封堵劑注入工藝的繞流現象分析及優化

晁圣棋　鄒明華　詹敏　張鳳輝　王勝　郭沛文

摘????? 要：渤海油田目前已進入開發中后期，油井高含水問題日益突出，封堵劑注入工藝作為堵水的關鍵技術，是決定堵水效果的重要因素。本文針對現有的堵劑注入工藝，通過數值計算及實驗模擬出該工藝在堵劑注入過程中存在繞流現象，為提高堵劑利用率對工藝進行了優化，提出了三封隔器注入工藝改進思路，并對比原堵劑注入工藝開展了模擬實驗。結果表明：優化改進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象，對堵劑注入工藝的優化改進方向具有一定的指導意義。

關? 鍵? 詞：渤海油田;封堵劑;注入工藝;繞流

中圖分類號：TE 019?????? 文獻標識碼： A?? ?????文章編號： 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始于1966年，作為中國近海勘探開發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，隨著開發過程的深入，渤海油田面臨著新的挑戰，目前渤海油田進入勘探開發中后期，油井高含水問題日益突出，部分油田綜合含水率達到90%以上，嚴重制約了油田的整體開發^[3-5]。

相對生產后期油井高含水后采取的控水補救措施，早期找堵水能夠低成本，高效率地進行控水，解決穩產難題。封堵劑注入工藝作為堵水的關鍵技術，是決定堵水效果的重要因素^[6]。

1 ?概述

現有的堵劑注入工藝（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層堵塞井筒，因此對現有的堵劑注入工藝開展了研究，并進行了優化改進。

2? 封堵劑滲流阻力數值計算

礫石充填完井方式下，管外環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造成封堵劑向篩管內的繞流，滲流阻力主要來自篩管與礫石充填帶，因此對這兩處的滲流阻力進行了數值計算。

2.1? 封堵劑通過篩管的滲流阻力

根據H-B流體本構方程，計算封堵劑發生繞流的臨界壓降梯度^[7-9]。

取篩網滲流孔道半徑15～80 μm，流體屈服應力為200 Pa，篩網厚度3 mm，則發生繞流的臨界壓降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，待滲流達到穩定后記錄注入壓力，根據穩定滲流條件下流量與壓差的關系確定滲流阻力。

2.2.2 ?數值模擬方法

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

2.2.3 ?封堵劑運移阻力值模擬結果對比

封堵劑的運移阻力即為設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。

設定注入速度為5～80 mL·min^-1，對應的臨界注入壓力分別進行數值計算與物理模擬實驗。數值記錄見表1、表2。

封堵劑數值計算數據與實驗數據一致性良好，數值計算方法可作為對封堵劑運移阻力預估的參考，可填補實驗數據空白。由表1、表2繪制圖3封堵劑運移阻力與排量變化關系。

由圖3可知，封堵劑在多孔介質中的運移阻力隨注入速度的增大而逐漸升高。

通過篩管發生繞流的臨界壓降為0.015～0.080 MPa，遠小于堵劑在多孔介質中的運移阻力，因此在礫石充填完井條件下，現有的堵劑注入工藝存在繞流，即堵劑外竄現象。

3? 優化改進

3.1 ?工藝原理

封堵劑注入過程中發生繞流現象，是因為封堵劑進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，即可避免繞流發生。

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

3.2? 注入工藝模擬實驗

為模擬優化改進前后對注入工藝繞流現象的影響，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;優化改進的三封隔器注入工藝模型，如圖7所示。

1）實驗首先將模型內注滿藍色液體（模擬井筒內液體）;

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生了明顯的繞流現象，改進后的三封隔器注入工藝只有少量液體繞流;

4）優化改進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象，對堵劑注入工藝的優化改進方向具有一定的指導意義。

4 ?結 論

1）現有的封堵劑注入工藝通過理論及模擬實驗研究顯示存在堵劑注入過程中的繞流現象。

2）封堵劑運移阻力的計算數值及實驗數據一致性良好，數值計算方法可作為對封堵劑運移阻力預估的參考。

3）優化改進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象，對堵劑注入工藝的優化改進方向具有一定的指導意義。

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中海石油（中國）有限公司科技項目，渤海油田3000萬噸持續穩產關鍵技術研究（項目編號：CNOOC-KJ135ZDXM36TJ）;

中海石油有限公司科技項目，海上高效采油新技術（項目編號：CNOOC-KJ135ZDXM23LTDTJ01）。

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年畢業于西南石油大學機械制造及其自動化專業，研究方向：采油工藝技術。

E-mail：chaoshq@cnooc.com.cn。