分層注水井提高注水效率配套工藝對策

王麗麗

摘要：非均質油藏具有層多非均質性嚴重的開發矛盾，滲透率級差達到4-13倍，若采用籠統注水會導致注入水只進入高滲層，形成單層突進，從而造成水淹水竄，無法有效進行水驅油藏開采。

關鍵詞：分層注水；優化配套；封隔器失效；受力分析

目前非均質油藏儲層層間矛盾突出，需要分層注水開發，但分注率指標無法滿足水驅油藏開發需要，同時分層注水管柱存在封隔器膠筒磨損、肩部損壞一系列問題，影響分層注水有效期。通過對封隔器的受力計算，確定封隔器可承受層間壓差的技術界限，在此基礎上開展分層注水管柱的優化配套研究，改善封隔器受力情況，延長分注管柱有效期。

1 分注現狀

2分層注水管柱失效因素調查

非均質油藏分層注水管柱配套以K344擴展式封隔器為主，占90%以上；按照管柱類型劃分，分為常規卡封、錨定卡封兩大類。通過近年來對測試跟蹤發現，分層注水管柱存在問題主要集中在封隔器膠筒磨損、肩部損壞兩個方面，導致無法真正實現“分得開”注水，如何有效提高分注率，需要深入研究分注管柱受力情況，優化配套分層注水管柱，來延長分注有效期。

2.1 封隔器失效因素

根據注水過程中封隔器承受應力集中、層間壓差、停注開注壓力變化、磨損情況的不同，將K344封隔器失效原因分為膠筒肩部損壞、膠筒磨損兩類。1、膠筒磨損：封隔器受層間壓差大，或受頻繁停注開注等壓力變化造成管柱蠕動，導致膠筒整體或部分磨損。2、肩部損壞：封隔器肩部受應力集中擠壓，膠筒擠入油套環空之間，擠傷膠筒導致肩部損壞。

3 非均質油藏分層注水管柱失效原因研究

3.1 封隔器膠筒磨損受力分析

3.1.1根據井下封隔器所受四種基本效應，建立非均質油藏分層注水系統動態數學模型：

（1）井筒中的流動溫度計算模型

井筒中選取一長度微元控制體，假定為定常流，控制體不對外做功，且地溫按線性分布，可得下列微分方程：

（2）注入水井底流壓計算模型

注水井從井口通過油管或套管到達井底，注入水井底流壓等于井口壓力加上靜液柱重量減去沿程摩阻損失，數學表達式為：

3.1.2不同類型分層注水管柱封隔器受力計算：

通過對不同分注管柱的受力分析，計算在不同層間注水壓差下，管柱蠕動失效臨界情況：（計算中假定：油管外徑f73mm，內徑f62mm，套管外徑f139.7mm，壁厚9.17mm）

（1）封上注下分注管柱：當層間注水壓差1MPa時，封隔器受到使管柱收縮的活塞力、鼓脹力、彎曲力，抵消管柱收縮的摩擦阻力影響，其合力計算如下：

F收縮=F活塞+F鼓脹+F彎曲=9258N

因此，封隔器未克服最大靜摩擦阻力，不會蠕動。

通過公式繼續進行計算發現，當層間壓差達到6MPa時，分注管柱封隔器受力超過最大靜摩擦阻力，出現蠕動失效的情況。

（2）封下注上分注管柱：當層間注水壓差1MPa時，封隔器受到使管柱拉伸的活塞力，抵消管柱拉伸的摩擦阻力、彎曲力影響，鼓脹力平衡，互相抵消，其合力計算如下：

F拉伸=F活塞-F彎曲=8482N

因此，封隔器未克服最大靜摩擦阻力，不會蠕動。

通過公式繼續進行計算發現，當層間壓差達到7MPa時，分注管柱封隔器受力超過最大靜摩擦阻力，出現蠕動失效的情況。

3.2 封隔器肩部損壞有限元分析

通過對封隔器膠筒材質的研究及有限元分析，結合不同注水壓力下提出封隔器膠筒肩部損壞情況，判斷封隔器膠筒肩部損壞問題出現的臨界條件。借鑒Y341封隔器有限元分析，當層間壓力大于7MPa時膠筒出現明顯的肩部突出現象，且隨著壓力增大，肩突現象愈加明顯。通過對不同注水壓差下提出封隔器膠筒肩部損壞情況解剖，及膠筒有限元分析實驗，K344封隔器肩部損壞情況隨層間壓差增大而加重。

綜上所述，分層注水管柱封隔器可承受層間壓力≤5MPa。

4 非均質油藏分層注水管柱優化配套研究

針對非均質油藏分注管柱存在的一系列問題，通過對分注管柱封隔器受力分析的基礎上，制定封隔器承受層間壓差界限，指導懸掛式、錨定式分注管柱的優選；開展柔性錨定工藝的現場試驗，通過優化分注管柱配套，延長管柱有效壽命。

4.1通過柔性錨定封隔器【2】，改善膠筒肩部受力狀況，減少“肩突”問題發生。

柔性錨定封隔器采用雙膠筒防蠕動密封技術，兩端部雙浮動結構改善膠筒端部所受軸向力、鼓脹力疊加狀況，防止壓差突變或交變引起肩部破壞。結構上采用錨定+密封的雙膠筒結構，增加防蠕動摩擦力與密封可靠性。坐封后兩膠筒間存在密閉空間，防止密封膠筒上端部突出流變。

4.2根據封隔器承受層間壓差界限，優選懸掛式、錨定式分注管柱，緩解膠筒磨損問題。

通過注水系統數學模型的建立、分注管柱受力情況分析計算，結合封隔器膠筒有限元分析，計算得出分注井封隔器可承受層間壓差要求≤5MPa。以5MPa為技術界限，對于層間壓差小于5MPa的井，配套懸掛式管柱；對于層間壓差大于5MPa的井，配套錨定式管柱，加入水力錨錨定，防止封隔器蠕動失效。2017年以來，針對層間壓差小于5MPa的分注井，配套懸掛式管柱45口/92層，針對層間壓差大于等于5MPa有方案停層的分注井，配套錨定式管柱12口/24層，經過測試后，分注有效率達到100%。

參考文獻

[1]趙明宸，分層注水管柱封隔器受力分析，長江大學學報，2017（06）

[2]姜廣林、李常友等，海上注水井一體化測調技術研究，石油機械，2016（02）

（作者單位：勝利采油廠采油管理三區）