伊拉克H油田地面分層注水技術(shù)可行性研究

黃雪琴，王毓才，杜政學(xué)，胡貴，聶臻，王春鵬

中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院（北京 100083）

中東地區(qū)油藏以海相碳酸鹽巖為主，占整個(gè)中東地區(qū)儲(chǔ)量的70%以上[1]。H 油田位于伊拉克東南部，為特大型碳酸鹽巖油田[2]。伊拉克H 油田開(kāi)發(fā)初期，以利用天然能量衰竭式開(kāi)采為主。目前油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，由衰竭式開(kāi)發(fā)方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樽⑺_(kāi)發(fā)方式[3]。中東地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要受沉積-成巖控制，儲(chǔ)層在縱向及平面上具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，且內(nèi)部發(fā)育高滲條帶[4-8]。伊拉克H油田籠統(tǒng)注水時(shí)，注入水優(yōu)先沿著滲透性較好的儲(chǔ)層流動(dòng)，導(dǎo)致注入水波及效率低、水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果差、含水上升快等問(wèn)題。因此，伊拉克H油田對(duì)分層注水的需求迫切。中東碳酸鹽巖油藏普遍發(fā)育穩(wěn)定物性隔夾層，在分層注水開(kāi)發(fā)時(shí)能起到阻隔作用[9]，具備分層注水的良好基礎(chǔ)。目前，伊拉克H油田嘗試使用了活動(dòng)式同心分層注水技術(shù)，但是效果不理想，急需研究適用于H 油田的分層注水技術(shù)。通過(guò)對(duì)伊拉克H油田分層注水技術(shù)需求的深入研究，提出適合于H 油田碳酸鹽巖油藏分層注水技術(shù)及其工藝。

1 伊拉克H油田分層注水技術(shù)需求

伊拉克H油田主力產(chǎn)層為Mishrif 組，占油田儲(chǔ)量的52%，Mishrif 組注水開(kāi)發(fā)是油田上產(chǎn)的重要手段。Mishrif 組屬于巨厚碳酸鹽巖儲(chǔ)層，平均油層厚度達(dá)119 m[3]。由于儲(chǔ)層厚度大，為保證注水波及體積，單井注水量需保持高位。伊拉克H油田單井配注量高達(dá)477～1 272 m3/d，而國(guó)內(nèi)單井配注量一般不超過(guò)159 m3/d。目前H 油田主要在Mishrif 組的MB1、MB2和MC1 這3個(gè)層位進(jìn)行分層注水，分層注水的層數(shù)以2～3層為主。隔夾層厚度1～7 m[10]，分層注水時(shí)能起到良好的阻隔作用。H油田地層水礦化度較高，一般在150～200 g/L。H 油田的注入水一般為經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后的地層水，注水管柱腐蝕結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)高。因此，注水管柱應(yīng)具有較強(qiáng)的防腐能力，且管柱阻卡時(shí)處理簡(jiǎn)便，避免大修作業(yè)。注水井多為定向井，最大井斜角介于30°～53°，分層注水工藝應(yīng)對(duì)井斜角較大的注水井有較好的適應(yīng)性。中東地區(qū)地緣政治局勢(shì)動(dòng)蕩，安全形勢(shì)復(fù)雜嚴(yán)峻，盡量降低人員到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)調(diào)試的頻率，要求分層注水測(cè)調(diào)周期短、準(zhǔn)確率高。

2 伊拉克H油田分層注水技術(shù)優(yōu)選

2.1 伊拉克H油田分層注水技術(shù)現(xiàn)狀

2016 年5 月，伊拉克H 油田開(kāi)展分層注水先導(dǎo)試驗(yàn)研究。采用活動(dòng)式同心分層注水工藝，分注層數(shù)為兩層，日注水量為1 670 m3。兩層配水器芯子安裝在同一軸線上，每個(gè)配水芯子有3 個(gè)出液口。利用鋼絲在井下旋轉(zhuǎn)配水芯子，調(diào)節(jié)出液口的大小，不需要起下管柱。2018年7月，起出井下配水芯子，發(fā)現(xiàn)配水芯子外壁磨損嚴(yán)重。分析認(rèn)為是注入水礦化度高，配水器結(jié)垢后旋轉(zhuǎn)失效，出液口開(kāi)口小，高壓流體噴射配水芯子外壁導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。該分層注水工藝測(cè)調(diào)試工作量大，對(duì)人員、設(shè)備要求較高。分層測(cè)試流量時(shí)各層相互干擾，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率低，且無(wú)法進(jìn)行分層壓力測(cè)試。由此可見(jiàn)，活動(dòng)式同心分層注水工藝技術(shù)在H 油田應(yīng)用的適應(yīng)性較差。

2.2 分層注水技術(shù)對(duì)比及優(yōu)選

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始開(kāi)展分層注水技術(shù)研究，技術(shù)水平、應(yīng)用規(guī)模等均處于國(guó)際領(lǐng)先地位。到目前為止，經(jīng)歷了以固定式分層注水、鋼絲投撈式分層注水、電纜測(cè)調(diào)式分層注水及第四代分層注水技術(shù)。

固定式分層注水技術(shù)的配水器水嘴無(wú)法在井下進(jìn)行調(diào)節(jié)，此在調(diào)整層段注水量時(shí)，需將注水管柱起出，在地面更換配水器的水嘴，作業(yè)工作量大，已逐漸被淘汰[11]。鋼絲投撈式分層注水工藝采用鋼絲投撈配水堵塞器或鋼絲井下調(diào)整配水水嘴開(kāi)度的測(cè)調(diào)方式，形成了活動(dòng)式分層注水、偏心分層注水、橋式偏心分層注水、同心集成分層注水和橋式同心分層注水等5 種工藝管柱[12-15]。由于橋式偏心分層注水工藝不受分層級(jí)數(shù)的限制，測(cè)試時(shí)能夠避免層間干擾，因此其應(yīng)用規(guī)模最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)。電纜測(cè)調(diào)式分層注水技術(shù)的核心是用鋼管電纜代替鋼絲，攜帶井下電動(dòng)測(cè)調(diào)儀與偏心配水器的堵塞器對(duì)接，通過(guò)電力拖動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)調(diào)整，無(wú)需反復(fù)投撈堵塞器?！皹蚴狡?電纜測(cè)調(diào)”分層注水技術(shù)大幅提高了測(cè)調(diào)試的效率，已成為目前中國(guó)石油注水井的主體分層注水技術(shù)[16]。近年來(lái)，研制了以預(yù)置電纜式分層注水、波碼通訊數(shù)字式分層注水和地面分層注水為代表的第四代分層注水技術(shù)，分層注水技術(shù)向遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和流量自動(dòng)控制方向發(fā)展[17-18]。由于預(yù)置電纜式分層注水、波碼通訊數(shù)字式分層注水工藝的井下配水器，集成了電機(jī)、流量計(jì)、壓力計(jì)等設(shè)備，故障率高，不耐高溫，壽命不超過(guò)3年，不適應(yīng)大排量注水。相比之下，地面分層注水將測(cè)試工藝從井下移到地面，井下無(wú)配水器，地面電磁閥單層獨(dú)自控制流量，大幅提高了注水量及使用壽命。將較為先進(jìn)的4種分層注水技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各分層注水技術(shù)對(duì)比

目前伊拉克H油田采用的活動(dòng)式同心分層注水工藝屬于鋼絲投撈式分層注水工藝。根據(jù)H油田分層注水面臨單井日注水量大、腐蝕結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)高、井斜大及安全形勢(shì)復(fù)雜嚴(yán)峻等重大挑戰(zhàn)，綜合對(duì)比各分層注水技術(shù)的特點(diǎn)以及投資運(yùn)行成本，優(yōu)選地面分層注水作為伊拉克H油田的分層注水技術(shù)。

3 地面分層注水技術(shù)工藝原理及特點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)及工藝原理

地面分層注水工藝由地面專(zhuān)用注水井口、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、可鉆橋塞、密封插管和不同規(guī)格的油管等組成[19-20]，以二段分層注水為例，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 地面二段分層注水工藝系統(tǒng)組成

地面分層注水工藝是采用可鉆橋塞封隔注水目的層段，在同一井筒內(nèi)下入兩層或三層同心油管，油管通過(guò)地面專(zhuān)用注水井口進(jìn)行懸掛。每層油管下接密封插管分別與可鉆橋塞插接密封，形成獨(dú)立注水通道，各層注水互不影響。地面專(zhuān)用注水井口配套電磁流量計(jì)、電磁閥和壓力傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與流量自動(dòng)控制。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

層間耐壓為35 MPa；工作溫度≤120 ℃；套管無(wú)變形、無(wú)損壞、無(wú)管外竄；適應(yīng)生產(chǎn)套管，139.7 mm（5?"）或177.8 mm（7"）套管；適應(yīng)井深＜3 500 m。

3.3 配套工具

3.3.1 可鉆橋塞

利用可鉆橋塞作為井下層段封隔工具，橋塞主要部件采用復(fù)合材料加工?？摄@橋塞根據(jù)生產(chǎn)套管尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，以177.8 mm（7"）生產(chǎn)套管內(nèi)二段分層注水為例，可鉆橋塞的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 可鉆橋塞技術(shù)參數(shù)

3.3.2 密封插管

密封插管是可鉆橋塞與油管之間的密封件，密封膠環(huán)安裝在密封插管外表面，橋塞與密封插管實(shí)現(xiàn)一級(jí)泵密封，密封可靠性強(qiáng)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，密封插管安裝密封膠環(huán)后，壓力35.5 MPa時(shí)，穩(wěn)壓10 min 壓力不下降。密封插管根據(jù)可鉆橋塞尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，以177.8 mm（7"）生產(chǎn)套管內(nèi)二段分層注水為例，密封插管的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 密封插管技術(shù)參數(shù)

3.3.3 井口控制系統(tǒng)

井口控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，具有以下功能：①遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油層壓力和注入流量，遠(yuǎn)程控制注水量，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、導(dǎo)出等功能，為油層壓力系統(tǒng)評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。②生成嘴后壓力吸水指示曲線，反映真實(shí)的油層吸水能力。③可鉆橋塞失效自動(dòng)報(bào)警功能，保證注水有效性。

3.3.4 扶正器

對(duì)各層密封插管設(shè)計(jì)相應(yīng)的扶正器，保證密封插管在插入可鉆橋塞時(shí)處于居中狀態(tài)，提高插接的成功率。

3.4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）注水管柱使用壽命長(zhǎng)，避免卡井大修。檢管時(shí)只需將油管及密封插管起出，可鉆橋塞不用起出，提高了管柱使用壽命和作業(yè)效率?？摄@橋塞失效后可采用專(zhuān)用掃塞工具直接掃掉，保障井筒暢通性。

2）水量調(diào)配在地面完成，井下沒(méi)有配水器，不存在配水器過(guò)流通道過(guò)小、水嘴磨損等情況，適應(yīng)大排量注水。

3）各層注水有獨(dú)立的注水通道，各層互不干擾，測(cè)調(diào)準(zhǔn)確率高。

4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與流量自動(dòng)控制，避免人員頻繁到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)調(diào)試。

4 可行性分析

伊拉克H 油田大部分井的完井方式為177.8 mm（7"）套管固井射孔完井，以下針對(duì)177.8 mm（7"）生產(chǎn)套管內(nèi)二段分層注水進(jìn)行可行性分析。

4.1 油管強(qiáng)度分析

油管的選擇主要考慮注水段的生產(chǎn)套管尺寸，滿足抗拉強(qiáng)度、防腐性能等要求。以177.8 mm（7"）生產(chǎn)套管內(nèi)二段分層注水為例，外層油管選擇101.6 mm（4"）加厚油管；為減少注水管柱的摩阻，又能滿足一定的抗拉強(qiáng)度，內(nèi)層油管選擇60.3 mm（2"）整體接頭油管。內(nèi)外油管均采用噴涂納米涂層的方式，具有優(yōu)良的防腐性能。當(dāng)安全系數(shù)取1.8時(shí)，外層油管允許下入深度為3 792 m，內(nèi)層油管下入深度為3 836 m，油管技術(shù)參數(shù)及下入深度校核見(jiàn)表4。H 油田Mishrif 組平均井深3 200 m，油管下入深度滿足要求。

表4 油管下入深度校核

4.2 注水管柱摩阻分析

4.2.1 沿程摩阻

對(duì)于內(nèi)層油管，管內(nèi)流體的平均流速：

對(duì)于外層油管和內(nèi)層油管的環(huán)空，環(huán)空流體的平均流速：

雷諾數(shù)：

水的運(yùn)動(dòng)黏度υ取1.01×10-6m2/s，當(dāng)水流量大于79.5 m3/d 時(shí)，根據(jù)公式，內(nèi)層油管以及外層油管和內(nèi)層油管環(huán)空的流體雷諾數(shù)均大于4 000。因此，注入水的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。沿程摩阻系數(shù)λ的判別和計(jì)算公式見(jiàn)表5。

表5 沿程摩阻系數(shù)λ的判別和計(jì)算公式

沿程摩阻：

式中：Q為注水量，m3/s；d1、d2分別為內(nèi)層油管和外層油管內(nèi)徑，m；υ為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；Δ 為當(dāng)量絕對(duì)粗糙度，對(duì)于涂料油管取0.04 mm；λ為沿程阻路系數(shù)，無(wú)量綱；l為油管長(zhǎng)度，m；u為流體平均流速，m/s；hf為沿程摩阻，Pa；ρ為流體密度，取1 050 kg/m3。

4.2.2 局部摩阻

局部摩阻主要是流體經(jīng)過(guò)油管接箍、密封插管與油管之間的環(huán)空等處產(chǎn)生的。

過(guò)流截面突然增大處的局部摩阻，其局部摩阻損失系數(shù)為：

過(guò)流截面突然縮小處的局部摩阻，其局部摩阻系數(shù)為：

局部摩阻:

式中：A1為小過(guò)流截面的面積，m2；A2為大過(guò)流截面的面積，m2；ζ為局部摩阻系數(shù)，無(wú)量綱；hw為局部摩阻，Pa。

4.2.3 總摩阻

注水管柱內(nèi)流體的總摩阻為沿程摩阻和局部摩阻之和。

伊拉克H油田Mishrif組平均井深3 200 m，本次計(jì)算摩阻時(shí)油管長(zhǎng)度取3 200 m。注水管柱的摩阻計(jì)算結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯?，摩阻隨著注水量的增大而增大；在同一注水量下，內(nèi)層油管的摩阻大于外層油管與內(nèi)層油管環(huán)空的摩阻。因此，內(nèi)層油管尺寸不宜過(guò)小，在保證一定抗拉強(qiáng)度的情況下，應(yīng)選擇壁厚較小的油管，以降低內(nèi)層注水管柱的摩阻。

圖2 注水管柱摩阻

4.3 注水量預(yù)測(cè)

注水量與地層壓力、地層吸水指數(shù)、井口額定壓力及注水管柱摩阻等有關(guān)。不同日注水量下，所需的注水壓差和吸水指數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由此可見(jiàn)，在同一注水量下，所需注水壓差隨著吸水指數(shù)的增大而減小。

圖3 不同日注水量下的注水壓差和吸水指數(shù)

注水量通過(guò)反算井口壓力來(lái)預(yù)測(cè)，反算得到的井口壓力應(yīng)低于油田現(xiàn)場(chǎng)的井口額定壓力。

反算井口壓力：

其中，注水壓差：

式中:Pw為井口壓力，MPa；Pf為地層壓力，MPa；ΔP為注水壓差，MPa；ΔP啟為注水啟動(dòng)壓差，MPa；h' 為流動(dòng)阻力，MPa；P液為注入水液柱壓力，MPa；Q注為注水量，m3/d；PI為吸水指數(shù)，m3/d/MPa。

伊拉克H油田地層壓力為18.2～26.8 MPa，吸水指數(shù)為32.1～179.2 m3/d/MPa，油田現(xiàn)場(chǎng)井口額定壓力為3.45 MPa。因此，預(yù)測(cè)單層日注水量達(dá)到254～859 m3，單井日注水量達(dá)到509～1 654 m3。

5 結(jié)論與建議

伊拉克H 油田已進(jìn)入注水開(kāi)發(fā)階段，對(duì)分層注水技術(shù)需求迫切。針對(duì)H 油田分層注水面臨單井日注水量大、腐蝕結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)高、注水井井斜大及安全形勢(shì)復(fù)雜嚴(yán)峻等重大挑戰(zhàn)，提出采用地面分層注水技術(shù)，并對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行了論證。結(jié)果表明，地面分層注水技術(shù)能夠滿足伊拉克H 油田分層注水開(kāi)發(fā)的需求。鑒于伊拉克H油田單井日注水量大、注入水礦化度高，對(duì)注水管柱的沖蝕較大，再加上腐蝕結(jié)垢因素的影響，注水管柱受力極為復(fù)雜。建議前期先進(jìn)行地面二段分層注水先導(dǎo)試驗(yàn)，在條件成熟的情況下，再進(jìn)行三段分層注水試驗(yàn)研究。