注CO2驅(qū)注入?yún)?shù)設(shè)計(jì)及井筒管柱應(yīng)力變化規(guī)律研究

袁本福

（中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州450006）

CO2驅(qū)油技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的常規(guī)油田應(yīng)用有許多成功的案例，是提高油田采油率的三次采油重要技術(shù)手段。我國(guó)的儲(chǔ)層條件相對(duì)復(fù)雜，自1963年大慶油田首先開(kāi)展CO2驅(qū)提高采收率的研究以來(lái)[1-3]，國(guó)內(nèi)三大石油公司相繼開(kāi)展了大量的CO2驅(qū)技術(shù)攻關(guān)研究，在CO2驅(qū)油機(jī)理、相態(tài)評(píng)價(jià)及工程方案設(shè)計(jì)優(yōu)化等領(lǐng)域均取得了一些成果。但是對(duì)于超低滲儲(chǔ)層CO2驅(qū)油管管柱應(yīng)力變化的研究，以及現(xiàn)場(chǎng)注CO2開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的新問(wèn)題研究還較少[4-6]。為此，需要對(duì)該過(guò)程所引起的管柱應(yīng)力變化進(jìn)行工程分析和評(píng)價(jià)，本文利用HH156井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)CO2驅(qū)注氣井油管管柱應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算和分析，確定井筒油管管柱應(yīng)力變化滿足CO2驅(qū)注入施工要求，為低滲透油藏注CO2驅(qū)的開(kāi)發(fā)和技術(shù)方案的編制提供重要的參考。

1 CO2驅(qū)注入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

1.1 每日注入量設(shè)計(jì)

注入井HH156臨近對(duì)應(yīng)的4口生產(chǎn)井合計(jì)日產(chǎn)液量為30m3/d，累計(jì)產(chǎn)液量5895m3，平均動(dòng)液面1289m，為實(shí)現(xiàn)注采平衡，總的注入量初步定為5000t，地質(zhì)方案要求每天注入地下體積為30m3/d，按照目前平均地層壓力17MPa、地層溫度69℃，CO2地層條件下密度為0.75t/m3，根據(jù)地質(zhì)方案要求，計(jì)算得出理論注入量為22.5t/d。

CO2在地層條件下處于超臨界狀態(tài)，超臨界流體的特性介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點(diǎn)，其密度接近液體，而粘度近似于氣體，其擴(kuò)散系數(shù)是液體的近百倍，一方面考慮到CO2的注入性好于水，為實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)充能量，另一方面考慮到前期采油后地層虧空，為補(bǔ)充前期虧空，結(jié)合地質(zhì)配注要求，因此初步確定每天配注量為30t/d。由于目前對(duì)地層的吸入能力不確定性，要求地面設(shè)備的注入能力在30～60t/d。

1.2 最大注入壓力設(shè)計(jì)

本區(qū)油藏破裂壓力平均48MPa，為防止裂縫開(kāi)啟，按0.9的安全系數(shù)計(jì)算，注CO2時(shí)注入端井底壓力不高于43.2MPa；井口注入溫度確定為10℃，井底為69℃，因此取平均溫度為40℃；在40MPa時(shí)CO2的密度為0.85t/m3，在25MPa時(shí)CO2的密度為0.78t/m3，因此取CO2平均密度0.82t/m3；HH156井射孔段中深為1841m，井筒內(nèi)液柱產(chǎn)生的靜壓力為15.1MPa，考慮0.5MPa井筒摩阻，因此井口設(shè)計(jì)注入最大壓力為28.6MPa。

2 注入井井筒設(shè)計(jì)

注入井井筒應(yīng)滿足以下條件，可以實(shí)現(xiàn)井筒壓力的監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)吸氣剖面的監(jiān)測(cè)，防止CO2對(duì)井筒的腐蝕，具備防腐監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等功能[7]。注入管柱見(jiàn)圖1。

圖1 HH156井注入管柱圖

2.1 井口選擇

目前井口為139.7mm的油層套管長(zhǎng)圓扣接箍，根據(jù)預(yù)測(cè)壓力，井口最大注入壓力為28.6MPa，考慮到安全性，選擇KZ65/70懸掛井口（注CO2井口，與139.7mm的套管短節(jié)連接，套管短節(jié)為長(zhǎng)圓扣）。

2.2 油管選擇

利用鄰井的地層水，CO2分壓在5MPa下，分別對(duì)J55、N80、P110、3Cr四種鋼材的腐蝕速率進(jìn)行測(cè)定，腐蝕速率分別是0.1181mm/a、0.1110mm/a、0.0992mm/a、0.0257mm/a，在四種材質(zhì)中3Cr抗二氧化碳腐蝕能力最強(qiáng)。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)3Cr在相同條件下的腐蝕率比N80油管降低3倍以上，因此選擇油管的材料為3Cr，同時(shí)為防止CO2沿絲扣刺漏，最終選擇的油管型號(hào)為?73mm的BG80-3Cr BGT1氣密封扣油管，油管長(zhǎng)度約為1815m。

2.3 封隔器

選用Y221-114封隔器，內(nèi)通徑55mm，要求耐壓差35MPa，耐溫120℃，耐CO2腐蝕，絲扣與油管配套。

2.4 水力錨

選用KDB-114液壓水力錨，外徑114mm，內(nèi)通徑55mm，耐壓35MPa，耐溫120℃，選用耐CO2腐蝕不銹鋼材質(zhì)，絲扣與油管配套。

2.5 井下掛環(huán)器

用于油管內(nèi)外腐蝕的監(jiān)測(cè)，同時(shí)要求測(cè)壓力、溫度和流量的儀器能通過(guò)。具體參數(shù)為：要求內(nèi)通徑大于等于65mm，抗拉強(qiáng)度大于30kN。

2.6 油套環(huán)空中注環(huán)空保護(hù)液

根據(jù)計(jì)算，環(huán)空保護(hù)液用量為30m3（配方為1000ppm緩蝕劑UT2-2，用量為30kg），用于坐封前洗井驗(yàn)封，確保封隔器以上的油套環(huán)空為保護(hù)液。

3 井筒管柱應(yīng)力變化分析

管柱載荷計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)：井深2012m，地溫梯度2.57/100m；地層壓力17MPa，地層溫度69℃；油管3Cr：外徑?73mm，壁厚5.51mm，下深1815m；Y221-114封隔器，下深1805m；油層套管N80，外徑?139.7mm，壁厚7.72mm，下深2012m，外層水泥返到井口；井口注入壓力28.6MPa；井口注入溫度確定為10℃；每天配注量為30t/d；井筒CO2平均密度0.82t/m3。以下做圖數(shù)據(jù)來(lái)源于專業(yè)模擬軟件計(jì)算結(jié)果。

3.1 井筒管柱內(nèi)外壓力分析

圖2為HH156井CO2注入工況下井筒管柱內(nèi)外壓分布，其中b曲線代表內(nèi)壓，a曲線代表外壓。分析可知，CO2注入工況下井筒管柱內(nèi)外壓力均隨井深增加而線性增加，其中內(nèi)壓從井口28MPa增加到井底46.47MPa，外壓從井口0MPa增加到封隔器處的17.66MPa，過(guò)封隔器后，外壓從17.66MPa突然跳躍到46.47MPa，與內(nèi)壓保持一致，其原因是井底管柱內(nèi)與環(huán)空保持連通。

圖2 井筒管柱內(nèi)壓分布

3.2 井筒管柱軸向載荷分析

圖3為初始條件和CO2注入條件下井筒管柱軸向載荷分布，其中a曲線為初始條件下井筒管柱軸向載荷分布，b曲線為注入CO2條件下井筒管柱軸向載荷分布。分析可知，無(wú)論是否注入CO2，軸向載荷均隨著井筒深度的增加而線性增加，且井口軸向載荷最大，井底軸向載荷最小，由圖可知，注入CO2條件下，井口軸向載荷最大約為35t，井底最小約為10t，而初始條件下，井口軸向載荷約25t，井底為0。比較可知，注入CO2條件下軸向載荷大于初始條件的軸向載荷，其主要原因是，管柱內(nèi)注入CO2氣體，引起管柱膨脹并形成鼓脹效應(yīng)，使得下部由封隔器固定的油管柱有變短的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致其軸向載荷增加。

圖3 井筒管柱軸向載荷分布

3.3 井筒管柱等效應(yīng)力分析

圖4為CO2注入工況下油管柱在不同深度處的等效應(yīng)力。需要說(shuō)明的是，為確保油管柱在注入過(guò)程中的安全，計(jì)算時(shí)忽略了環(huán)空保護(hù)液液柱壓力的影響，即認(rèn)為在注入過(guò)程中油管只受內(nèi)壓作用，無(wú)環(huán)空壓力的支撐。分析可知，在CO2注入工況下，油管柱等效應(yīng)力主要由注入壓力引起的，油管柱的等效應(yīng)力隨著井深的增加而緩慢增加，井口等效應(yīng)力最小，井底等效應(yīng)力最大，比較可知，油管柱的等效應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油管屈服應(yīng)力。由此可知，在當(dāng)前CO2注入工況下，油管處于安全狀態(tài)。

圖4 CO2注入工況下油管柱等效應(yīng)力

3.4 井筒管柱溫度分析

圖5為注CO2工況下井筒管柱溫度分布。分析可知，井筒管柱溫度隨著深度增加而線性增加，但從井口到井底溫度變化較小，且溫度較低，從井口15℃增加到井底63.72℃，其溫度及溫度變化對(duì)管柱應(yīng)力影響較小。

圖5 井筒管柱溫度分布

3.5 井筒管柱形變分析

在自然狀態(tài)下，HH156井油管柱處于拉伸狀態(tài)，其軸向伸長(zhǎng)變形量為0.529m。由于溫度較低，且溫差變化較小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力不足以引起油管變形，熱應(yīng)力變形基本等于0，幾乎無(wú)變形。CO2注入條件下，HH156井油管柱的總變形量為0，其主要原因是油管下部由封隔器固定。

3.6 井筒管柱安全系數(shù)分析

圖6為CO2注入條件下井筒管柱抗拉、抗內(nèi)壓安全系數(shù)分布，其中a曲線代表管柱抗拉安全系數(shù)，b曲線代表管柱抗內(nèi)壓安全系數(shù)。分析可知，當(dāng)前注入工況條件下，HH156井筒管柱抗拉安全系數(shù)隨著井深的增加而急劇增加，井口最小，井底最大，而井筒管柱抗內(nèi)壓安全系數(shù)隨著井深增加而緩慢降低，井口最大，井底最小，但抗拉和抗內(nèi)壓安全系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.5，滿足安全注入要求。

圖6 井筒管柱溫度分布

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）超低滲透CO2驅(qū)的注入量、注入壓力設(shè)計(jì)要充分考慮臨近采油井的產(chǎn)液量、地層壓力、地層破裂壓力、地層溫度、儲(chǔ)層特征、吸水能力等因素，準(zhǔn)確計(jì)算地層環(huán)境下的CO2密度、注入量及注入壓力，為安全、有效施工提供依據(jù)。

（2）CO2注入工況下井筒管柱內(nèi)外壓力均隨井深增加而線性增加，軸向載荷均隨著井筒深度的增加而線性增加；油管柱的等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油管屈服應(yīng)力，且隨井深增加均變化不大；由于底部封隔器的影響，井筒管柱總形變量為0；在當(dāng)前CO2注入條件下，HH156井筒管柱抗拉和抗內(nèi)壓安全系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.5，完全滿足安全注入要求。

（3）通過(guò)對(duì)CO2驅(qū)井筒管柱受力分析表明，優(yōu)選的3Cr鋼級(jí)油管管柱串應(yīng)力變化完全滿足CO2驅(qū)注入施工要求，對(duì)國(guó)內(nèi)超低滲透類似特征氣田的CO2驅(qū)施工具有重要的參考意義。