致密儲(chǔ)層水平井增能注采芯子的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

盧 革

（中國(guó)石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000）

水平井體積壓裂已成為致密儲(chǔ)層開發(fā)的主體技術(shù)，體積壓裂后采用衰竭式開發(fā)，油藏采收率較低，提高致密儲(chǔ)層采收率的增能技術(shù)已成為決定油藏開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。對(duì)于無法建立有效驅(qū)替的低滲、超低滲透致密儲(chǔ)層，利用水補(bǔ)充能量、油水置換、基質(zhì)滲析、重力分異，提高基質(zhì)動(dòng)用程度的水平井注水吞吐已成為補(bǔ)充地層能量的有效手段[1]，可提高采收率3%～4%。電纜測(cè)調(diào)的橋式偏心、橋式同心分注工藝僅適用于直井[2-4]，水平井分注一直是業(yè)界難題[5-7]。

國(guó)內(nèi)水平井主要采用連續(xù)油管投撈的空心配水分注工藝技術(shù)，即注采器、封隔器全部下入水平段，受空心注采器結(jié)構(gòu)所限，各級(jí)注水芯子的投送、打撈需全部采用連續(xù)油管由上至下依次進(jìn)行，各級(jí)水量測(cè)試仍采用連續(xù)油管，存在作業(yè)工序復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)投撈工作量大、連續(xù)油管費(fèi)用高等問題。有效降低水平井注采一體化工藝的生產(chǎn)強(qiáng)度、成本，成為致密儲(chǔ)層增能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 水平井分注吞吐工藝設(shè)計(jì)

1.1 管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

致密油水平井分注吞吐管柱結(jié)構(gòu)（見圖1），自下而上由導(dǎo)向頭、帶孔短節(jié)、球座、Y441 封隔器、注采器、Y441 封隔器、伸縮管、滑套組成，油管采用Φ73 mm 外加厚油管。設(shè)計(jì)采用鋼絲車進(jìn)行注采芯子打撈與投送，管柱可實(shí)現(xiàn)水平井不動(dòng)管柱分兩段注入或采出。

圖1 致密油水平井分注吞吐管柱結(jié)構(gòu)

1.2 注采器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

注采器包括外工作筒（與油管相連）和注采芯子，結(jié)構(gòu)（見圖2）。注采芯子可投撈，注采芯子上下端分別接流量計(jì)以利于上下層流量計(jì)量。注采芯子將油管注入流體分為兩路，一路經(jīng)油管進(jìn)入注采芯子、經(jīng)上層節(jié)流嘴從上出口流出、注入水平段前端，另一路流經(jīng)外工作筒橋式通道繞過上層出液通道，從注采芯子下端入口重新流入注采芯子，經(jīng)下層節(jié)流嘴進(jìn)入油管、注入水平段后端。通過上下層節(jié)流嘴孔徑大小控制水平段前后端流量，燜井后直接采用原管柱及注采芯子實(shí)現(xiàn)吞吐采出。

圖2 注采器結(jié)構(gòu)

1.3 注采芯子脫開器設(shè)計(jì)

注采芯子上下端接流量計(jì)等電子元器件，為防止井口投入導(dǎo)致電子元件損壞或注采芯子局部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，設(shè)計(jì)脫開器對(duì)注采芯子進(jìn)行定點(diǎn)脫開投放，脫開器結(jié)構(gòu)（見圖3）。鋼絲連接脫開器繩帽，脫開器壓舌連接注采芯子，鋼絲快速下放急停時(shí)注采芯子在慣性力作用下繼續(xù)下行，在注采芯子重力及慣性作用下壓縮緩沖彈簧，壓舌后端限位騰出，壓縮彈簧向上彈開壓舌，下部注采芯子脫開，實(shí)現(xiàn)在井筒指定位置的有效丟手。

圖3 脫開器結(jié)構(gòu)

2 注采芯子下落分析模擬

2.1 下落最大速度確定

注采芯子下落過程中受四種力作用：重力、浮力、注采器下落過程中運(yùn)動(dòng)阻力（尾部渦流的拖拽力）及注采芯子與管壁接觸的摩擦力。注采芯子和井筒壁接觸時(shí)間極短，為0.000 1～0.000 27 s，一旦注采芯子與油管壁接觸即會(huì)瞬間分開，且注采芯子與油管壁間有液體作為潤(rùn)滑劑，摩擦系數(shù)極低，故可忽略摩擦力的影響。

重力：G=mg

浮力：Fv=gρwV

其中注采器與流量計(jì)總質(zhì)量為m=9.55 kg、重力加速度g=9.8 m/s2、水密度ρw=1.0×103kg/m3，V 為注采器加流量計(jì)的總體積。

運(yùn)動(dòng)阻力Fr：注采器和流量計(jì)下降過程產(chǎn)生大量渦流，形成與運(yùn)動(dòng)方向相反的拽力，力的大小與雷諾數(shù)相關(guān)，具體形式為：

其中：Cd-阻力系數(shù)；Aeff-有效阻力面積；v-流速，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)相關(guān)，其關(guān)系（見圖4）。

圖4 阻力系數(shù)和雷諾數(shù)關(guān)系

注采芯子下落過程是一個(gè)初速度為零的變加速運(yùn)動(dòng)，初始加速度為重力加速度。下落過程運(yùn)動(dòng)阻力隨流速的增加而增大，直到合力為零時(shí)，加速度為零，此時(shí)下落速度達(dá)到最大值。

合力表示為：

最大速度（下落極限速度）為：

目前注采器與流量計(jì)主要材質(zhì)為鋼，密度為ρsteel=7 600 kg/m3。

在雷諾準(zhǔn)數(shù)最大的情況下，流體的阻力系數(shù)最低，最小的阻力系數(shù)Cd=0.2，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)范圍是Re∈［106～107］。有效阻力面積取決于注采器與流量計(jì)在井筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位置，理想情況是注采器芯子與流量計(jì)沿井內(nèi)中心位置垂直運(yùn)動(dòng)。實(shí)際流動(dòng)情況存在一定傾角，阻力面積要比理想情況大一些，即Aeff=γA，系數(shù)γ 介于1～1.1。

從而得到最大速度：

2.2 下落過程距離-速度，時(shí)間-速度確定

采用FLUENT 軟件的6DOF 模型完成注采芯子沿油管下落分析模擬，獲得注采芯子沿井筒運(yùn)行距離-速度、運(yùn)行時(shí)間～速度關(guān)系（見圖5，圖6）。下落運(yùn)行70 m時(shí)，達(dá)到最大速度15.3 m/s，所需時(shí)間7 s。

圖5 注采芯子在井內(nèi)運(yùn)行速度分布規(guī)律圖

圖6 注采芯子投擲時(shí)間與行動(dòng)速度關(guān)系

2.3 下落沖擊有限元分析模擬

分析6 m/s、6.7 m/s、7 m/s、10 m/s、15 m/s 坐入初速度沖擊底端工作筒，統(tǒng)計(jì)坐入時(shí)間、沖擊力、殘余速度關(guān)系（見表1），為保證注采芯子順利坐入工作筒，同時(shí)沖擊力較小，避免電子元件損壞，選擇9.6 m 下落距離即初始坐入速度為7 m/s 時(shí)下落作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，沖擊力205 kg。

表1 不同坐入初始速度條件下速度、時(shí)間和沖擊力分布

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證計(jì)算及軟件模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將工作筒分別連接在5.6 m、9.6 m 油管底端后下入模擬井中，井筒及油管內(nèi)灌滿清水，將注采芯子+流量計(jì)分別由地面投放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：5.6 m 投放距離無法坐入，9.6 m 投放距離芯子能夠順利坐入工作筒，流量計(jì)數(shù)據(jù)回放正常。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

X2 井是一口水平吞吐井，井深4 205 m，造斜點(diǎn)2 517 m，A 點(diǎn)：2 698 m，B點(diǎn)：4 205 m。分注吞吐管柱結(jié)構(gòu)自下而上分別為：導(dǎo)向頭、打孔管、球座、Y441 封隔器（2 400 m）、油管注采工作筒（2 420 m）、Y441 封隔器（3 451.1 m）、伸縮管、滑套。地面鋼絲車連接脫開器+注采芯子+流量計(jì)，下至注采器上端9.6 m 后丟手，注采芯子+流量計(jì)自由下落至工作筒。流量測(cè)量結(jié)果表明注采芯子下落受力分析模擬與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合、真實(shí)可靠。

地質(zhì)配注要求全井水量80 m3/d，第一段水量50 m3/d，第二段30 m3/d。流量驗(yàn)證結(jié)果顯示，全井注水量為79.6 m3/d，第一段實(shí)際注入量為49.3 m3/d（誤差-1.4%），第二段實(shí)際注入量為30.3 m3/d（誤差1%）。各層水量滿足注水規(guī)范誤差要求，配注合格。全井注水量82.4 m3/d 時(shí)，上層注水量為31.4 m3/d（設(shè)計(jì)配注量30 m3/d），下層注水量為51.0 m3/d（設(shè)計(jì)配注量50 m3/d）。采用鋼絲投撈工藝技術(shù)，完成水平井吞吐增能應(yīng)用6 口，現(xiàn)場(chǎng)成功率100%，為致密儲(chǔ)層水平井增能，低成本高效開發(fā)提供可能。

4 結(jié)論

（1）完成一種致密儲(chǔ)層水平井分注（吞吐）注采工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足兩層分注與分采同時(shí)控制要求，為致密儲(chǔ)層水平井增能提供工藝基礎(chǔ)；

（2）采用理論計(jì)算與軟件模擬相結(jié)合的方式，計(jì)算注采芯子最大下落速度15.3 m/s，運(yùn)行距離70 m；下落距離9.6 m，坐入初速度7 m/s 條件下能夠?qū)崿F(xiàn)注采芯子穩(wěn)定坐入，同時(shí)沖擊力相對(duì)較小，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合；

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，9.6 m 脫開距離條件下，脫開器工作穩(wěn)定，流量計(jì)測(cè)試正常，注采芯子工作良好，各層注水量滿足配注要求。