分層注水管柱技術(shù)分析

崔江花

（中國(guó)石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

江漢油田自進(jìn)入注水開(kāi)發(fā)以來(lái)，其注水管柱主要使用的是偏心式井下分層注水工藝管柱。該種工藝管柱在國(guó)內(nèi)各油田使用量最大，配套工具最全，配套工藝最系統(tǒng)全面。偏心式分層注水管柱一般由可反洗井的Y341型等封隔器、偏心配水器、底部循環(huán)凡爾（或球座）等組成，再配以鋼絲投撈及測(cè)試工藝。

對(duì)于普通注水井，由于注入壓力通常不是很高，且壓力波動(dòng)也比較小，因此管柱因溫度和壓力的變化所產(chǎn)生的螺旋彎曲效應(yīng)、活塞效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)等也都比較小，一般不會(huì)使管柱產(chǎn)生大的變形，所以對(duì)管柱和井下工具的要求不高，管柱的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單可靠，使用中問(wèn)題少。

對(duì)于高溫、高壓注水井，管柱因溫度和壓力的變化所產(chǎn)生的螺旋彎曲效應(yīng)、活塞效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)都會(huì)使管柱變形，從而使封隔器發(fā)生位移，導(dǎo)致封隔器封隔失效，所以，必須對(duì)管柱進(jìn)行錨定。為了消除錨定后的管柱因上述效應(yīng)引起的內(nèi)應(yīng)力，有時(shí)還需在管柱錨定位置的上方使用管柱補(bǔ)償裝置。各下井工具都必須能耐高溫和高壓，特別是封隔器膠筒，應(yīng)具有高的耐溫性能和高的撕裂強(qiáng)度。

1 目前分層注水工藝管柱使用現(xiàn)狀分析

江漢油田使用過(guò)的分層注水工藝管柱主要有4種。

1.1 油套保護(hù)分層注水管柱（見(jiàn)圖1）

管柱結(jié)構(gòu):由Y341注水封隔器、偏心配水器、循環(huán)凡爾等組成。采用鋼絲投撈測(cè)配的方式，達(dá)到分層配注的目的。管柱中應(yīng)用的封隔器級(jí)數(shù)與分注層數(shù)相等，在最上一級(jí)封隔器以上的油套環(huán)空可以替入保護(hù)液。

工藝原理:將管柱下到設(shè)計(jì)位置；油管內(nèi)蹩壓，坐封封隔器，各層段被有效隔開(kāi)；裝好井口，進(jìn)行投撈測(cè)試、分層注水；如果需要洗井，套管泵入洗井液經(jīng)過(guò)封隔器反洗通道由底部循環(huán)凡爾進(jìn)行反洗；從套管注入保護(hù)液，可以實(shí)施油套管保護(hù)。

1.2 錨定式分層注水管柱（見(jiàn)圖2）

管柱結(jié)構(gòu):由水井雙向錨、Y341注水封隔器、偏心配水器、循環(huán)凡爾等組成。還可配接管柱伸縮補(bǔ)償器，改善管柱受力狀況。采用鋼絲投撈測(cè)配的方式，達(dá)到分層配注的目的。管柱中應(yīng)用的封隔器級(jí)數(shù)與分注層數(shù)相等，在最上一級(jí)封隔器以上的油套環(huán)空可以替入保護(hù)液。

工藝原理:將管柱下到設(shè)計(jì)位置；油管內(nèi)蹩壓，坐卡水井雙向錨，坐封封隔器，管柱伸縮補(bǔ)償器開(kāi)始工作，各層段被有效隔開(kāi)；裝好井口，進(jìn)行投撈測(cè)試、分層注水；如果需要洗井，可由底部循環(huán)凡爾進(jìn)行反洗；從套管注入保護(hù)液，可以實(shí)施油套管保護(hù)。

圖1 油套保護(hù)分層注水管柱

圖2 錨定式分層注水管柱

1.3 高壓注水管柱一（見(jiàn)圖3）

管柱結(jié)構(gòu):由管柱伸縮補(bǔ)償器（使用較少）、壓井洗井開(kāi)關(guān)、水力錨、Y241封隔器、Y341封隔器、偏心配水器、循環(huán)凡爾等組成。

工藝原理:將管柱下到設(shè)計(jì)位置，裝好井口；洗井，從套管注入保護(hù)液，可以實(shí)施油套管保護(hù)；投球蹩壓，封隔器坐封坐卡，水力錨、管柱伸縮補(bǔ)償器相繼進(jìn)入工作狀態(tài)；繼續(xù)蹩壓，打掉球座芯子，建立注水通道，根據(jù)配注要求注水；投球桿打開(kāi)壓井洗井開(kāi)關(guān)，使油套連通，可以壓井洗井；上提管柱，管柱解封解卡。

這種管柱是針對(duì)江漢油田的部分注水井的注水壓力升高后，上述兩種管柱出現(xiàn)有效密封期短、工作可靠性大幅度降低、工作壽命大幅度縮短等問(wèn)題后所進(jìn)行的試驗(yàn)性管柱，但實(shí)際使用效果不理想。

1.4 高壓注水管柱二（見(jiàn)圖4）

管柱結(jié)構(gòu):由水力錨、Y111封隔器、Y221封隔器、偏心配水器、底部球座（或循環(huán)凡爾）等組成。

工藝原理:將管柱下到設(shè)計(jì)位置，洗井，上提－旋轉(zhuǎn)－下放管柱，封隔器坐封坐卡；根據(jù)配注要求注水，水力錨坐卡；上提管柱，解封解卡起管柱。

這種管柱是在第三種管柱的使用效果不理想情況下進(jìn)行的第二種高壓注水試驗(yàn)性管柱。但到目前，上述第三種管柱中所述問(wèn)題在這種管柱中也還不同程度地存在，說(shuō)明這種管柱也不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖3 高壓注水管柱一

圖4 高壓注水管柱二

2 問(wèn)題分析

上述4種注水管柱在現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)的問(wèn)題現(xiàn)象主要有如下幾種:套管壓力上升、油壓波動(dòng)大而套壓波動(dòng)小、油壓套壓同時(shí)波動(dòng)大、起管柱困難、注入壓力長(zhǎng)期上升。

綜合分析:在通過(guò)上面的不同現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析后可知，注水壓力高、壓力波動(dòng)大、層間壓差大對(duì)管柱的不利影響最大，同時(shí)，根據(jù)其他油田的實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，注水壓力、壓力波動(dòng)、層間壓差、溫度變化這四個(gè)因素是對(duì)注水管柱造成不利影響的主要因素，在江漢油田也是如此。

通常情況下，壓力越高，則壓力波動(dòng)也越大，兩者對(duì)管柱的影響也就越大。以兩層分注管柱為例（見(jiàn)圖5），井內(nèi)共有4個(gè)壓力系統(tǒng)，P1為油管內(nèi)的注入壓力、P2為頂級(jí)封隔器上的環(huán)空液柱壓力、P3為底層的注入壓力、P4為上層的注入壓力。靜態(tài)分析它們之間的相互關(guān)系為:P1＞P2、P1＞P3、P1＞P4、P3＞P2、P4＞P2。它們對(duì)管柱產(chǎn)生的作用為:

P1產(chǎn)生作用在管柱底部的向下的拉力，大小為F1＝P1×S1（S1為油管內(nèi)截面積）；

P2產(chǎn)生作用在上封隔器上面的向下的平衡力，大小為F2＝P2×S3（S2為油管截面積，S3為油套環(huán)空截面積）；

P3產(chǎn)生作用在底級(jí)封隔器下面的向上的推力，大小為F3＝P3×（S1＋S2＋S3）；

P4為兩級(jí)封隔器之間的平衡力，大小為F4＝P4×S3。

作用在管柱上的向下的力之和為 ∑FX＝F1＋F2＋F4、向上的力之和為 ∑FS＝F3＋F4，兩者的差值△F＝∑FX－∑FS＝（F1＋F2＋F4）－（F3＋F4）。此差值即為管柱的不平衡力。

圖5 影響兩層分注管柱的主要因素分析

1）當(dāng)最高注入壓力在底層時(shí)，有P4＞P2和P4＜P3，同時(shí)封隔器密封，則 △F＝ （F1＋F2）－（F3），即不平衡力對(duì)管柱為向上的作用力，它會(huì)壓縮管柱并使封隔器向上位移。

如果頂級(jí)封隔器失封，則P2＝P4，此時(shí) △F＝（F1＋F4）－F3，表現(xiàn)為套管壓力上升且波動(dòng)加大，但△F會(huì)相應(yīng)減小，底級(jí)封隔器的壓差不變、管柱受到的向上推力減小；如果底級(jí)封隔器失封，則P4＝P3，此時(shí)，△F＝（F1＋F2）－F3，頂級(jí)封隔器的壓差加大、管柱受到的向上推力不變。

2）當(dāng)最高注入壓力在上層時(shí)，有P4＞P2和P4＞P3，同時(shí)封隔器密封，則 △F＝（F1＋F2）－F3，即不平衡力對(duì)管柱為向上的作用力，它會(huì)壓縮管柱并使封隔器向上位移。

如果頂級(jí)封隔器失封，則P2＝P4，此時(shí)表現(xiàn)為套管壓力上升且波動(dòng)加大，但 △F＝（F1＋F4）－F3，不平衡力對(duì)管柱變?yōu)橄蛳碌淖饔昧?，它?huì)拉伸管柱并使封隔器向下位移，底級(jí)封隔器的壓差不變；如果底級(jí)封隔器失封，則P4＝P3，但 △F＝（F1＋F2）－F4，頂級(jí)封隔器的壓差不變、管柱受到的向上推力加大。

通過(guò)上面的分析說(shuō)明，情況1和情況2中只要有任何一級(jí)封隔器失封，則井下的壓力系統(tǒng)就由4個(gè)變化為3個(gè)，管柱所受的活塞效應(yīng)力也將隨之發(fā)生變化。管柱實(shí)際上的受到影響因素要多得多，變化也復(fù)雜得多。根據(jù)國(guó)內(nèi)的研究結(jié)果，注水管柱產(chǎn)生的蠕動(dòng)是由多方面因素產(chǎn)生的:包括自重、溫度、壓力等，其中影響最大的是壓力和溫度的變化（見(jiàn)圖6）。這些因素對(duì)管柱產(chǎn)生的效應(yīng)與結(jié)果在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)（見(jiàn)圖7），現(xiàn)場(chǎng)跟蹤也發(fā)現(xiàn)，在注水管柱未進(jìn)行錨定或錨定配置不合理的分注井上，有效期短，且下部管柱“失穩(wěn)”產(chǎn)生明顯的螺旋彎曲（見(jiàn)圖8）。

圖6 注水管柱產(chǎn)生蠕動(dòng)的因素

圖7 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 現(xiàn)場(chǎng)跟蹤結(jié)果圖

3 結(jié)論

1）在注水層上部使用頂級(jí)封隔器的分層注水管柱，大多數(shù)情況下，壓力變化所產(chǎn)生的總體作用力是向上的，即對(duì)管柱是上頂力。

2）分層注水管柱的受力是不平衡的，而且在各種效應(yīng)的共同作用下，管柱一定會(huì)發(fā)生蠕動(dòng)和變形，所以需要對(duì)管柱進(jìn)行錨定，以保持管柱的總體受力平衡。

［1］徐仲其.注水系統(tǒng)效率影響因素分析與對(duì)策［J］.江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，25（02）:20－22.

［2］許寶安.王場(chǎng)油田78－2井區(qū)改善注水效果及對(duì)策探討［J］.江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，26（01）:44－46.

［3］楊立中，戴莉，魏立新.注水新工藝新技術(shù)在江漢油區(qū)的應(yīng)用［J］.江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，26（02）:28－31.