高溫高壓儲層智能分注工藝可靠性研究

毛慶凱，王良杰，羅昌華，楊萬有，牛貴鋒，王現(xiàn)鋒，于繼飛(.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司 鉆采工程研究所，天津30045；.中海油研究總院，北京 0007)

高溫高壓儲層智能分注工藝可靠性研究

毛慶凱1，王良杰1，羅昌華1，楊萬有1，牛貴鋒1，王現(xiàn)鋒1，于繼飛2
(1.中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司 鉆采工程研究所，天津300452；2.中海油研究總院，北京 100027)

渤中25-1油田高溫高壓注水井面臨油藏溫度高、管柱蠕動大和常規(guī)測調(diào)技術(shù)不適用的難題。采用智能測調(diào)分注工藝，可有效解決測調(diào)效率低的問題。研究該工藝的耐高溫高壓性能及電纜通信可靠性顯得尤為重要。從管柱結(jié)構(gòu)、管柱蠕動計算、材料耐高溫和電纜保護等方面分析了高溫高壓智能分注工藝的可靠性，得出的結(jié)論是：“分體式”智能分注管柱保證了施工和注水測調(diào)的可靠性；高溫高壓深井防蠕動管柱工藝設(shè)計保證了耐高壓可靠性；優(yōu)化選材及老化試驗保證了耐高溫可靠性；關(guān)鍵工具的電纜保護設(shè)計及電纜強度試驗則保證了電纜通信的可靠性。

高溫高壓；注水；電纜；可靠性

符號說明

Δlg——管柱的拉伸或壓縮的變形量，m

ΔFg——重力因素引起管柱受力，N

K——浮力系數(shù)，在清水中K值取為0.872 611 5

q——管柱的平均質(zhì)量，kg/m，可查表

L——管柱長度，m

E——鋼材彈性模量，MPa，取值2.059 39×105MPa

D——油管外直徑，mm

d——油管內(nèi)直徑，mm

A——油管的斷面面積，m2

ΔlT——溫度引起的管柱伸長，m

ΔFT——溫度因素引起管柱受力，N

β——鋼材的線膨脹系數(shù)，一般取值為1.2×10-5/℃

ΔT——溫度變化，℃

T1——變化前的管柱平均溫度，℃

T2——變化后的管柱平均溫度，℃

T3——井口溫度，℃

Δt——時間變化

T——注水管柱中的溫度，℃

α——地溫梯度，℃/m

h——井中任意深度，m

Tgs——年平均地表溫度，℃

Twh——注入水的井口溫度，℃

e——常數(shù)，取值2.718 28

ρw——水的密度，g/cm3，取值為1 g/cm3

Cf——水的比熱容，J/(g·℃)

f(t)——關(guān)于時間的函數(shù)

Kh——巖石的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)

K——地層熱擴散率，m2/s

rc——套管外徑，mm

t——注入時間，s

Δlp——鼓脹引起的管柱伸長，m

各省市BIM聯(lián)盟通過加強聯(lián)盟間的溝通聯(lián)絡(luò)及交流合作，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢資源，聚力核心競爭力，聯(lián)合推進建筑信息模型全生命期的橫向、縱向科研和應(yīng)用創(chuàng)新，共同開展BIM技術(shù)基礎(chǔ)性、前瞻性研究；圍繞建筑業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)模型，遵循“系統(tǒng)規(guī)劃、分步實施、注重實效”的原則，保障數(shù)據(jù)信息安全的基礎(chǔ)上，橫向統(tǒng)籌規(guī)劃建筑工程全生命期BIM專業(yè)研究，縱向延伸至路橋、市政、軌道交通、電力等專業(yè)BIM應(yīng)用系列；依托各省市BIM聯(lián)盟開展工程驗證，打造重大示范工程，推動智慧建造落地生根。

ΔFp——壓力因素引起管柱受力，N

μ——鋼材的泊松比，取值為0.3

pi——井口注水壓力，MPa

Ap——密封腔面積，m2

Ad——油管內(nèi)徑包圍的面積，m2

Q——流量，m3/s

ν——注入水的運動黏度，m2/s

Δlf——摩阻引起的管柱伸長，m

I——環(huán)形慣性矩，m4

渤中25-1油田構(gòu)造具有埋藏深的特點，深井常伴隨著高溫高壓的井況[1]。高溫高壓低滲油藏注水開發(fā)存在3個難題：

1) 井下高溫會使分層封隔器膠筒與密封盤根等橡膠件出現(xiàn)高溫脫硫或高溫碳化[2]。

2) 高壓會使注水管柱發(fā)生較大蠕動從而造成注水分層失效[3]。

3) 常規(guī)下入工具測調(diào)技術(shù)不適合大斜度井，深井情況下鋼絲或者電纜承受載荷，存在風(fēng)險，且若水質(zhì)不好，油管容易結(jié)垢，更不易于儀器的下入。

采用智能測調(diào)分注工藝可有效解決測調(diào)效率低的問題，而研究該工藝的耐高壓性能及電纜通信可靠性顯得尤為重要[4]。

1 高溫高壓分注工藝

1.1 目標(biāo)井井況

根據(jù)渤中25-1區(qū)塊油藏地質(zhì)要求，初步分析得出注水井井況如下：

1) 油藏溫度127～135 ℃，設(shè)計溫度為150 ℃。

2) 注水井為定向井，平均井深為4 300 m。

4) 注水層數(shù)≤4層，以3層為例。

5) 儲層為特低滲到低滲，注水啟動壓力8～14 MPa，井口泵壓20～30 MPa，最大設(shè)計注入壓力為35 MPa。

6) 儲層的非均質(zhì)性強，不同層段、斷塊試井解釋的滲透率值的差異大，全井最大注入量≤300 m3/d。

1.2 管柱組成

針對套管完井注水井，一般會采用分層與注水功能集成于一趟管柱來實現(xiàn)分注，即“一體式”分注管柱。但是，該區(qū)塊注水井井深大，油藏溫度高，注入壓力大，并且海上注水井作業(yè)成本高，一旦某個工具失效，需要起出所有管柱，風(fēng)險大。

為滿足高溫高壓注水井的精確配注要求，同時盡可能增加可靠性，設(shè)計如圖1所示的“分體式”分層注水工藝管柱，包含外管柱和內(nèi)管柱2個部分。外管柱的井下核心工具為3個相同的Y445型封隔器，內(nèi)管柱井下核心工具包含外徑為?148 mm頂部水力錨、3個外徑為?114 mm智能配水器、3個外徑為?98.4 mm過電纜插入密封及盲堵。根據(jù)滿足配注、減少摩阻、安全經(jīng)濟的原則，注水段以上選擇外徑為?88.9 mm(3英寸)EU油管，注水段選擇外徑為?60.3 mm(2英寸)NU油管。

1—地面控制設(shè)備；2—電纜；3—過電纜水力錨；4—過電纜插入密封；5—Y445型封隔器；6—智能配水器；7—盲堵。圖1 高溫高壓智能測調(diào)注水管柱示意

1.3 工藝原理

下入時，采用油管或鉆桿起放管柱作業(yè)，逐級下入完全相同的帶卡瓦封隔器，加壓坐封，下入驗封管柱驗封。逐級驗封合格后，整體下入帶電纜內(nèi)注水管柱，再次驗封，并進行智能調(diào)配各層注水量，實現(xiàn)分層智能注水。需要解封時，起出內(nèi)注水管柱，下入解封工具，逐級解封和打撈帶卡瓦封隔器。

該工藝技術(shù)可以最大限度地提高注水合格率，實現(xiàn)高效注水，具體包含以下功能：

1) 井下的數(shù)據(jù)電腦直讀實時顯示。

2) 可通過地面控制設(shè)備精確控制配注量。

3) 具備驗封功能。

4) 免鋼絲電纜投撈，特別適用于海上油田大斜度井和水平井。

5) 可實現(xiàn)中控至井口的無線傳輸，一臺控制設(shè)備可以分時控制7口井，每口井可以控制8個注水層的智能注水[5]。

1.4 適用條件

該高溫高壓儲層智能注水工藝的適用條件為：

1) 適用于內(nèi)通徑為?157.1 mm的177.8 mm(7英寸)套管井。

2) 分注層段數(shù)≤8層。

3) 適用井斜角度≤90°。

4) 單層最大測試流量800 m3/d。

5) 工作壓差35 MPa。

2 工藝可靠性研究

對于高溫高壓深井，相比普通注水井，需要解決工具的耐高溫高壓性能、電纜保護等關(guān)鍵問題。伴隨井深、溫度和壓力載荷的增加，從工具自身性能和工藝設(shè)計角度上考慮，工具的耐高溫高壓性能顯得尤為突出；隨著施工風(fēng)險的增高，從現(xiàn)場實施和工藝設(shè)計角度上考慮，電纜保護問題和施工風(fēng)險最小化則是關(guān)鍵問題。

2.1 管柱工藝施工可靠性分析

2.1.1 施工可靠

由于目標(biāo)井為套管完井，若采用分層和注水一體式管柱下入方式，高壓下管柱蠕動較大，會產(chǎn)生封隔器意外解封的風(fēng)險。同時，多個封隔器長時間坐封于井下，也容易造成無法解封，造成大修，增加成本。該工藝將外分層管柱與內(nèi)注水管柱分離，外管柱下入借鑒了海上防砂完井的成熟工藝，保證了現(xiàn)場施工及后期注水的工藝可靠性。

2.1.2 測調(diào)可靠

電纜隨內(nèi)管柱永置于井下，智能配水器內(nèi)置傳感器，實時監(jiān)測井下的溫度、壓力和流量等參數(shù)，可實現(xiàn)智能驗封，并通過無級調(diào)節(jié)水嘴大小，實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)每層注入流量。該工藝不用下入測調(diào)儀器，可避免因井深過大引起的測調(diào)儀器下入遇卡，同時也可避免因結(jié)垢造成測調(diào)儀器無法下入的風(fēng)險，提高了測調(diào)的可靠性[6]。

2.2 管柱耐高壓可靠性分析

管柱在高壓下的失效方式有注水工具的高壓破裂失效和管柱蠕動引起的分層密封失效2種。注水工具的耐高壓技術(shù)已經(jīng)較為成熟。本文將著重通過蠕動變形受力分析，保證管柱的可靠性。

由于分層外管柱帶卡瓦封隔器單獨錨定，可以忽略管柱蠕動產(chǎn)生的影響，而注水內(nèi)管柱在注水、停注以及再次注水過程中，管柱自重及浮力、壓力、溫差以及流體摩阻4個因素都可以引起注水管柱的軸向變形[7-10]。

2.2.1 重力因素

管柱受自重和浮力作用而拉伸或壓縮的變形量計算公式[8]為：

(1)

(2)

2.2.2 溫度因素

管柱受溫度因素而產(chǎn)生的拉伸或壓縮變形公式為[9]：

ΔlT=βΔTL

(3)

(4)

ΔT=T2-T1

(5)

(6)

(7)

T=α·h+Tgs+α·A+(TwH-Tgs+α·A)·eh/A

(8)

A=ρw·v·Cf·f(t)/(2π·Kh)

(9)

(10)

2.2.3 壓力因素

當(dāng)管柱內(nèi)的壓力大于管柱外的壓力時，就使管柱產(chǎn)生鼓脹效應(yīng)。同時，封隔器位置上下存在壓力差，會使管柱產(chǎn)生活塞效應(yīng)，鼓脹效應(yīng)與活塞效應(yīng)疊加使管柱整體伸長或縮短，變形量公式為：

(11)

(12)

2.2.4 摩阻因素

沿管壁流動的液體受到摩擦阻力作用，該力的反作用力將引起注水管應(yīng)力和軸向變形的改變。設(shè)Δ為管壁絕對粗糙度。

(13)

雷諾數(shù)的計算公式為：

(14)

低滲儲層目前注水井日注入量都在100～500 m3/s，經(jīng)過上式計算，判斷均處于紊流狀態(tài)下的水力光滑區(qū)。由現(xiàn)場的經(jīng)驗公式[10]可得：

(15)

式(15)是注水時管柱受到的摩擦力使其產(chǎn)生的軸向變形，由于渤中25-1油田配注量較小，所得Δlf很小，在本文所討論的問題中可以忽略不計。

從上文對注水管柱4個方面的分析可以看出，溫度和壓力是影響管柱軸向蠕動的主要因素。下文中將根據(jù)計算結(jié)果判斷在進行注水、停注以及再次注水過程中管柱蠕動變形及受力情況，進而驗證該管柱的可行性。

2.2.5 渤中25-1油田注水管柱工作狀態(tài)蠕動分析

3層分注可將分層工具等效為1個，便可將管柱及受力情況簡化為如圖2所示。

圖2 管柱蠕動受力示意

對于注水段以上部分而言，內(nèi)管柱下入到位后，管柱在自重力和溫度作用下會伸長，下壓力50 kN，用于抵消停注時的載荷。注水時，假設(shè)注水壓力為35 MPa，管柱會受溫度、壓力的影響，均使管柱向上運動。經(jīng)計算，溫度效應(yīng)產(chǎn)生的力為36.7 kN，壓力效應(yīng)產(chǎn)生的力為240 kN。但是，此時水力錨已經(jīng)張開，綜合作用力均傳遞至水力錨上，使管柱不會產(chǎn)生蠕動。停注時，注入壓力消失，壓力效應(yīng)產(chǎn)生的力瞬間變?yōu)?。但是，瞬時溫度不變，產(chǎn)生向上36.7 kN的力。該力正好被管柱下壓力所抵消，管柱仍然不會蠕動。當(dāng)再次注水時，水力錨再次打開，溫度和壓力效應(yīng)再次發(fā)揮作用，產(chǎn)生的蠕動力仍然會傳遞至水力錨，管柱不會蠕動。

對于注水段部分，水力錨無法抵消其受力產(chǎn)生的變形。假設(shè)注水段長度200 m，在溫度和壓力效應(yīng)作用下，此部分的管柱蠕動引起的局部最大位移為0.143 m，不會使插入密封脫離密封筒，保證了分層的可靠性。

2.3 管柱耐高溫可靠性分析

高溫環(huán)境下比普通井況更為惡劣，非金屬材料為薄弱點，尤其是封隔器膠筒及插入密封密封模塊橡膠，其材料均選用經(jīng)過膠料配方優(yōu)化的耐高溫高壓的氫化丁腈橡膠，而抗老化性能可有效反映長期耐高溫的性能，故針對該氫化丁腈橡膠進行了老化試驗。選用硬度不同的2種膠筒各15 kg，在150 ℃的熱油中浸泡72 h，測試其性能，結(jié)果如表1所示。

表1 橡膠熱油浸泡試驗

橡膠拉伸強度和體積增加，扯斷伸長和硬度變化幅度也較小，可以滿足高溫高壓井的應(yīng)用。

2.4 電纜通信的可靠性分析

該工藝在渤海油田非高溫高壓注水井已應(yīng)用3井次，目前電纜通信一切正常。電纜選用進口11 mm×11 mm井下通用方電纜，可耐溫150 ℃，耐壓70 MPa。但管柱在下入和通信過程中，接頭部位仍為風(fēng)險點，油管外裸露處仍不可避免受到擠壓和摩擦，需要詳細分析其可靠性。

2.4.1 電纜連接可靠性分析

配管時，可將過電纜插入密封與智能配水器靠近連接，從而在下入管柱時，只需將截斷后電纜穿越過電纜插入密封，連接至智能配水器的接頭處，避免因使用電纜連接器產(chǎn)生的風(fēng)險。如圖3所示，智能配水器電纜接頭結(jié)構(gòu)有如下設(shè)計來保證電纜連接的可靠性：

1) 插接式電纜連接?，F(xiàn)場施工簡單快捷，可靠性高。

2) 耐高溫、高壓。采用成熟世偉洛克MC卡套實現(xiàn)密封，滿足高溫高壓條件，且在電纜發(fā)生晃動的情況下，可保證良好連接和密封。

3) 接頭內(nèi)部雙重O形圈密封。一旦外接頭進水，可避免損壞配水器內(nèi)部電路，保證智能配水器再利用。

圖3 智能配水器接頭結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 電纜本體可靠性分析

除了電纜接頭處是管柱的風(fēng)險點外，裸露在接箍外面的電纜最需要加以保護。由于注水段內(nèi)空間有限，無法使用電纜護卡保護電纜，故采用接箍電纜保護器代替接箍，在順利通過注水段的前提下，使電纜總處于接箍電纜保護器的回轉(zhuǎn)體直徑以內(nèi)，防止在管柱下入過程中被摩擦損傷，起到保護電纜的作用，如圖4所示。

在管柱下入過程中，油管或短節(jié)中央位置的電纜最容易受到油管或短節(jié)自身彎曲造成的擠壓。該工藝在注水段內(nèi)采用短節(jié)來替代油管，可避免裸露在外面的電纜免受擠壓。因為油管或短節(jié)的長度越短，由自重產(chǎn)生的撓度越小，電纜被油管或短節(jié)擠壓到的可能越小。如圖4所示，注水段內(nèi)油管外徑與電纜之間的距離為8 mm，則短節(jié)的撓度應(yīng)小于8 mm，才能避免電纜被擠壓。

圖4 注水段內(nèi)油管外電纜保護示意

以最惡劣的水平段為例，若油管長度l為10 m，則油管的撓度為：

(16)

(17)

最后計算出的撓度值為86.7 mm，將油管替換為不同長度的短節(jié)，計算匯總?cè)绫?。

從表2可知，在保證電纜被接箍電纜保護器固定拉緊狀態(tài)下，只要短節(jié)長度小于5.5 m，便可防止因短節(jié)自重彎曲對電纜的擠壓。

表2 不同油管/短節(jié)長度的撓度值

2.4.3 電纜拉伸壓縮試驗

電纜保護設(shè)計使電纜在下入過程中不會被擠壓，但仍避免不了因管柱管柱晃動、彎曲對電纜造成短暫的磕碰。所以需要測試電纜的抗拉、抗擠性能及世偉洛克接頭處的電纜抗拉性能，得出以下結(jié)論：

1) 電纜及世偉洛克接頭均能抵抗13～15 kN的拉力，即電纜接頭處的強度與電纜本體強度相當(dāng)。

2) 5 cm長度的電纜承受60 kN壓力后，雖外形變形，但是電纜內(nèi)芯無損傷，絕緣和通信正常，證明每5 cm電纜可承受600 m油管的重力。

因此，電纜隨管柱正常下入過程中，安全可靠性高。

3 結(jié)論

1) 本文從管柱結(jié)構(gòu)、管柱蠕動計算、材料耐高溫和電纜保護等方面分析了高溫高壓智能分注工藝的可靠性。

2) 該工藝采用“分體式”智能分注管柱，保證了現(xiàn)場施工及后期注水測調(diào)的工藝可靠性。

3) 高溫高壓深井防蠕動管柱工藝設(shè)計，水力錨承載能力高，可抵抗注水-停注-再次注水引起的管柱蠕動。

4) 橡膠材料選擇氫化丁腈橡膠，具有良好的耐高溫、抗老化性能，可靠性高。

5) 高溫高壓深井條件下，電纜保護器及關(guān)鍵工具的電纜保護設(shè)計保證電纜下入可靠性。

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Reliability Study on Intelligent Separate-layer Water Injection Technology in HTHP Reservoir

MAO Qingkai1，WANG Liangjie1，LUO Changhua1，YANG Wanyou1，NIU Guifeng1，WANG Xianfeng1，YU Jifei2
(1.Drilling&ProductionTechnologyResearchInstitute，CNOOC，Tianjin300452，China；2.CNOOCResearchInstitute，Beijing100027，China)

Problems of high temperature，string creeping and conventional inapplicable measurement techniques will be taken into account in HTHP water injection wells of BZ 25-1 oilfield.The problem of low efficiency of measuring and adjusting can be solved by using intelligent separate-layer water injection technology，while the study on HTHP property and telecommunication reliability of this technology is vitally important.In this article the reliability of HTHP intelligent separate-layer water injection technology is analyzed in sight of string structure，creeping calculation，material high temperature property and cable protection，etc.Several conclusions are arrived at：reliability of construction can be assured by using “Split-type” smart separate-layer water injection string，reliability of high pressure property will be guaranteed with the design of anti-creep string，security of high temperature is ensured with material optimization and aging test，dependability of telecommunication will be satisfied with cable protection design of key tool and strength test of cable.

HTHP；water injection；cable；reliability

2016-11-08

“十三五”國家科技重大專項“海上稠油油田高效開發(fā)鉆采技術(shù)”子課題“海上高效注采系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”項目部分研究成果(2016ZX05025002-005)

毛慶凱(1987-)，男，工程師，現(xiàn)從事注水工藝研究，E-mail：agilumqk@126.com。

1001-3482(2017)03-0023-06

TE934.402

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.005