簧104，扭簧105通过轴106固定在阀芯主 体108上，凸轮107装嵌在扭簧105的外侧；所述的入气孔110和出汽孔113 设置在所述阀芯主体108上；配汽嘴111安装在阀芯主体108的下部，对正头 114与阀芯主体108通过螺纹连接，并压紧配汽嘴111。

在所述偏心分层配汽阀阀芯中的配汽嘴111为拉瓦尔喷管型配汽嘴。

图4-B是偏心分层配汽阀的配汽工作筒的结构示意图；

所述的配汽工作筒包括有上接头121、配汽堵塞器座套筒125、进汽孔127、 出汽孔128、下接头136、工作筒主体137、胶圈122，126，129，134、上连接 滑套123、下连接滑套130、支架132、导向体135、螺钉124，131，133，138 和扶正器139，且在所述配汽阀阀芯座套筒125的上部设置有一外凸的扩孔140。

所述上接头121和下接头136分别以螺纹方式与配汽工作筒上连接滑套123 和下连接滑套130螺纹连接，下接头136紧靠导向体135；所述配汽堵塞座套筒 25固化在所述工作筒主体137内；所述的进汽孔127和出汽孔128设置在所述 工作筒主体137上；所述扶正器139通过螺钉124，138与工作筒主体137固定 连接；螺钉131将支架132固定在工作筒主体137上。螺钉133将导向体135 固定在配汽器下接头136上。

所述的偏心分层配汽阀阀芯设置在所述配汽工作筒的配汽堵塞器座套筒 125内：偏心分层配汽阀阀芯的对正头114通过其表面设置的卡槽与配汽工作筒 的配汽堵塞器座套筒125卡接，以确保偏心分层配汽阀阀芯的入汽孔110和出 汽孔113分别与配汽工作筒的进汽孔127和出汽孔128的位置适配；所述偏心 分层配汽阀阀芯的凸轮107支撑面的外轮廓与配汽工作筒的配汽堵塞器座套筒 125内的扩孔140的内径适配。以保证当将偏心分层配汽阀阀芯投放进配汽工作 筒后，凸轮7的支撑面卡在配汽堵塞器座套筒125内的上部扩孔140内。

其工作原理为当注入蒸汽时，偏心分层配汽阀阀芯靠其阀芯主体108的瓷 台阶坐封于配汽工作筒主体的配汽堵塞器座套筒125内，凸轮107卡于配汽堵 塞器座套筒125上部的扩孔140处，(因凸轮107在扭簧105的作用下，可向上 来回转动，故偏心分层配汽阀阀芯能进入配汽工作筒主体的配汽堵塞器座套筒 125内被卡住而不飞出)，偏心分层配汽阀阀芯主体108上下两组四道O型耐高 温胶圈封住配汽堵塞器座套筒125的出汽孔128，配汽工作筒的进汽孔127与偏 心分层配汽阀阀芯的入汽孔110对正，注入的水蒸汽经此进汽孔进入，经偏心 分层配汽阀阀芯的配器嘴111后，通过配汽工作筒的出汽孔128进入油、套管 环形空间后注入地层。其余的气体通过配汽工作筒流向下一级分层配汽器。

所述偏心分层配汽阀阀芯的投放过程是这样的：利用投捞器的投捞头安装 投送器，把配汽阀阀芯的打捞头101插入投送器内，二者用剪钉连接好。然后 用录井钢丝将投捞器下入井内，通过配汽工作筒的导向体135将偏心分层配汽 阀阀芯下入工作筒主体137的配汽阀阀芯座套筒125内。上提投捞器，凸轮107 的支撑面卡在配汽阀阀芯座套筒125内的上部扩孔140。结果剪钉被剪断，偏心 分层配汽阀阀芯留于配汽工作筒内，投捞器被起出。

偏心分层汽驱配汽阀阀芯的打捞过程：打捞是采用录井钢丝，使用偏心分 层汽驱配汽阀投捞器，将投捞器的投捞头安装打捞器。然后按上述施工步骤将 偏心分层配汽阀阀芯下入配汽工作筒主体137的配汽阀阀芯座套筒125内，当 导向爪进入导向体135的缺口时，投捞爪已进入配汽工作筒扶正器139的长槽 (螺钉24的上部)，正对配汽阀阀芯头部。待下放遇阻，打捞器已捞住偏心分层 配汽阀阀芯打捞杆，再上提投捞器。偏心分层配汽阀阀芯打捞杆压缩压簧104 上行，下端遇凸轮107脱离接触，凸轮107在扭簧105的作用下向下转动而内 收，偏心分层配汽阀阀芯被捞出并起到地面。

图5-A为本发明中分层配汽装置为同心分层配汽装置的一、二级同心分层 配汽器的结构示意图；

图5-B本发明中分层配汽装置为同心分层配汽装置的三级同心分层配汽器 的结构示意图；

图5-C本发明中分层配汽装置为同心分层配汽装置的同心分层配汽井筒的 结构示意图；

一种用于稠油分层蒸汽驱过程中的同心分层配汽装置，包括分层蒸汽驱同 心分层配汽井筒201，所述的分层配汽井筒201包括注汽管柱202，在所述的分 层配汽井筒201中还包括有封隔器203，所述的封隔器203将分层配汽井筒201 分隔成三级分层注汽腔，依照从井口到井底的顺序，依次为一级，二级和三级 分层注汽腔；且在每一级分层注汽腔中设置有一个同心分层配汽器204，所述的 同心分层配汽器204包括同心分层配汽阀固定阀体205和活动阀芯206。

图5-A是本实用新型实施例中的一、二级同心分层配汽器的结构示意图。

在每一个分层注汽腔中设置有一个同心分层配汽器204；同心分层配汽器 204包括同心分层配汽阀固定阀体205和活动阀芯206。所述每一层同心分层配 汽器204中的固定阀体205的上端和下端分别通过螺纹与接头213A、接头213B 连接，所述接头213A、接头213B与注汽管柱202连接；所述出汽孔207设置在 固定阀体205的侧壁上；

所述每一级同心分层配汽器204中的活动阀芯206的大小与该级固定阀体 205的通径相适配；所述活动阀芯206内部有一个通气管柱208，在所述通气管 柱208上部的外侧边缘设置有外螺纹209，所述的外螺纹209用于与配汽嘴211 连接；在所述活动阀芯206的外壁上设置有一环形锥型平台210，所述每一级的 活动阀芯206通过该环形锥型平台210与该层的固定阀体205座封；所述配汽 嘴211外侧轴向截面的形状为矩形截面。

图5-B是本实用新型实施例中的三级同心分层配汽器的结构示意图。所述 三级分层注汽腔为分层配汽井筒201中最底端的注汽腔，其中设置有一个同心 分层配汽器204。同心分层配汽器204包括同心分层配汽阀固定阀体205和活动 阀芯206。固定阀体205的上端和下端分别通过螺纹与接头213A、接头213B连 接，所述接头213A、接头213B与注汽管柱202连接；所述出汽孔207设置在固 定阀体205的侧壁上；

同心分层配汽器204中的活动阀芯206的大小与该级固定阀体205的通径 相适配；所述活动阀芯206内部的通气管柱208为实心管柱。在所述通气管柱 208上部的外侧边缘设置有外螺纹209，所述的外螺纹209用于与配汽嘴211连 接；在所述活动阀芯206的外壁上设置有一环形锥型平台210，所述每一级的活 动阀芯206通过环形锥型平台210与该层的固定阀体205座封；所述配汽嘴211 外侧轴向截面的形状为矩形截面。且在所述的活动阀芯206顶端设置有一打捞 杆212，所述打捞杆212用于将所述活动阀芯206打捞出配汽井筒201。

图5-C中表示井下三层注汽的结构，其中，每一个分层注汽腔中所述的同 心分层配汽器204的固定阀体205的上端和下端分别通过螺纹与接头213A、接 头213B连接，所述接头213A为内接头，接头213B为外接头，接头213A和接 头213B分别与注汽管柱202连接。一层和二层的活动阀芯206如图5-A所示， 三层的活动阀芯206如图5-B所示。

且第一层同心分层配汽器的固定阀体205总长为300mm，最大外径为 88.9mm，最小通径为54mm；活动阀芯206总长为200mm，最大外径为58mm，最 小通径为42mm，最小配汽过流面调整范围：180---1018mm2。

第二层同心分层配汽器的固定阀体205总长为300mm，最大外径为88.9mm， 最小通径为48mm；活动阀芯206总长为200mm，最大外径为52mm，最小通径为 42mm，最小配汽过流面调整范围：150---1018mm2。

第三层同心分层配汽器的固定阀体205总长为300mm，最大外径为88.9mm， 最小通径为42mm，活动阀芯206总长为200mm，最大外径为46mm，最小通径为 38mm，最小配汽过流面调整范围：150---1500mm2。

同心分层配汽装置的安装过程为：井下固定阀体的安装：固定阀体205通 过接头213A、接头213B与注汽管柱202连接后一同下井到设计位置。固定阀体 是同心分层配汽装置的固定部分，在蒸汽驱期间不能实现更换，而且每个层位 对应的固定阀体不同，必须按顺序连接，不能颠倒。

活动阀芯的安装：活动阀芯206是能够实现调整配汽的活动部分，不同注 汽管柱连接，只与固定阀体205配合，可以实现后期投放和打捞进行调整和更 换。并且与每个层位固定阀体205相配合的活动阀芯206是一一对应，顺序决 不能颠倒。

活动阀芯206的投放：活动阀芯采取从井口直接投放。投放时可几组活动 阀芯一起投放(活动阀芯从下层至上层的由下到上的顺序叠放在最下层的活动 阀芯上)，这样每到一个固定阀体205就会有相应的活动阀芯206被截留下来与 之配合，构成完整的同心分层配汽器。当然也可单独投放，其投放顺序也是由 下到上，先投最底层，依次向上逐级投放。

活动阀芯的打捞：活动阀芯206的打捞采用录井钢丝打捞，使用同心分层 汽驱配汽阀投捞器，将投捞器的投捞头安装打捞头。其中投捞器总长为300mm， 投捞器最大外径为35mm。将投捞器下放到最下层位置，其打捞头打已捞住最下 层活动阀芯的打捞杆212并锁紧，再上提同心分层汽驱配汽阀投捞器，此时即 打捞起了最下层活动阀芯，继续上提过程中，靠最下层活动阀芯打捞杆212与 上层活动阀芯206的直径配合，逐级将上部各层位的活动阀芯套装在上面，一 次可打捞出全部活动阀芯206。

本装置能够实现多级分层注汽，并且实现在蒸汽驱过程中根据实际情况对 各层注汽量进行任意调整，同时装置的结构又满足了当进行蒸汽驱的分层测试 时，可以方便、快捷的将检测工具设置在预定位置的分层配汽装置。

图6为本发明蒸汽驱分层配汽方法的流程图。

所述的蒸汽驱分层配汽方法包括油井监测计量步骤、油井注汽数据处理步骤、 实施分层配汽步骤、分层测试步骤和输出步骤；

A、油井监测计量步骤：所述油井监测计量单元包括四参数测量仪，对油 井的各注汽参数进行计量和检测，即对温度、压力、干度和注汽速度 进行计量和检测；

B、油井注汽数据处理步骤：所述的油井注汽数据处理单元包括流态判断 模块、数据计算处理模块、油井高度迭代模块和分层配汽孔面积设定 模块；

流态判断模块先判断该油层混合物的流动型态，数据计算处理模块根 据不同的流态和注汽参数依次对持液率、沿程阻力系数、压降、干度 及对应的高度进行计算；所述油井高度迭代模块用于从油井的井口至 目标点进行高度迭加，油井监测计量单元顺序提取油井各层的注汽参 数，以便对各层进行流态判断和数据计算处理，直至油井目标点；根 据地层的物性参数及油层厚度计算出分层配汽量；由分层配汽孔面积 设定模块根据所述数据计算处理模块处理得出的各项参数设定并计 算各层分层配汽孔的孔径面积；

C、实施分层配汽步骤：所述的分层配汽单元包括分层配汽装置，分层配 汽过程为分层配汽装置根据所述油井注汽数据处理单元输出的各层配 汽量和分层配汽孔面积计算并设定各层分层配汽器的配汽孔的面积， 进行分层汽驱流量分配；

D、分层测试步骤：所述分层测试单元包括四参数测量仪，用于对各层配汽 状态进行分层测试。

E、输出步骤：用于将输出油井资料、分层配汽各项参数数据以及配汽效果 分析结果。

在步骤A油井监测计量步骤和步骤D分层测试步骤中，所述油井监测计量 单元包括四参数测量仪分别为涡轮流量计、干度计量仪、压力传感器和温度传 感器；

所述的压力传感器和温度传感器分别对油井中蒸汽进行检测和计量；设置 在气相输出端口的涡轮流量计用于对气相数据进行流量计量；设置在液相输出 端口的涡轮流量计用于计量液体的流量；计量后的各物性参数输出给油井注汽 数据处理单元。

所述步骤B油井注汽数据处理步骤包括：

a、确定初始计算点：根据监测计量参数提取的位置，设置计算起始点和计 算方向；

b、输入注汽参数步骤：输入所述油井监测计量单元采集的当前油层的各项 物性数据；

c、判断步骤：流态判断模块根据油井监测计量单元输出的当前位置各项物 性参数判断该位置混合物的流动型态：分离流、间歇流和分散流；

d、数据处理步骤：根据不同的判断结果计算该位置相应流态下的持液率、 沿程阻力系数、压降、干度、目标层的配汽量和计算各目标层分层配汽孔的孔 径面积；

e、计算高度迭加步骤：将计算高度进行迭加，即确定下一计算点的起始位 置高度；

f、判断高度步骤：油井高度叠加后，判断叠加后的位置高度是否与井下目 标位置点高度一致；

g、重复步骤：若下一层的位置高度小于井下目标位置点高度，重复上述步 骤b-f；

h、输出步骤：若下一层的位置高度超出井下目标位置点高度，则采用内插 法，求出目标位置处的相应参数，输出步骤d数据处理的各项数据。