單井分層同時注水和聚合物工藝的研究與應(yīng)用

吳志彬

(大慶油田有限責(zé)任公司 第五采油廠，黑龍江 大慶 163513)

目前，X油田聚驅(qū)注入井采用先下入封堵管柱對井筒下部進(jìn)行封堵[1-4]，再下入生產(chǎn)管柱開采上部層位的聚驅(qū)上返封堵技術(shù)，常見平衡支井底式(見圖1)和懸掛式(見圖2)兩種封堵工藝[5-6]。

以上兩項封堵工藝均采用封隔器將上下油層分隔，即：隔開前期開采的下部高含水率的水驅(qū)注采層位，而繼續(xù)對上部新射開層位注聚合物開采，它們是目前油田在水驅(qū)后期主要的上返注聚合物開采可靠技術(shù)。但這兩種工藝也存在一定問題，即由于新射開層位需注聚合物開采，與下部原注水驅(qū)替層位(目前需封堵層位)在注入介質(zhì)上存在差異且只有一條油管注入通道，導(dǎo)致當(dāng)對上部層位注聚合物時，下部層位無法繼續(xù)注水開發(fā)，結(jié)果導(dǎo)致原注入水驅(qū)替油層在產(chǎn)量上的大幅減少，加劇平面調(diào)整矛盾，給油田開發(fā)帶來不利影響。

預(yù)計到2020年，X油田將有位于4個聚驅(qū)開發(fā)區(qū)塊的514口注入井實施聚驅(qū)上返注入工藝，將對下部注水層封堵，開采上部聚驅(qū)層位，預(yù)計封堵下部層位會影響產(chǎn)量高達(dá)38.8×104t。目前的常規(guī)上返工藝無法滿足單井同時注入水和聚合物驅(qū)替油藏中的原油[7-8]，因此無法挽回由于下部層位被封堵無法繼續(xù)開采而造成的原油經(jīng)濟損失。為此，開展了單井分層同時注水和聚合物工藝的研究，實現(xiàn)聚驅(qū)上返后后續(xù)水驅(qū)與聚驅(qū)開采同時進(jìn)行的目的，爭取降低聚驅(qū)上返封堵工作量和封堵對后續(xù)水驅(qū)生產(chǎn)的影響，進(jìn)一步提高驅(qū)替效果。

圖1 平衡支井底封堵管柱示意圖

Fig.1Balancedbottom-sitspluggingpipestring

圖2 懸掛式封堵管柱示意圖

Fig.2Suspendedpluggingpipestring

1 工藝管柱設(shè)計

單井分層同時注水和聚合物工藝管柱結(jié)構(gòu)(見圖3)從上到下主要由外層油管、內(nèi)層油管、注聚滑套開關(guān)器、專用插入密封段、偏心配水器等工具組成。實施中，聚合物溶液經(jīng)由內(nèi)層油管與外層油管間的環(huán)空間隙注入，注聚器采用注聚滑套開關(guān)器；而水通過內(nèi)層油管經(jīng)由偏心配水器注入地層。內(nèi)外層油管通過專用插入密封段進(jìn)行分隔，使注入的聚合物和水互不影響。插接密封段以上的外層油管采用75.9 mm平式油管(接箍外徑107.0 mm、油管外徑88.9 mm)，內(nèi)層油管采用對接箍進(jìn)行薄壁設(shè)計，50.3 mm平式油管(接箍外徑68.0 mm、油管外徑60.3 mm)。為保證插接管的順利通過，上部封隔器采用大通徑的可洗井封隔器。插接密封段以下使用62.0 mm油管，下部封隔器采用注水井常用的可洗井封隔器、偏心配水器、擋球和篩管[9-12]。

該工藝的特點在于：(1) 采用內(nèi)外兩層油管設(shè)計，形成兩條注入通道；(2) 采用專用插入密封段，使上述兩條通道獨立，注入時互不干涉；(3) 采用注聚滑套開關(guān)器開啟壓力大于大通徑可洗井封隔器坐封壓力，有利于封隔器坐封前的升壓，保證封隔器順利坐封；(4)采用上下兩級封隔器均設(shè)有反洗井通道，可以實現(xiàn)包含上下部管柱在內(nèi)的全井筒洗井。

圖3 工藝管柱結(jié)構(gòu)圖

Fig.3Pipestringstructureprocess

2 關(guān)鍵技術(shù)

單井分層同時注水和聚合物工藝管柱設(shè)計中的關(guān)鍵工藝技術(shù)主要有四項，包括：① 大通徑可洗井封隔器設(shè)計；② 注聚滑套開關(guān)設(shè)計；③ 插接密封段設(shè)計；④ 專用連接接箍設(shè)計。其余工藝，如常用的可洗井封隔器、偏心配水器、三寸油管、擋球和篩管等均為目前在用成熟技術(shù)。

2.1 大通徑可洗井封隔器

大通徑可洗井封隔器是在常規(guī)可洗井封隔器的基礎(chǔ)上優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，擴大內(nèi)通徑，由原來的55.0 mm擴大至62.5 mm，長845.0 mm，坐封壓力12 MPa，上、下接頭均可與內(nèi)徑75.9 mm油管直接連接(見圖4)。

從完成加工的大通徑可洗井封隔器中抽選3套，用游標(biāo)卡尺對外形尺寸進(jìn)行測量，工具最大外徑114.0 mm，內(nèi)通徑62.5 mm，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求(見表1)。

表1 大通徑可洗井封隔器尺寸測量Table 1 Size measurement of large diameter washable packer mm

為驗證大通徑可洗井封隔器的各項性能，對其進(jìn)行了室內(nèi)加壓實驗，實驗裝置如圖5，過程如下：

坐封試驗：從A口加壓，壓力從0逐步增加，當(dāng)坐封壓力增加到8.0 MPa時，壓力突降，表明坐封銷釘剪斷，繼續(xù)增加坐封壓力至12.0 MPa時，封隔器坐封完畢。

Fig.4Largediameterwashablepacker

圖5 大通徑可洗井封隔器試驗加壓實驗裝置

Fig.5Pressuretestdeviceforlargediameterwashablepacker

反洗井實驗：將A控制泵泄壓，從B口加壓，達(dá)到1.5 MPa后，洗井活塞打開，壓力液通過膠筒從C口噴出，實現(xiàn)反洗井。

單向承壓實驗： A口保壓10.0 MPa，C口打開，從B口加壓，壓力從0逐步增加，當(dāng)壓力增加至20.0 MPa時， C口未發(fā)現(xiàn)壓力液；將A口保壓10.0 MPa，B口打開，從C口加壓，壓力從0逐步增加，當(dāng)壓力增加至20.0 MPa時，B口未發(fā)現(xiàn)壓力液。

綜上，經(jīng)室內(nèi)實驗證明，大通徑可洗井封隔器達(dá)到了以下技術(shù)指標(biāo)：

工具最大外徑114.0 mm，內(nèi)通徑62.5 mm，坐封壓力12.0 MPa，反洗井啟動壓力1.5 MPa，單向承壓20.0 MPa，各項工作性能良好，實現(xiàn)了大通徑、坐封可靠、可反洗井和耐高壓的目的。

2.2 注聚滑套開關(guān)設(shè)計

注聚滑套開關(guān)主要由上接頭、鎖套、連接套、卡簧、滑套、中心管等部分組成(見圖6)。工藝實施中，注聚滑套開關(guān)上接頭直接與上部大通道可洗井封隔器下接頭連接，其下端中心管直接與下部插接密封裝置連接，各項參數(shù)為：最大外徑φ114.0 mm，內(nèi)通徑φ74.0 mm，長度535.0 mm，滑套開啟壓力15.0～17.0 MPa。工作時，在上部大通道可洗井封隔器坐封后，將壓力提高至15.0～17.0 MPa，高壓液體推動滑套下行，剪斷銷釘，鎖套與卡簧鎖定后使注聚滑套開關(guān)保持開啟狀態(tài)，為聚合物注入地層提供通道。

圖6 注聚滑套開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

Fig.6Structureofpolymerinjectionslidesleeveswitch

為驗證注聚滑套開關(guān)在規(guī)定壓力下是否能正常開啟，將注聚滑套開關(guān)器與專用加壓實驗裝置連接后加壓，壓力從0逐步增加，當(dāng)坐封壓力增加到16.2 MPa時，壓力突降，說明鎖套銷釘剪斷，滑套開關(guān)器滑套打開(見圖7)?；组_關(guān)器滑套開啟壓力16.2 MPa，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖7 注聚滑套開關(guān)器滑套開啟壓力檢測

Fig.7Detectionoftheopeningpressureofslidingsleeveswitch

2.3 插接密封裝置

插接密封裝置由插接管、密封外套、密封圈、骨架圈、密封內(nèi)套和下接頭組成，其內(nèi)通徑46 mm，插接管長度2 800 mm(見圖8)。

圖8 插接密封裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.8Structureofplug-insealingdevice

密封外套上接頭與注聚滑套開關(guān)中心管下端直接連接，下接頭與注水層位的62.0 mm半油管連接，插接管上接頭通過專用接箍與50.3 mm油管連接。插接管通過2個骨架圈與密封外套、密封內(nèi)套密封。將大通徑可洗井封隔器、注聚滑套開關(guān)器和插接密封段連接拉力裝置，增加拉力至400 kN，未出現(xiàn)被拉斷或拉脫現(xiàn)象，說明井下工具的抗拉強度達(dá)到了400 kN，即40 t的抗拉強度。

2.4 專用連接接箍

單井分層同時注水和聚合物工藝采用內(nèi)外油管套裝組合，外管內(nèi)徑75.9 mm，常規(guī)內(nèi)管接箍最大外徑73.0 mm，導(dǎo)致二者存在過流間隙小，對聚合物的注入造成影響。為此，優(yōu)化50.3 mm油管接箍外徑尺寸，由原來的73.0 mm縮減至68.0 mm。優(yōu)化后，內(nèi)外管間的過流面積由351 mm2增大至904 mm2。

3 實施方式

(1) 下管柱過程：按管柱及施工設(shè)計要求，先下外管后下內(nèi)管。

(2) 坐封過程：下完管柱后，從內(nèi)外管環(huán)空處加壓釋放上部封隔器，觀察套管溢流情況變化，套管無溢流說明上部封隔器已坐封，提高壓力至15～17 MPa，打開注聚滑套開關(guān)；從內(nèi)管加壓，坐封注水層位的封隔器。

(3) 密封性驗證：①上部封隔器在釋放過程中已確認(rèn)密封；②插接密封段驗封,方法一：保持內(nèi)外管環(huán)空無壓，從內(nèi)管加壓，如從內(nèi)外管環(huán)空返水說明插接密封段不密封，不返水說明密封；方法二：保持內(nèi)管無壓，內(nèi)外管環(huán)空處加壓，內(nèi)管返水說明插接密封段不密封，不返水說明密封。方法三：下入流量計至插接管與配水器之間和井口以下50 m位置處測試流量，當(dāng)上層停注、下層正常注入時，兩組流量測試值相同則密封，不同則不密封。③下部封隔器驗封,方法一：保持內(nèi)外管環(huán)空停注，內(nèi)管正常注入，如內(nèi)外管環(huán)空處不返水則密封，返水則不密封；或者保持內(nèi)管正常注入，改變內(nèi)外管環(huán)空處的注入壓力，此時，如內(nèi)管注入壓力不變則密封，隨之變化則不密封。方法二：保持內(nèi)外兩層油管正常注入，下入驗封儀器進(jìn)行驗封。反洗井：注聚層位反洗井時注水層位保持正常注入，反洗井液體從油套環(huán)空處進(jìn)入，經(jīng)大通道可洗井封隔器上的洗井通道和注聚滑套開關(guān)側(cè)向開口處后進(jìn)入內(nèi)外管環(huán)空，實現(xiàn)注聚層位反洗井。注水層位反洗井時注聚層位停注，洗井液從油套環(huán)空處經(jīng)上部大通道可洗井封隔器上的洗井通道、下部封隔器洗井通道、擋球后進(jìn)入內(nèi)管，實現(xiàn)注水層位反洗井。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

以A井為例，于2017年9月28日進(jìn)行現(xiàn)場試驗，工程設(shè)計如圖9所示。

圖9 A井工程設(shè)計

Fig.9EngineeringdesignofwellA

管柱下入中，插接管與插接密封段順利對接，下井完成后安裝雙管注入井口，整個過程順利。用水泥車對井下管柱加壓釋放封隔器，首先在內(nèi)外層油管間的環(huán)空處加壓，壓力達(dá)到12.0 MPa時，油套環(huán)空無溢流，此時上部封隔器坐封成功。提高壓力至15.8 MPa后，壓力突降至11.2 MPa，繼續(xù)提高壓力，將壓力提高至13.5 MPa后無法繼續(xù)提高，說明注聚滑套開關(guān)器已順利打開。對內(nèi)管加壓釋放下部封隔器，壓力在12.0 MPa和15.0 MPa時各穩(wěn)壓10 min，以保證封隔器完全釋放。下入驗封儀器進(jìn)行驗封，結(jié)果顯示密封。

該井于10月2日下入電磁流量計進(jìn)行了流量測試，測試前一天在井口將上層籠統(tǒng)注聚層位的控制閥關(guān)死，只從內(nèi)管注入。分別在偏心配水器與插接密封裝置之間和井口50 m處進(jìn)行流量測試，2組讀取的水量數(shù)據(jù)均相同，說明插接密封裝置是密封的。

反洗井試驗：內(nèi)外管環(huán)空處停注，油套環(huán)空利用來水洗井，反洗井壓力達(dá)到4.2 MPa時從內(nèi)管出液，反洗井順利，反洗井后注入正常。

雙管內(nèi)不同注入壓力同時注入試驗：內(nèi)管來水的井口控制閥門關(guān)死，即下層注水層位停注，并在其放空閘門，連接水泥車、罐車進(jìn)行模擬注入。內(nèi)外管環(huán)空注聚壓力12.8 MPa，內(nèi)管采用水泥車增加注水，壓力13.9 MPa，二者同時注入，注入壓力均平穩(wěn)。

綜合上述驗證，證明了水聚同井分層同注工藝技術(shù)的可行性，籠統(tǒng)注入層位的注入量可以通過井口控制，可下入儀器進(jìn)行驗封和流量測試。通過現(xiàn)場不同壓力下同時注入試驗證明，該工藝管柱可以達(dá)到上層注聚與下層注水同注進(jìn)行的目的，且在不同注入壓力下互不影響。

5 結(jié)論

(1) 單井分層同時注水和聚合物工藝的研究與應(yīng)用，在一定程度上降低了聚驅(qū)上返封堵工作量，實現(xiàn)聚驅(qū)上返后在單井后續(xù)同時注入水與聚合物溶液，大幅降低聚驅(qū)上返封堵工作量和對后續(xù)生產(chǎn)的影響，較好地滿足聚驅(qū)注入層逐層上返開發(fā)的需要，實現(xiàn)了同井筒內(nèi)兩種不同介質(zhì)的同時注入。

(2) 單井分層同時注水和聚合物工藝技術(shù)在實施過程中需在地面重新布設(shè)一套管線，上返區(qū)塊內(nèi)井場施工工作量相對較大。因此，需要考慮在將來預(yù)計要實施聚驅(qū)上返開采的區(qū)塊內(nèi)直接布設(shè)兩套管匯，以降低后續(xù)施工難度。

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