封堵劑注入工藝的繞流現(xiàn)象分析及優(yōu)化

晁圣棋　鄒明華　詹敏　張鳳輝　王勝　郭沛文

摘????? 要：渤海油田目前已進(jìn)入開發(fā)中后期，油井高含水問題日益突出，封堵劑注入工藝作為堵水的關(guān)鍵技術(shù)，是決定堵水效果的重要因素。本文針對(duì)現(xiàn)有的堵劑注入工藝，通過數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)?zāi)M出該工藝在堵劑注入過程中存在繞流現(xiàn)象，為提高堵劑利用率對(duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，提出了三封隔器注入工藝改進(jìn)思路，并對(duì)比原堵劑注入工藝開展了模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：優(yōu)化改進(jìn)的三封隔器注入工藝可有效減少原堵劑注入工藝的繞流現(xiàn)象，對(duì)堵劑注入工藝的優(yōu)化改進(jìn)方向具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)? 鍵? 詞：渤海油田;封堵劑;注入工藝;繞流

中圖分類號(hào)：TE 019?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?? ?????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1472-04

Analysis and Optimization of Bypassing Flow of Plugging Agent Injection

CHAO Sheng-qi， ZOU Ming-hua， ZHAN Min， ZHANG Feng-hui， WANG Sheng， GUO Pei-wen

（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Company， Tianjin 300452， China）

Abstract： Bohai oilfield has now entered the middle and late stages of development， and the problem of high water cut in oil wells is becoming increasingly prominent. The plugging agent injection process， as the key technology for plugging water， is an important factor in determining the effect of plugging water. Aiming at the existing plugging agent injection process， numerical simulations and experiments were performed to simulate the flow of the plugging agent during the plugging agent injection process. To improve the plugging agent utilization rate， the process was optimized and a three packer injection process was proposed. Simulation experiments were carried out compared with the original plugging agent injection process. The experimental results showed that the optimized and improved three packer injection process could effectively reduce the bypassing flow phenomenon of the original plugging agent injection process. The paper can provide a certain direction for the optimization and improvement of the plugging agent injection process.

Key words： Bohai oilfield; Blocking agent; Injection technology; Bypassing flow

渤海油田的勘探開發(fā)始于1966年，作為中國近?？碧介_發(fā)歷史最長和勘探程度最高的油田之一，至今已有54年的歷史^[1-2]。然而，隨著開發(fā)過程的深入，渤海油田面臨著新的挑戰(zhàn)，目前渤海油田進(jìn)入勘探開發(fā)中后期，油井高含水問題日益突出，部分油田綜合含水率達(dá)到90%以上，嚴(yán)重制約了油田的整體開發(fā)^[3-5]。

相對(duì)生產(chǎn)后期油井高含水后采取的控水補(bǔ)救措施，早期找堵水能夠低成本，高效率地進(jìn)行控水，解決穩(wěn)產(chǎn)難題。封堵劑注入工藝作為堵水的關(guān)鍵技術(shù)，是決定堵水效果的重要因素^[6]。

1 ?概述

現(xiàn)有的堵劑注入工藝（如圖1）是通過注入閥注入堵劑，注入閥兩端封隔器在注入時(shí)坐封防止堵劑外竄，提升封堵劑的利用率。

該工藝在礫石填充完井方式下可能存在封隔器沒有完全封隔住注入段兩端，致使堵劑外竄污染儲(chǔ)層堵塞井筒，因此對(duì)現(xiàn)有的堵劑注入工藝開展了研究，并進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

2? 封堵劑滲流阻力數(shù)值計(jì)算

礫石充填完井方式下，管外環(huán)空可能存在局部低滲的情況，封堵劑注入過程中的滲流阻力過大會(huì)造成封堵劑向篩管內(nèi)的繞流，滲流阻力主要來自篩管與礫石充填帶，因此對(duì)這兩處的滲流阻力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

2.1? 封堵劑通過篩管的滲流阻力

根據(jù)H-B流體本構(gòu)方程，計(jì)算封堵劑發(fā)生繞流的臨界壓降梯度^[7-9]。

取篩網(wǎng)滲流孔道半徑15～80 μm，流體屈服應(yīng)力為200 Pa，篩網(wǎng)厚度3 mm，則發(fā)生繞流的臨界壓降15～80 kPa左右。

2.2? 封堵劑通過礫石充填多孔介質(zhì)的滲流阻力

2.2.1 ?物理模擬方法

填砂管直徑38 mm，填砂管長度0.5 m，填砂顆粒尺寸20～40目（0.84～0.42 mm）^[10]。

使封堵劑以一定的流量通過填砂管，改變流量，待滲流達(dá)到穩(wěn)定后記錄注入壓力，根據(jù)穩(wěn)定滲流條件下流量與壓差的關(guān)系確定滲流阻力。

2.2.2 ?數(shù)值模擬方法

基于Carman-Kozeny公式，由顆粒半徑計(jì)算填砂滲透率^[11-14]。

2.2.3 ?封堵劑運(yùn)移阻力值模擬結(jié)果對(duì)比

封堵劑的運(yùn)移阻力即為設(shè)定排量下的臨界注入壓力，注入壓力高于臨界注入壓力，封堵劑才能順利注入。

設(shè)定注入速度為5～80 mL·min^-1，對(duì)應(yīng)的臨界注入壓力分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與物理模擬實(shí)驗(yàn)。數(shù)值記錄見表1、表2。

封堵劑數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性良好，數(shù)值計(jì)算方法可作為對(duì)封堵劑運(yùn)移阻力預(yù)估的參考，可填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)空白。由表1、表2繪制圖3封堵劑運(yùn)移阻力與排量變化關(guān)系。

由圖3可知，封堵劑在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移阻力隨注入速度的增大而逐漸升高。

通過篩管發(fā)生繞流的臨界壓降為0.015～0.080 MPa，遠(yuǎn)小于堵劑在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移阻力，因此在礫石充填完井條件下，現(xiàn)有的堵劑注入工藝存在繞流，即堵劑外竄現(xiàn)象。

3? 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 ?工藝原理

封堵劑注入過程中發(fā)生繞流現(xiàn)象，是因?yàn)榉舛聞┻M(jìn)入地層的臨界注入壓力大于封堵劑繞流臨界壓降梯度，如圖4所示。若，即可避免繞流發(fā)生。

利用封隔器密封注入段兩端的井液，封堵劑一旦發(fā)生繞流則會(huì)提高注入段兩端井筒壓力，從而增大，如圖5所示。

3.2? 注入工藝模擬實(shí)驗(yàn)

為模擬優(yōu)化改進(jìn)前后對(duì)注入工藝?yán)@流現(xiàn)象的影響，試制了2套模型，分別為原堵劑注入工藝的雙封隔器模型，如圖6所示;優(yōu)化改進(jìn)的三封隔器注入工藝模型，如圖7所示。

1）實(shí)驗(yàn)首先將模型內(nèi)注滿藍(lán)色液體（模擬井筒內(nèi)液體）;

2）然后以相同的注入壓力及注入速度由注入口注入紅色液體（模擬封堵劑）;

3）觀察圖8可知，注入過程中原雙封隔器堵劑注入工藝發(fā)生了明顯的繞流現(xiàn)象，改進(jìn)后的三封隔器注入工藝只有少量液體繞流;

4）優(yōu)化改進(jìn)的三封隔器注入工藝可有效減少原堵劑注入工藝的繞流現(xiàn)象，對(duì)堵劑注入工藝的優(yōu)化改進(jìn)方向具有一定的指導(dǎo)意義。

4 ?結(jié) 論

1）現(xiàn)有的封堵劑注入工藝通過理論及模擬實(shí)驗(yàn)研究顯示存在堵劑注入過程中的繞流現(xiàn)象。

2）封堵劑運(yùn)移阻力的計(jì)算數(shù)值及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性良好，數(shù)值計(jì)算方法可作為對(duì)封堵劑運(yùn)移阻力預(yù)估的參考。

3）優(yōu)化改進(jìn)的三封隔器注入工藝可有效減少原堵劑注入工藝的繞流現(xiàn)象，對(duì)堵劑注入工藝的優(yōu)化改進(jìn)方向具有一定的指導(dǎo)意義。

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收稿日期：2020-03-23

作者簡介：晁圣棋（1989-），男，陜西咸陽市人，工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：采油工藝技術(shù)。

E-mail：chaoshq@cnooc.com.cn。