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

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，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

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，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，若井下注水壓力超過地層破裂壓力則會造成地層出現微裂縫，影響注水作業安全。在總結分析分層注水壓力影響因素的基礎上，確定了井口安全注水壓力計算方法，并針對海上油田常用的4種注水管柱形式，開發了井口安全注水壓力計算軟件，該軟件的推廣應用對于指導海上注水作業、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區塊30余個，注水井500余口。不同區塊地質情況不同，區塊間地層壓力存在差異。在日常注水作業過程中，井口注入壓力過高，將導致井下注水壓力超過地層破裂壓力，地層出現微裂縫，注入水沿裂縫延伸方向流動，影響水驅效果；極端情況下，注入水沿裂縫竄至其它層位，引發注水安全風險［1-2］。在對注水壓力影響因素分析的基礎上，確定了計算井口安全注水壓力的方法，并針對海上油田空心集成、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算軟件［3-5］。該軟件的應用對評估井口注水壓力是否合理、指導注水作業、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，無量綱；L為注水管柱長度（斜深），m；D為管柱內徑（流經管柱為非圓界面時指當量直徑），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通徑突縮或突擴產生的壓力損耗，管徑突縮計算公式為

管徑突擴計算公式為

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為突擴圓管局部水頭損失系數，無量綱；A1、A2分別為管柱內通徑突變前的過流面積和管柱內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

針對海上油田分層注水工具特點，通過對大量水嘴壓耗實驗數據分析，推導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（多個水嘴時為流經各水嘴的流量之和），m3/d；A為水嘴總過流面積（多個水嘴時為各水嘴過流面積之和），mm2。

2　井口安全注水壓力計算方法

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，計算公式為

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，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其他為地層表皮產生的壓力損失，MPa。

3　井口安全注水壓力計算軟件

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

3.1軟件架構

注水壓力計算軟件采用模塊化設計，分為井下工具和油套管參數錄入、地面分注、空心集成、一投三分、同心分注和報告導出6個模塊。針對地面分注、空心集成、一投三分、同心分注模塊分別設有管柱圖繪制和注水壓力計算子模塊。

3.2軟件模塊

3.2.1井下工具和油套管參數錄入模塊 井下工具和油套管參數錄入模塊，采用ADO數據訪問接口與Access數據庫連接，利用數據庫進行相關參數的寫入、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，以方便后續管柱圖繪制及注水壓力計算。

3.2.2管柱圖繪制模塊 該模塊與井下工具和油套管參數錄入模塊緊密聯系，采用ADO控件讀取井下工具和油套管參數。繪制管柱圖時，用戶只需根據管柱結構，選擇井下工具和油套管數據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注水壓力計算模塊 在完成管柱圖繪制模塊相關數據的錄入后，即可進行壓力計算。壓力計算模塊可針對多個分層求出各分層最大注水壓力，計算時只需要錄入各分層深度、水嘴個數、水嘴直徑等信息。

3.2.4報告導出模塊 注水壓力計算報告導出模塊可以將輸入參數如注水層深度、注水量、水嘴參數，以及計算結果如地層破裂壓力、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，同時還可以將計算報告導出為excel表格格式，便于后期的數據處理。

4　應用實例

為保障注水作業安全，應用井口安全注水壓力計算軟件對QHD油田XX井進行井口注水壓力校驗。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?7.4 mm水嘴，下層全開注水。該油田破裂壓力梯度0.021 MPa/m，計算最大流壓時安全系數選為0.85。

經注水壓力計算軟件計算，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，現場井口實際注水壓力8.5 MPa，該井分層注水作業較安全。

5　結論

（1）對分層注水壓力的影響因素進行分析，得到了井口安全注水壓力計算方法。

（2）基于井口安全注水壓力計算算法開發的注水壓力計算軟件，能夠針對目前常用的分層注水管柱繪制管柱圖，并計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算軟件對現場某注水井進行了計算，計算結果對于指導海上注水作業、保障注水安全具有重要意義。

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

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

［3］ЧEPHИКИH A B. 管道水力摩阻系數的計算［J］.油氣儲運，1999，18（2）：26-28.

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

［5］張建，范鳳英.分注井水嘴直徑選擇的研究與應用［J］.石油礦場機械，2004，33（S0）：60-63.

［6］劉合，張廣明，張勁，等.油井水力壓裂摩阻計算和井口壓力預測［J］.巖石力學與工程學報，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年畢業于南京航空學院電氣技術專業，碩士研究生。現主要從事油水井測試方面的工作，高級工程師。電話：022-66907207。E-mail：zhangfh5@cnooc.com.cn。