一种蒸汽驱分层配汽系统及其配汽方法

摘要

本发明为一种蒸汽驱分层配汽系统及其方法，属于一种用于稠油蒸汽驱井中的系统和方法。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。本发明根据需要设置各层配汽量和各层配汽孔面积，进行分层汽驱流量分配。其具有：实现蒸汽驱的分层注汽、满足分层蒸汽驱的分层测试要求、和实现蒸汽驱过程中各层注汽量的调整。

说明书

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，可以说注蒸汽热采力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。蒸汽吞吐方法己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己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》一提及多层注蒸汽和注入剖面测量技术一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开展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：

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其中 $>>b>=>->>>C>2>>>C>1>>>z>;>>s>$ >>k>=>>>C>2>>>C>1>>>z>.>>s>$$

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为了求得C₁、C₂和C₃，必须给出h_w及h_s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C_d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

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其中

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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(1)、阀芯主体(8)、入汽孔(10)、配汽嘴(11)、出汽孔(13)和对正头(14)；所述偏心分层配汽阀阀芯的打捞头(1)通过锁扣与阀芯主体(8)锁定；所述的入气孔(10)和出汽孔(13)设置在所述阀芯主体(8)上；配汽嘴(11)装嵌在阀芯主体(8)的下部，对正头(14)与阀芯主体(8)螺纹连接，并压紧配汽嘴(11)；

所述的配汽工作筒包括有上接头(21)、配汽堵塞器座套筒(25)、进汽孔(27)、出汽孔(28)、下接头(36)和工作筒主体(37)；所述配汽工作筒的上接头(21)和下接头(36)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(25)固化在所述工作筒主体(37)内；所述的进汽孔(27)和出汽孔(28)设置在所述工作筒主体(37)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(25)内，且偏心分层配汽阀阀芯的入汽孔(10)和出汽孔(13)分别与配汽工作筒的进汽孔(27)和出汽孔(28)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2、胶圈3，9，12，15、压簧4、扭簧5、轴6和凸轮7；所述偏心分层配汽阀阀芯的打捞头1通过锁扣与阀芯主体8锁定，并通过压帽2压紧；压帽2通过胶圈3以螺纹方式与阀芯主体8相连，压帽2与打捞头1之间设置有压簧4，扭簧5通过轴6固定在阀芯主体8上，凸轮7装嵌在扭簧5的外侧；所述的入气孔10和出汽孔13设置在所述阀芯主体8上；配汽嘴11安装在阀芯主体8的下部，对正头14与阀芯主体8通过螺纹连接，并压紧配汽嘴11；

所述的配汽工作筒还包括有：胶圈22，26，29，34、上连接滑套23、下连接滑套30、支架32、导向体35、螺钉24，31，33，38和扶正器39，且在所述配汽阀阀芯座套筒25的上部设置有一外凸的扩孔40；所述上接头21和下接头36分别以螺纹方式与配汽工作筒上连接滑套23和下连接滑套30螺纹连接，下接头36紧靠导向体35；所述配汽堵塞座套筒25固化在所述工作筒主体37内；所述的进汽孔27和出汽孔28设置在所述工作筒主体37上；所述扶正器39通过螺钉24，38与工作筒主体37固定连接；螺钉31将支架32固定在工作筒主体37上。螺钉33将导向体35固定在配汽器下接头36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25内：偏心分层配汽阀阀芯的对正头14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25卡接，以确保偏心分层配汽阀阀芯的入汽孔10和出汽孔13分别与配汽工作筒的进汽孔27和出汽孔28的位置适配；所述偏心分层配汽阀阀芯的凸轮7支撑面的外轮廓与配汽工作筒的配汽堵塞器座套筒25内的扩孔40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3，9，12，15和配汽工作筒中的胶圈22，26，29，34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11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(1)，所述的分层配汽井筒(1)包括注汽管柱(2)和封隔器(3)，所述的封隔器(3)将分层配汽井筒(1)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(4)；

所述的同心分层配汽器(4)包括同心分层配汽阀固定阀体(5)和活动阀芯(6)；在所述的固定阀体(5)侧壁上设置有一出汽孔(7)；所述活动阀芯(6)内部有一个通气管柱(8)，在所述通气管柱(8)上部的外侧边缘设置有外螺纹(9)；在所述活动阀芯(6)的外壁上设置有一环形锥型平台(10)；

所述的同心分层配汽器(4)还包括配汽嘴(11)，且所述的配汽嘴(11)通过螺纹(9)与所述活动阀芯(6)的上端连接；

所述配汽嘴(11)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3将分层配汽井筒1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4；

所述每一层同心分层配汽器4中的固定阀体5的上端和下端分别通过螺纹与接头13A、13B连接，所述接头13A、13B与注汽管柱2连接；所述出汽孔7设置在固定阀体5的侧壁上；

所述每一层同心分层配汽器4中的活动阀芯6的大小与该层固定阀体5的通径相适配；所述活动阀芯6内部有一个通气管柱8，在所述通气管柱8上部的外侧边缘设置有外螺纹9，所述的外螺纹9用于与配汽嘴11连接；在所述活动阀芯6的外壁上设置有一环形锥型平台10，所述每一层的活动阀芯6通过该环形锥型平台10与该层的固定阀体5座封；所述配汽嘴11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6内的通气管柱8为实心管柱；且在所述的活动阀芯6顶端设置有一打捞杆12，所述打捞杆12用于将所述活动阀芯6打捞出配汽井筒1。

在具体的应用中，所述注汽管柱2内的工作压力：10～25Mpa；

所述各层固定阀体5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6的长度范围：150～200mm；外径范围：45～60mm；内径范围：38～45mm；

所述配汽嘴11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：

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其中 $>>b>=>->>>C>2>>>C>1>>>z>;>>s>$ >>k>=>>>C>2>>>C>1>>>z>.>>s>$$

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为了求得C₁、C₂和C₃，必须给出h_w及h_s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p_e，半径为供给半径R_e，井的半径为R_w，井底压力为p_w。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

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在平面径向渗流中，每一层的渗流速度为 $>>>V>i>>=>>>Q>i>>>2>\pi >>h>i>>>>>1>r>>>s>$

式中

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

根据连续性方程可知

Q_总＝∑Q_i＝∑Ch_i＝C∑h_i                  (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C_d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

$>>A>=>>>>G>tp>>ver>>\rho >‾>\; >>>>>2>\psi >>2>sup>>C>d>2sup>>>\rho >l>>>\rho >g>>>(>p>->>p>1>>)>>+sup>>G>tp>2sup>>ver>>\rho >‾>>2>>/>>S>2>\; >>>s>$

其中

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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

  井筒半径  122mm  套补距  3.55m  油管规范及深度  Φ114.3mm隔热油管×980.0m×1.2m配汽器  套管规范及深度  Φ177.8mm×1083m  内径  161.7mm

                     表2试验井油层物性数据

  层号  井段  (m)  厚度  (m)  渗透率  (μm²)  解释结果  10  980.5~983.5  3.0  852  稠油层  11  985.2~987.6  2.4  763  稠油层  13  990.3~997.8  7.5  665  上部7.9m稠油层  下部1.4m干层  14  1003.0~1007.2  4.2  812  上部1.2m干层  下部6.6m油层  15  1010.0~1012.8  2.8  738  稠油层  17  1018.5~1021.7  3.2  927  稠油层  18  1022.7~1024.2  1.5  948  稠油层  20  1029.5~1030.6  1.1  10  低产油层  21  1033.0~1036.7  3.7  454  稠油层

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

  隔热材料厚度  1.38×10^-2m    地层热扩散系数  3.87×10^-3  热传导系数  地层  6.23  气体  0.25  水泥环  3.36  环空流体  0.94  隔热材料       3.29  温度  地表温度  15.60℃  温度梯度  2.90℃/100m  辐射率  油管  0.80  套管  1.00  开始注汽  2002-04-01  测试时间  2002-04-05  注汽锅炉  出口参数  排量  500m³  干度  0.70  压力  10.0MPa  温度  310℃  井口参数  压力  5.72MPa  干度  0.40

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

  油层组  油层厚(m)        吸汽剖面％  设计值  实测值  第一油层组  24.6  60  61.13  第二油层组  4.7  40  38.87

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11剖面示意图；

所述的偏心分层配汽阀阀芯包括有打捞头1、阀芯主体8、入汽孔10、配汽嘴11、出汽孔13、对正头14、压帽2、胶圈3，9，12，15、压簧4、扭簧5、轴6和凸轮7。

所述偏心分层配汽阀阀芯的打捞头1通过锁扣与阀芯主体8锁定，并通过压帽2压紧；压帽2通过胶圈3以螺纹方式与阀芯主体8相连，压帽2与打捞头1之间设置有压簧4，扭簧5通过轴6固定在阀芯主体8上，凸轮7装嵌在扭簧5的外侧；所述的入气孔10和出汽孔13设置在所述阀芯主体8上；配汽嘴11安装在阀芯主体8的下部，对正头14与阀芯主体8通过螺纹连接，并压紧配汽嘴11。

在所述偏心分层配汽阀阀芯中的配汽嘴11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21、配汽堵塞器座套筒25、进汽孔27、出汽孔28、下接头36、工作筒主体37、胶圈22，26，29，34、上连接滑套23、下连接滑套30、支架32、导向体35、螺钉24，31，33，38和扶正器39，且在所述配汽阀阀芯座套筒25的上部设置有一外凸的扩孔40。

所述上接头21和下接头36分别以螺纹方式与配汽工作筒上连接滑套23和下连接滑套30螺纹连接，下接头36紧靠导向体35；所述配汽堵塞座套筒25固化在所述工作筒主体37内；所述的进汽孔27和出汽孔28设置在所述工作筒主体37上；所述扶正器39通过螺钉24，38与工作筒主体37固定连接；螺钉31将支架32固定在工作筒主体37上。螺钉33将导向体35固定在配汽器下接头36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25内：偏心分层配汽阀阀芯的对正头14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25卡接，以确保偏心分层配汽阀阀芯的入汽孔10和出汽孔13分别与配汽工作筒的进汽孔27和出汽孔28的位置适配；所述偏心分层配汽阀阀芯的凸轮7支撑面的外轮廓与配汽工作筒的配汽堵塞器座套筒25内的扩孔40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25内的上部扩孔40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8的瓷台阶坐封于配汽工作筒主体的配汽堵塞器座套筒25内，凸轮7卡于配汽堵塞器座套筒25上部的扩孔40处，(因凸轮7在扭簧5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25内被卡住而不飞出)，偏心分层配汽阀阀芯主体8上下两组四道O型耐高温胶圈封住配汽堵塞器座套筒25的出汽孔28，配汽工作筒的进汽孔27与偏心分层配汽阀阀芯的入汽孔10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11后，通过配汽工作筒的出汽孔28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1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35将偏心分层配汽阀阀芯下入工作筒主体37的配汽阀阀芯座套筒25内。上提投捞器，凸轮7的支撑面卡在配汽阀阀芯座套筒25内的上部扩孔40。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37的配汽阀阀芯座套筒25内，当导向爪进入导向体35的缺口时，投捞爪已进入配汽工作筒扶正器39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4上行，下端遇凸轮7脱离接触，凸轮7在扭簧5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1，所述的分层配汽井筒1包括注汽管柱2，在所述的分层配汽井筒1中还包括有封隔器3，所述的封隔器3将分层配汽井筒1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4，所述的同心分层配汽器4包括同心分层配汽阀固定阀体5和活动阀芯6。

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4；同心分层配汽器4包括同心分层配汽阀固定阀体5和活动阀芯6。所述每一层同心分层配汽器4中的固定阀体5的上端和下端分别通过螺纹与接头13A、接头13B连接，所述接头13A、接头13B与注汽管柱2连接；所述出汽孔7设置在固定阀体5的侧壁上；

所述每一级同心分层配汽器4中的活动阀芯6的大小与该级固定阀体5的通径相适配；所述活动阀芯6内部有一个通气管柱8，在所述通气管柱8上部的外侧边缘设置有外螺纹9，所述的外螺纹9用于与配汽嘴11连接；在所述活动阀芯6的外壁上设置有一环形锥型平台10，所述每一级的活动阀芯6通过该环形锥型平台10与该层的固定阀体5座封；所述配汽嘴11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1中最底端的注汽腔，其中设置有一个同心分层配汽器4。同心分层配汽器4包括同心分层配汽阀固定阀体5和活动阀芯6。固定阀体5的上端和下端分别通过螺纹与接头13A、接头13B连接，所述接头13A、接头13B与注汽管柱2连接；所述出汽孔7设置在固定阀体5的侧壁上；

同心分层配汽器4中的活动阀芯6的大小与该级固定阀体5的通径相适配；所述活动阀芯6内部的通气管柱8为实心管柱。在所述通气管柱8上部的外侧边缘设置有外螺纹9，所述的外螺纹9用于与配汽嘴11连接；在所述活动阀芯6的外壁上设置有一环形锥型平台10，所述每一级的活动阀芯6通过环形锥型平台10与该层的固定阀体5座封；所述配汽嘴11外侧轴向截面的形状为矩形截面。且在所述的活动阀芯6顶端设置有一打捞杆12，所述打捞杆12用于将所述活动阀芯6打捞出配汽井筒1。

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4的固定阀体5的上端和下端分别通过螺纹与接头13A、接头13B连接，所述接头13A为内接头，接头13B为外接头，接头13A和接头13B分别与注汽管柱2连接。一层和二层的活动阀芯6如图1所示，三层的活动阀芯6。

且第一层同心分层配汽器的固定阀体5总长为300mm，最大外径为88.9mm，最小通径为54mm；活动阀芯6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5总长为300mm，最大外径为88.9mm，最小通径为48mm；活动阀芯6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5总长为300mm，最大外径为88.9mm，最小通径为42mm，活动阀芯6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5通过接头13A、接头13B与注汽管柱2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6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5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5相配合的活动阀芯6是一一对应，顺序决不能颠倒。

活动阀芯6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5就会有相应的活动阀芯6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6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12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12与上层活动阀芯6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6。

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。