任從坤 宋輝輝 魏新晨 周景彩 聶文龍 張劍

中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院

海上油田開發(fā)由于生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，對注水工藝提出了更高要求。截至2016年底，勝利海上油田共發(fā)現(xiàn)館陶組、東營組、明化鎮(zhèn)等7套含油層系，注水水驅(qū)油藏占總儲量的85.28%，具有以下油藏開發(fā)特點(diǎn)：受海洋環(huán)境和平臺條件的制約，對分層注水工藝的井控安全要求嚴(yán)格；主力油藏館陶組非均質(zhì)性強(qiáng)，地層出砂，且層間物性差異大，對分層注水工藝分層要求嚴(yán)格；采用衛(wèi)星平臺開發(fā)為主，多采用大斜度定向井開發(fā)，井斜角在 30°～50°的注水井占45%，50°以上的占 30%,最大井斜 81.28°，對適用于大井斜的注水工藝需求迫切［1-3］。

同心雙管注水技術(shù)在地面能夠?qū)崿F(xiàn)注水流量的單獨(dú)控制，具有測調(diào)簡單、配注精確、后期不需要單獨(dú)進(jìn)行測試調(diào)配的特點(diǎn)，可以滿足大壓差油層、大斜度井的有效分層注水，比較適合在海上油田應(yīng)用［4-6］。2012年初，同心雙管工藝開始在勝利海上油田大規(guī)模推廣應(yīng)用，部分解決了海上大斜度、大壓差注水井的開發(fā)難題。然而，該技術(shù)從2014年以后就沒有繼續(xù)推廣應(yīng)用，主要受以下因素的制約：受井斜溫度影響，內(nèi)外管分層效果較差，容易出現(xiàn)串層現(xiàn)象；雙控安全閥易失效，安全可靠性較低，不符合海上較高的安全環(huán)保要求；封隔器膠筒老化，井下解封慢甚至不能完全解封，不能實(shí)現(xiàn)大排量反洗井［7-9］。針對以上問題，重點(diǎn)從管柱結(jié)構(gòu)、安全控制、分層工具及反洗井等方面進(jìn)行研究，形成了一種適合海上油田開發(fā)的新型同心雙管分層注水技術(shù)。

1 技術(shù)概況

1.1 管柱

圖1 新型同心雙管注水工藝管柱Fig.1 String used for the new water injection technology of concentric dual string

新型同心雙管注水工藝管柱由相互獨(dú)立的內(nèi)管及外管組成(如圖1所示)，外管注水管柱采用?101.6 mm油管，包括可洗井密封工具、雙級內(nèi)密封工具、定壓篩管、環(huán)空安全封隔器、環(huán)空安全閥；內(nèi)管注水管柱采用?60.3 mm油管，管柱結(jié)構(gòu)相對簡單，包括內(nèi)管安全閥、密封插頭及密封光桿，其中密封插頭與環(huán)空安全閥中的密封工作筒配套使用，密封光桿與雙級內(nèi)密封工具配套使用，可洗井密封工具與防砂管柱上的密封筒配套使用，為保障內(nèi)管安全閥下入，外管上端采用?127 mm套管。該工藝的防砂工藝采用成熟的機(jī)械防砂管柱。

1.2 技術(shù)原理

(1)安全控制。內(nèi)管、外管及環(huán)空三通道采用單獨(dú)的安全控制系統(tǒng)，內(nèi)管安全閥及環(huán)空安全閥分別通過液控管線連接至地面控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)管及內(nèi)外管環(huán)空注水通道的安全控制。套管與外管環(huán)空通過環(huán)空安全封隔器實(shí)現(xiàn)，而此工具的坐封通過外管注入水實(shí)現(xiàn)坐封，坐封后在鎖緊機(jī)構(gòu)作用下實(shí)現(xiàn)永久封堵，三者共同形成了全方位的安全控制系統(tǒng)。

(2)分層注水。內(nèi)外管之間的分層主要由可洗井密封工具、雙級內(nèi)密封工具、密封插頭以及密封光桿(工作筒)實(shí)現(xiàn)，可洗井密封工具與防砂管柱上的密封工作筒配合，雙級內(nèi)密封工具與內(nèi)管上的密封光桿配合，密封插頭與環(huán)空安全閥內(nèi)置的密封工作筒配合，確保內(nèi)外管分層有效，外管注入水經(jīng)過環(huán)空安全閥、定壓篩管進(jìn)入上油層，而內(nèi)管注入水經(jīng)過內(nèi)管安全閥后直接注入下油層。

(3)日后維護(hù)。當(dāng)需要反洗井時，地面控制柜分別打開環(huán)空安全閥、可洗井密封工具及內(nèi)管安全閥，洗井液經(jīng)環(huán)空安全閥、定壓篩管后通過可洗井密封工具的洗井通道洗至井底，然后經(jīng)過底部篩管從內(nèi)管返出，通過此循環(huán)形成一次井口至井底而且大排量的清洗井筒。

(4)酸化解堵。當(dāng)需要對上層單層酸化時，地面控制柜分別打開環(huán)空安全閥及內(nèi)管安全閥，酸液經(jīng)環(huán)空安全閥、定壓篩管后進(jìn)入上油層，同時為保持整個管柱受力平衡，內(nèi)管以相同或相近的壓力正常注水；當(dāng)需要對下層單層酸化時，地面控制柜同樣分別打開環(huán)空安全閥及內(nèi)管安全閥，酸液經(jīng)內(nèi)管安全閥、篩管進(jìn)入下油層，同時降低管柱蠕動，外管保持注水。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

(1)內(nèi)外管及套管環(huán)空能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)控制，安全可靠性高；(2)內(nèi)管和外管獨(dú)立下入，與之前相比，施工簡單，外管受力較??；(3)分層工具采用插封方式，受工況變化而引起的管柱蠕動較小，容易失效的內(nèi)外管分層部分采用雙級密封方式，密封更加可靠；(4)設(shè)有地面控制的洗井機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)大排量反洗井。

2 重要工具研制

2.1 環(huán)空安全閥

(1)設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)。環(huán)空安全閥是同心雙管注水技術(shù)中安全控制的核心工具，如圖2所示?？紤]到井下安全閥開啟壓力精確度要求較高，設(shè)計(jì)了雙柱塞控制方式，該種方式接觸面積較小，能夠避免常規(guī)圓柱活塞的爬坡現(xiàn)象，密封更加可靠。同時為了確保環(huán)空通道無法正常打開時，能夠繼續(xù)正常注水，進(jìn)行了備用通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠延長環(huán)空安全閥的使用壽命，提高海上注水井的檢管周期。

圖2 環(huán)空安全閥Fig.2 Annulus safety valve

(2)結(jié)構(gòu)組成及原理。該工具通過液壓控制管線實(shí)現(xiàn)環(huán)空通道的開啟與關(guān)閉，當(dāng)需要注水時，地面控制柜打壓，柱塞推動柱塞推拉套及滑套中心管下移，從而實(shí)現(xiàn)滑套中心管與滑套連接套上注水通道的聯(lián)通。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，地面關(guān)閉液壓通道，環(huán)空安全閥在彈簧作用下柱塞推拉套及滑套中心管迅速回彈，實(shí)現(xiàn)環(huán)空通道的安全控制。當(dāng)液控系統(tǒng)失效時，該工具能夠通過環(huán)空注水打壓的方式剪斷設(shè)置的剪釘，單向閥帽壓縮下彈簧并下移，打開備用通道，在停止環(huán)空注水的時候，備用通道能夠自行關(guān)閉，保證井控安全。工具具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 環(huán)空安全閥技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of annulus safety valve

2.2 分層工具

(1)雙級內(nèi)密封工具。大井斜注水井插入密封在下入過程中容易出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致分層失效，設(shè)置了雙級內(nèi)密封工具(圖3)，采用雙級組合盤根+內(nèi)組合膠筒組合密封的方式。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該工具承受工作壓差20 MPa以上，密封效果比較可靠，滿足海上分注要求；組合密封材料采用內(nèi)置密封方式，在保障正常注水的情況下，內(nèi)外管間隙小，1 MPa注水壓差下管柱所受活塞力僅為590 N，管柱蠕動量較小，提高管柱的使用壽命。該工具通過與內(nèi)管上的密封光桿配合，為確保大斜度注水井密封可靠性，采用長度為7 m的密封光桿，兩者之間形成組合盤根過盈密封及內(nèi)置膠筒擠壓坐封的雙級密封方式。注入水從內(nèi)外管環(huán)空通過工具的打壓口進(jìn)入，推動活塞下移，坐封內(nèi)組合膠筒，同時在鎖環(huán)作用下，將膠筒鎖緊形成永久密封，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管之間的可靠分層。

圖3 雙級內(nèi)密封工具Fig.3 Two-stage inner sealing tool

(2)可洗井密封工具。針對海上油田大排量反洗井的需求，設(shè)計(jì)了可洗井密封工具(圖4)。該工具集成了層間密封及反洗功能，與防砂管柱上的密封筒配套，通過多組T型盤根與密封筒的過盈配合，實(shí)現(xiàn)油層部位的有效分隔。該種密封方式，較之前的膠筒密封相比，管柱受力降低60%左右。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該工具能夠承受20 MPa以上的工作壓差，滿足海上分注要求。

圖4 可洗井密封工具Fig.4 Well washable sealing tool

當(dāng)需要反洗井時，地面液壓控制柜打壓，柱塞帶動滑套下移，到達(dá)反洗入口時，打開反洗通道，實(shí)現(xiàn)大排量反洗井。該工具代替目前常用的靠油套壓差開啟的可洗井類封隔器，能夠?qū)崿F(xiàn)地面的單獨(dú)控制，地面開啟壓力設(shè)置為10 MPa，防止井下因?qū)娱g壓差較大造成的干擾串層，解決海上大壓差注水井分層不可靠的難題。同時，該工具采用4個?12 mm的圓孔，過流面積較大，能夠?qū)崿F(xiàn)大排量的反洗井要求，保障注水井長壽運(yùn)行。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證環(huán)空安全閥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，依托勝利油田API重點(diǎn)安全閥實(shí)驗(yàn)室(通過API 14A認(rèn)證)，對該產(chǎn)品進(jìn)行性能檢驗(yàn)，測試參數(shù)主要包括主通道開啟及關(guān)閉壓力、備用通道開啟壓力、工作壓力、額定壓力、泄漏量、通道流量等。實(shí)驗(yàn)過程嚴(yán)格根據(jù)API 14A井下安全閥規(guī)范和該環(huán)空安全閥的技術(shù)要求，每一項(xiàng)參數(shù)在實(shí)驗(yàn)臺均按照流程進(jìn)行了5次測試(圖5)；每次實(shí)驗(yàn)值都控制在標(biāo)準(zhǔn)值的5%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場需要，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖5 井下安全閥實(shí)驗(yàn)流程Fig.5 Flow chart of safety valve test

表2 安全閥實(shí)驗(yàn)記錄Table 2 Test records of safety valve

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證同心雙管分注技術(shù)的可靠性，在勝利海上油田CB20CB-13井首次進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并取得了良好效果。截至2016年12月，已經(jīng)在勝利海上油田現(xiàn)場應(yīng)用10口井，施工成功率100%，分層合格率100%，最大層間壓差10.5 MPa，最大井斜74.18°，解決了海上油田大斜度井、大壓差井測調(diào)困難、分層不清的難題，有效推動了海上油田的水驅(qū)開發(fā)程度。其中KD34C-7是一口小流量分注井，上層配注10 m3/d，未驗(yàn)證分層可靠，經(jīng)超聲波流量計(jì)進(jìn)行測試，該層注水量與井口調(diào)節(jié)閥顯示值一致，誤差小于 5%。雙管注水技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況見表3。

表3 技術(shù)服務(wù)井歷史資料Table 3 Technical service well history data

5 結(jié)論

(1)通過管柱設(shè)計(jì)及安全、分層工具研制、現(xiàn)場試驗(yàn)等進(jìn)行不斷的完善與配套，目前已經(jīng)形成了比較理想的安全控制可靠、分層密封長效、反洗井徹底的同心雙管分注技術(shù)。該工藝具有獨(dú)立的安全控制系統(tǒng)，尤其符合海上油田較高的安全環(huán)保要求。

(2)該技術(shù)在地面能夠滿足大壓差、大斜度分注井的測試調(diào)配需求，實(shí)現(xiàn)小流量恒流量精細(xì)注水、大壓差有效分層注水，適合海上大壓差、大斜度注水井的高效開發(fā)；并且能夠滿足注水井后期的分層測試與酸化，達(dá)到延長注水周期與降本增效的目的，在海上特殊的生產(chǎn)環(huán)境中具有很好的推廣價(jià)值。