多通道連續(xù)油管地面分層注水技術(shù)研究

葉勤友

(吉林油田公司 油氣工程研究院，吉林 松原 138000)

引 言

我國(guó)各大油田非均質(zhì)性普遍，開發(fā)對(duì)象物性差異較大，層間、層內(nèi)矛盾較為突出，油層動(dòng)用不均衡。分層注水作為油田開發(fā)中解決層間矛盾、提高采收率和油層動(dòng)用程度的主要技術(shù)手段，有助于多層配水和任意層投撈的實(shí)現(xiàn)。三代分層注水技術(shù)[1]以固定式、鋼絲投撈式、電纜測(cè)調(diào)式為代表。近年來，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)分層注水工藝進(jìn)行了進(jìn)一步研究，如：在解決長(zhǎng)6油藏層內(nèi)層間矛盾時(shí)，采取分層注水措施補(bǔ)充油層能量[2]；福山油田流一段受油層埋藏深、井斜大、水質(zhì)差、腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重、層間矛盾突出等客觀因素制約，在吉林油田，對(duì)此而形成的同心雙管、橋式偏心、橋式同心等精細(xì)分注技術(shù)[3]。目前，普通偏心、橋式偏心、同心精細(xì)分層注水技術(shù)是國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的成熟技術(shù)[4-5]，可利用一趟管柱實(shí)現(xiàn)1～2個(gè)地層的分層注水。以吉林油田為例，開展精細(xì)注水以來，分層注水井及分注層段逐年增多，但常規(guī)的井下分層注水技術(shù)測(cè)試工作量大、效率低、資料有效期短；地面分層注水技術(shù)測(cè)試效率、測(cè)試精度較高，但只能實(shí)現(xiàn)2層注水，且施工作業(yè)量大。面對(duì)油田開發(fā)形勢(shì)及分層注水工藝現(xiàn)狀，探索多通道同時(shí)進(jìn)行分層注水工藝技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。

本文開發(fā)了一種多通道地面分層注水技術(shù)，通過兩種規(guī)格連續(xù)油管建立多個(gè)注水通道連接各需要注水的地層，采用可鉆橋塞分隔各注水層，采用密封插管與可鉆橋塞插接密封，形成4個(gè)注水通道分別與對(duì)應(yīng)的注水層連通，各層互不影響，以達(dá)到多地層同時(shí)分層注水的目的。

1 多通道連續(xù)油管地面分層注水

1.1 注水裝置

多通道連續(xù)油管地面分層注水工藝?yán)枚嗤ǖ赖孛娣謱幼⑺谶M(jìn)行注水，通過連續(xù)油管建立多個(gè)并行注水通道，采用雙向卡瓦錨定機(jī)構(gòu)、可鉆橋塞與密封插管組合實(shí)現(xiàn)地層之間的分隔，形成封隔時(shí)間長(zhǎng)、坐封效果可靠的多個(gè)注水通道。圖1為多通道連續(xù)油管地面3層注水結(jié)構(gòu)示意圖。在一次管柱注水操作過程中，水流通過不同通道到達(dá)不同目標(biāo)地層，從而達(dá)到利用一趟管柱實(shí)現(xiàn)地面多層注水的目的。可鉆式橋塞及多功能密封接頭，能夠使坐封更加可靠[6]。同時(shí)，這種特殊封隔密封技術(shù)可以延長(zhǎng)整體管柱壽命，避免注水井管柱卡井導(dǎo)致大修的風(fēng)險(xiǎn)，提高井下作業(yè)效率。

注水裝置中的連續(xù)油管是指長(zhǎng)度在100 m以上的柔性管，焊接連接后長(zhǎng)度可達(dá)幾百米至幾千米，有很好的撓性(又稱撓性油管)，一般用來進(jìn)行壓裂、洗井及采油等作業(yè)。本文利用連續(xù)油管建立多個(gè)注水通道進(jìn)行注水，是一種連續(xù)油管井下作業(yè)的新方法，同時(shí)也是一種全新的地面注水模式，利用這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3～4個(gè)地層同時(shí)注水。

圖1 多通道連續(xù)油管地面3層注水結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of three-layer water injection structure for multi-channel coiled tubing

1.2 工藝流程

在工程應(yīng)用過程中，首先將多通道連續(xù)油管中各層可鉆橋塞與坐封工具可靠連接，并通過電纜將其分別輸送到設(shè)計(jì)位置形成坐封；根據(jù)油層距離在多通道連續(xù)油管上連接各層密封插管，于最下端安裝扶正裝置，多通道連續(xù)油管依靠井上多通道連續(xù)油管釋放及鎖緊裝置懸掛，方便多通道連續(xù)油管靈活裝卸而不影響連續(xù)油管及周圍裝置正常運(yùn)作；在多通道連續(xù)油管頂層設(shè)計(jì)有限位裝置，能夠在注水到位后自行上提一定高度，有效防止注水時(shí)油管伸縮；最后在多通道連續(xù)油管完成裝配后安裝井口，并進(jìn)行注水試驗(yàn)。由地面配注裝置控制各個(gè)地層的注入量，同時(shí)通過流量表、壓力表測(cè)得每層的注水量及壓力，壓力表與閘板閥配合使用檢驗(yàn)井下封隔器的密封性。

1.3 多通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，首先用Q195鎧裝鋼帶將3根外徑19.5 mm、壁厚1.9 mm的CT90鋼管扎在一起形成內(nèi)管，再將其整體置于外徑50.8 mm、壁厚3.2 mm的CT90外管中，從而形成4個(gè)獨(dú)立的過流通道(3根內(nèi)管的內(nèi)部通道及鎧裝結(jié)構(gòu)與外管內(nèi)壁之間的通道)，鎧裝及外管的設(shè)計(jì)可以確保內(nèi)部多注水通道的建立，并順利實(shí)現(xiàn)多通道油管下井。設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)依照API Spec 5ST-2010《連續(xù)油管規(guī)范》，油管技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 多通道連續(xù)油管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-channel coiled tubing

類別鋼級(jí)外徑/mm壁厚/mm密度/(kg· m-3)容積/(L· m-1)屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa外管CT9050.83.27 8001.55669735裝鎧Q1950.57 800/195/內(nèi)管CT9019.51.97 8000.19669735

1.3.1 內(nèi)外油管的軸向抗力計(jì)算

油管中，內(nèi)管需承受自身的重力、內(nèi)部水柱的重力、內(nèi)部水流的摩擦力、環(huán)空水流的摩擦力及1/3鎧裝層的重力；外管需承受自身重力、環(huán)空水柱的重力、環(huán)空水流的摩擦力以及內(nèi)管的所有載荷。當(dāng)所有載荷的合力低于油管的抗力時(shí)結(jié)構(gòu)安全。

由表1可知，內(nèi)外管均采用CT90鋼級(jí)連續(xù)油管，管體的極限軸向拉伸載荷

(1)

其中：D為油管外徑，m；d為油管內(nèi)徑，m；[σ]為許用應(yīng)力，[σ]=Rm/n，Pa；n為抗拉安全系數(shù)，一般取2。由計(jì)算可知，外管、內(nèi)管的軸向抗力分別為17.94 t和3.94 t。

1.3.2 單根內(nèi)管通道內(nèi)水流摩擦力分析

四通道同時(shí)注水時(shí)，單根連續(xù)油管單層日注入量為20 m3/d時(shí)，其過流面的平均流速

(2)

(3)

雷諾數(shù)大于2 000，因此水的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。其沿程摩阻系數(shù)可根據(jù)布拉斯公式計(jì)算，即

(4)

根據(jù)達(dá)西公式可得內(nèi)管單管中的水頭損失為

(5)

該水頭損失產(chǎn)生的作用在內(nèi)管上的摩擦力

Ffi=ρAhf，

(6)

式中：hf為水頭損失，m；ρ為水的密度，kg/m3；λ為沿程摩阻系數(shù)；H為注水管柱的長(zhǎng)度，m；di為內(nèi)管內(nèi)徑，m；v為平均流速，m/s；g為重力加速度，9.8m/s2；A為過流面積，m2。

1.3.3 外管與內(nèi)管環(huán)空內(nèi)水流摩擦力分析

(7)

潤(rùn)周χ=πdo+3πDi；

(8)

水力直徑de=4A/χ。

(9)

式中：A為過流面積，m2；χ為潤(rùn)周，m；do為外管內(nèi)徑，m；Di為內(nèi)管外徑，m；de為水力直徑，m。

采用式(2)、式(3)計(jì)算得環(huán)空流體的雷諾數(shù)為3 205，大于2 000，仍然為紊流狀態(tài)。因此，摩阻系數(shù)、水頭損失均可采用式(4)～式(6)計(jì)算，在計(jì)算過程中需要將直徑di改為外管的水力直徑de。

環(huán)空內(nèi)流體的摩擦力作用在外管內(nèi)壁及內(nèi)管外壁，按流體潤(rùn)周中外管及內(nèi)管的比例進(jìn)行分配，即

Ffoi=3πDiFfo/χ；

(10)

Ffoo=πdoFfo/χ。

(11)

式中：Ffoi為環(huán)空內(nèi)流體對(duì)內(nèi)管的摩擦力，t；Ffoo為環(huán)空內(nèi)流體對(duì)外管的摩擦力，t。

1.3.4 內(nèi)管與外管的強(qiáng)度分析

單根內(nèi)管在四通道同時(shí)注水過程中受到的軸向力

Fi=Wi+Wwi+Ffi+Ffo+Wa/3 。

(12)

式中：Fi為單根內(nèi)管承受的總軸向載荷，t；Wi為單根內(nèi)管的自重，t；Wwi為單根內(nèi)管內(nèi)部水的自重，t；Ffi為內(nèi)管內(nèi)部水流摩擦力，t；Wa為裝鎧的自重，t。

外管在四通道同時(shí)注水過程中受到的軸向力

Fo=Wo+Wwo+Ffo+3Fi。

(13)

式中：Fo為外管承受的總軸向載荷，t；Wo為外管的自重，t；Wfo為環(huán)空內(nèi)水的自重，t。

不同管長(zhǎng)度的多通道注水系統(tǒng)的載荷分析結(jié)果見表2。當(dāng)3層注水管長(zhǎng)為2 516 m時(shí)，外管上的作用力為17.94 t，達(dá)到了其承載極限。4層注水時(shí)外管的載荷大于3層注水，當(dāng)注水管長(zhǎng)為2 299 m時(shí)，外管達(dá)到承載極限。因此本文所開發(fā)的多通道注水系統(tǒng)的極限注水深度為2 299 m，可實(shí)現(xiàn)3層或4層同時(shí)注水。

1.4 可鉆橋塞設(shè)計(jì)

如圖3所示，可鉆橋塞用于封隔油層。橋塞整體采用復(fù)合可鉆材料加工、易鉆除，能夠避免井下長(zhǎng)期服役所引起的卡井風(fēng)險(xiǎn)；整體式雙向卡瓦設(shè)計(jì)中，錨牙采用特殊合金材料，能可靠地坐封在套管上；一級(jí)抽油泵間隙配合橡膠環(huán)和聚四氟乙烯組合密封方式，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效密封。

將坐封工具和可鉆橋塞連接好，利用電纜將其輸送到井筒預(yù)定位置，通過火藥爆破形成的壓力作用于上下卡瓦，上下卡瓦破碎并鑲嵌在套管內(nèi)壁上，膠筒膨脹并密封，完成坐封，同時(shí)形成的拉力作用于剪釘，當(dāng)拉力達(dá)到一定值時(shí)，剪釘剪斷，坐封工具與橋塞脫離?？摄@橋塞技術(shù)參數(shù)見表3。

表2 多通道連續(xù)油管強(qiáng)度校核Tab.2 Strength checking of multi-channel coiled tubing

圖3 可鉆橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of drillable bridge plug

1.5 多功能密封接頭

多功能密封接頭需與異型連續(xù)油管結(jié)構(gòu)配套設(shè)計(jì)，插管兩端結(jié)構(gòu)相同，其本體外部與橋塞形成密封，端部里側(cè)通過橡膠密封圈與管柱外管形成密封，端部通過橡膠密封圈與管柱內(nèi)3根小管形成密封。各級(jí)插管設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表4，均高于作業(yè)參數(shù)。

1.6 多通道分層注水井口

多通道分層注水井口由采油樹、平板閘閥、異型連續(xù)油管釋放與鎖緊裝置、地面可調(diào)式配注器、壓力計(jì)、流量計(jì)、連接注水管匯等部件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)分層注水及地面高效測(cè)調(diào)試。注水井口設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表5。

表4 密封插管技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical parameters of sealing intubation

表5 注水井口技術(shù)參數(shù)Tab.5 Technical parameters of water injection wellhead

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2017年3月在木141-67.1現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)過程中采用本文開發(fā)的多通道注水系統(tǒng)進(jìn)行3層分層注水，其井深為754.39 m，一級(jí)橋塞置于661.5 m處，二級(jí)橋塞置于684.2 m處，三級(jí)橋塞置于704.3 m處。橋塞坐封及油管插配均一次成功。目前，工作過程中日配注25 m3，注水、測(cè)試均表現(xiàn)平穩(wěn)，注水測(cè)試結(jié)果良好，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，本文開發(fā)的多通道連續(xù)油管地面分層注水技術(shù)可行，注水效果穩(wěn)定，裝置密封性可靠?？蓪?shí)現(xiàn)周期檢管作業(yè)不動(dòng)封隔器，避免作業(yè)時(shí)管柱卡井風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)封隔器密封壽命。地面測(cè)調(diào)時(shí)無需測(cè)試車輛進(jìn)入井場(chǎng)，井組人員就可以進(jìn)行管柱驗(yàn)封及水量調(diào)配操作，有效解決了深井、低洼地帶井下測(cè)試調(diào)試難的問題，降低了測(cè)試設(shè)備與人工成本。同時(shí)，用一趟管柱可實(shí)現(xiàn)3層同時(shí)注水，顯著降低了作業(yè)成本及人工操作成本。

表6 木141-67.1注水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.6 Testing results of water injection tests of well Mu141-67.1

3 結(jié) 論

利用本文所開發(fā)的基于連續(xù)油管的多通道注水系統(tǒng)，可建立多個(gè)地面分層注水通道，可實(shí)現(xiàn)3層或4層的地面同時(shí)注水，適用地層深度分別小于2 516 m和2 299 m。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)可解決常規(guī)地面分層注水層數(shù)少的技術(shù)難題?？蓪?shí)現(xiàn)地面3層或4層同時(shí)注水，既可提高注水作業(yè)效率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、快捷的地面驗(yàn)封、分層水量地面調(diào)配等操作，降低作業(yè)成本。