海上油田井口安全注水壓力研究

張鳳輝 徐興安 薛德棟 張潔茹

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457）

海上油田井口安全注水壓力研究

張鳳輝 徐興安 薛德棟 張潔茹

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457）

引用格式：張鳳輝，徐興安，薛德棟，等.海上油田井口安全注水壓力研究［J］.石油鉆采工藝，2015，37（6）：83-85.

注水井最大井口注水壓力主要與地層破裂壓力、井深、沿程壓力損失和水嘴壓力損失有關(guān)，若井下注水壓力超過地層破裂壓力則會(huì)造成地層出現(xiàn)微裂縫，影響注水作業(yè)安全。在總結(jié)分析分層注水壓力影響因素的基礎(chǔ)上，確定了井口安全注水壓力計(jì)算方法，并針對(duì)海上油田常用的4種注水管柱形式，開發(fā)了井口安全注水壓力計(jì)算軟件，該軟件的推廣應(yīng)用對(duì)于指導(dǎo)海上注水作業(yè)、保障注水安全具有重要意義。

注水壓力；地層破裂壓力；沿程壓力損失；水嘴壓力損失；注水安全

目前渤海油田注水開發(fā)區(qū)塊30余個(gè)，注水井500余口。不同區(qū)塊地質(zhì)情況不同，區(qū)塊間地層壓力存在差異。在日常注水作業(yè)過程中，井口注入壓力過高，將導(dǎo)致井下注水壓力超過地層破裂壓力，地層出現(xiàn)微裂縫，注入水沿裂縫延伸方向流動(dòng)，影響水驅(qū)效果；極端情況下，注入水沿裂縫竄至其它層位，引發(fā)注水安全風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。在對(duì)注水壓力影響因素分析的基礎(chǔ)上，確定了計(jì)算井口安全注水壓力的方法，并針對(duì)海上油田空心集成、一投三分、同心分注、地面分注四種分層注水管柱形式編制了井口安全注水壓力計(jì)算軟件［3-5］。該軟件的應(yīng)用對(duì)評(píng)估井口注水壓力是否合理、指導(dǎo)注水作業(yè)、保障注水安全具有重要意義。

1　注水壓力影響因素

注水過程中壓力影響因素主要包括：沿程壓力損失、局部壓力損失和水嘴壓力損失。

1.1注水沿程壓力損失

注水井沿程壓力損失可以由達(dá)西—威斯巴哈公式確定［6］

式中，Pm為沿程壓力損失，Pa；λ為水力摩阻系數(shù)，無量綱；L為注水管柱長度（斜深），m；D為管柱內(nèi)徑（流經(jīng)管柱為非圓界面時(shí)指當(dāng)量直徑），m；ν為液體流速，m/s；ρ為注水速率，m3/s。

1.2局部壓力損失

局部壓力損失為注水管柱內(nèi)通徑突縮或突擴(kuò)產(chǎn)生的壓力損耗，管徑突縮計(jì)算公式為

管徑突擴(kuò)計(jì)算公式為

式中，hj為局部水頭損失，m；ν1、ν2分別為突變前的平均流速和突變后的平均流速，m/s；ζ為突擴(kuò)圓管局部水頭損失系數(shù)，無量綱；A1、A2分別為管柱內(nèi)通徑突變前的過流面積和管柱內(nèi)通徑突變后的過流面積，m2；g為重力加速度，9.81 m/s2。

1.3水嘴壓力損失

針對(duì)海上油田分層注水工具特點(diǎn)，通過對(duì)大量水嘴壓耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，推導(dǎo)出水嘴壓力損失公式

式中，ΔP為水嘴壓力損失，MPa；Q為水嘴流量（多個(gè)水嘴時(shí)為流經(jīng)各水嘴的流量之和），m3/d；A為水嘴總過流面積（多個(gè)水嘴時(shí)為各水嘴過流面積之和），mm2。

2　井口安全注水壓力計(jì)算方法

注水過程中，分層注入壓力主要與井口注入壓力、靜液柱壓力、沿程壓力損失、局部壓力損失、水嘴壓力損失等有關(guān)，計(jì)算公式為

式中，P井口為井口最大注水壓力，MPa；P破裂為地層破裂壓力，MPa；μ為安全系數(shù)，為保障海上油田注水安全，一般選為0.85；P沿程為沿程壓力損失，MPa；P局部為局部壓力損失，MPa；P水嘴為水嘴壓力損失，MPa；P靜水為靜液柱壓力，MPa；P其他為地層表皮產(chǎn)生的壓力損失，MPa。

3　井口安全注水壓力計(jì)算軟件

針對(duì)海上油田應(yīng)用較多的空心集成、一投三分、同心分注和地面分注4種分層注水管柱形式，依據(jù)井口安全注水壓力計(jì)算方法，編制了井口安全注水壓力計(jì)算軟件。該軟件根據(jù)4種管柱形式錄入油套管尺寸、下入深度、水嘴大小、水嘴個(gè)數(shù)等信息，可計(jì)算出沿程壓力損失、局部壓力損失、水嘴壓力損失，最終得出井口安全注水壓力；同時(shí)該軟件還具有注水管柱圖繪制和壓力計(jì)算報(bào)告導(dǎo)出等功能。

3.1軟件架構(gòu)

注水壓力計(jì)算軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為井下工具和油套管參數(shù)錄入、地面分注、空心集成、一投三分、同心分注和報(bào)告導(dǎo)出6個(gè)模塊。針對(duì)地面分注、空心集成、一投三分、同心分注模塊分別設(shè)有管柱圖繪制和注水壓力計(jì)算子模塊。

3.2軟件模塊

3.2.1井下工具和油套管參數(shù)錄入模塊 井下工具和油套管參數(shù)錄入模塊，采用ADO數(shù)據(jù)訪問接口與Access數(shù)據(jù)庫連接，利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的寫入、修改及刪除等操作。該模塊可以錄入注水管柱各部分的參數(shù)，以方便后續(xù)管柱圖繪制及注水壓力計(jì)算。

3.2.2管柱圖繪制模塊 該模塊與井下工具和油套管參數(shù)錄入模塊緊密聯(lián)系，采用ADO控件讀取井下工具和油套管參數(shù)。繪制管柱圖時(shí)，用戶只需根據(jù)管柱結(jié)構(gòu)，選擇井下工具和油套管數(shù)據(jù)庫中的工具并錄入管柱各工具的下入深度等信息便可繪制出注水管柱圖。

3.2.3注水壓力計(jì)算模塊 在完成管柱圖繪制模塊相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入后，即可進(jìn)行壓力計(jì)算。壓力計(jì)算模塊可針對(duì)多個(gè)分層求出各分層最大注水壓力，計(jì)算時(shí)只需要錄入各分層深度、水嘴個(gè)數(shù)、水嘴直徑等信息。

3.2.4報(bào)告導(dǎo)出模塊 注水壓力計(jì)算報(bào)告導(dǎo)出模塊可以將輸入?yún)?shù)如注水層深度、注水量、水嘴參數(shù)，以及計(jì)算結(jié)果如地層破裂壓力、沿程壓力損失、局部壓力損失、水嘴壓力損失、靜水柱壓、各分層最大注水壓力和井口最大安全注水壓力，以列表形式顯示，同時(shí)還可以將計(jì)算報(bào)告導(dǎo)出為excel表格格式，便于后期的數(shù)據(jù)處理。

4　應(yīng)用實(shí)例

為保障注水作業(yè)安全，應(yīng)用井口安全注水壓力計(jì)算軟件對(duì)QHD油田XX井進(jìn)行井口注水壓力校驗(yàn)。該井?244.5 mm套管完井，空心集成分層注水管柱形式，油管尺寸為?88.9 mm。該井分注兩層，上層注水層段斜深1 714.2～1 733.5 m，下層注水層段斜深1 781.1～1 793.7m；第一層段配注量為97 m3/d，第二層段配注量為230 m3/d；空心集成配水器上層裝1個(gè)?7.4 mm水嘴，下層全開注水。該油田破裂壓力梯度0.021 MPa/m，計(jì)算最大流壓時(shí)安全系數(shù)選為0.85。

經(jīng)注水壓力計(jì)算軟件計(jì)算，該井第一層段地層破裂壓力30.99 MPa，沿程壓力損失0.13 MPa，局部壓力損失0.01 MPa，水嘴壓力損失0.29 MPa，計(jì)算井口最大注水壓力為12.32 MPa。第二層段地層破裂壓力32.01 MPa，沿程壓力損失0.14 MPa，局部壓力損失0.01 MPa，水嘴壓力損失0.01 MPa，計(jì)算得到井口最大注水壓力為12.46 MPa。綜合分析，該井井口最大注水壓力不能超過12.32 MPa，現(xiàn)場(chǎng)井口實(shí)際注水壓力8.5 MPa，該井分層注水作業(yè)較安全。

5　結(jié)論

（1）對(duì)分層注水壓力的影響因素進(jìn)行分析，得到了井口安全注水壓力計(jì)算方法。

（2）基于井口安全注水壓力計(jì)算算法開發(fā)的注水壓力計(jì)算軟件，能夠針對(duì)目前常用的分層注水管柱繪制管柱圖，并計(jì)算井口安全注入壓力，保障了注水安全。

（3）利用井口安全注入壓力計(jì)算軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某注水井進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)海上注水作業(yè)、保障注水安全具有重要意義。

［1］梁衛(wèi)東，姜貴璞，王麗敏，等.砂巖油田合理注水壓力的確定［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，28（4）：42-44.

［2］劉遠(yuǎn)志，谷麗紅，郝曉軍.注水井井口壓降資料應(yīng)用探討［J］.石油鉆采工藝，2012，34（S1）：111-113.

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［4］韓洪升，付金輝，王春光，等.分層注水井配水嘴嘴損曲線規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油地質(zhì)與工程，2008，22（2）：79-81.

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［6］劉合，張廣明，張勁，等.油井水力壓裂摩阻計(jì)算和井口壓力預(yù)測(cè)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S1）：2833-2839.

（修改稿收到日期 2015-10-29）

〔編輯 李春燕〕

Research on safe water injection pressure at wellhead on offshore oilfeld

ZHANG Fenghui，XU Xing'an，XUE Dedong，ZHANG Jieru
（Engineering Technology Branch，CNOOC Energy Technology & Serνices Limited，Tianjin 300457，China）

The maximum water injection pressure at wellhead of water injector is mainly related to formation fracture pressure，well depth，pressure loss along the way and pressure loss at water nozzle. Where the down-hole water injection pressure exceeds the formation fracture pressure，then micro-fractures may occur in the formation，hence affecting the safety of water injection. Based on analysis of the factors affecting separate-layer water injection pressures，the calculation method was finalized for safe water injection pressure at wellhead. Also，a software for calculating safe water injection pressure at wellhead was developed for the four forms of water injection strings often used on offshore oilfields. The promotion and application of this software is of great significance in directing offshore water injection operation and guaranteeing the safety of water injection.

water injection pressure； formation fracture pressure； pressure loss along the way； pressure loss at water nozzle； water injection safety

TE357.8

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0083-03 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.021

張鳳輝，1968年生。1992年畢業(yè)于南京航空學(xué)院電氣技術(shù)專業(yè)，碩士研究生?，F(xiàn)主要從事油水井測(cè)試方面的工作，高級(jí)工程師。電話：022-66907207。E-mail：zhangfh5@cnooc.com.cn。