海上油田分層防砂分層注水高效集成技術(shù)

宋輝輝 任從坤 任兆林 張福濤 田俊 劉艷霞

1.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石化勝利油田分公司海洋采油廠

高效注水是海上快速提液、提速開發(fā)的重要基礎(chǔ)。截至2016 年底，勝利海上油田共發(fā)現(xiàn)館陶組、東營(yíng)組、明化鎮(zhèn)等7 套含油層系，其中水驅(qū)油藏占總儲(chǔ)量的85.28%，主力油藏館陶組具有非均質(zhì)性強(qiáng)、地層出砂、層間差異大的特點(diǎn)，油藏特性對(duì)分層注水工藝分層要求嚴(yán)格［1-2］。國(guó)內(nèi)外對(duì)該類水驅(qū)油藏，普遍采用掛濾砂管的分層防砂分層注水工藝，該管柱采用懸掛濾砂管分層防砂方式，留井管柱可實(shí)現(xiàn)多層系分層防砂，為二次完井創(chuàng)造井眼。丟手后，坐封內(nèi)管隨丟手管柱起出地面，再下分層注水工藝管柱實(shí)現(xiàn)分層注水，由于2 次下鉆，作業(yè)工期一般在3 d以上。隨著海上水井工作量日益增長(zhǎng)，作業(yè)日費(fèi)逐漸增加、長(zhǎng)效精細(xì)注水要求日益嚴(yán)格，如何提高平臺(tái)有效期內(nèi)的油水井壽命、降低作業(yè)費(fèi)用，成為當(dāng)前高效開發(fā)的關(guān)鍵［3-5］。

針對(duì)以上問題，通過重點(diǎn)優(yōu)化管柱結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新研制工具，研究形成了防砂注水高效集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一趟管柱分層防砂分層注水的要求。

1 技術(shù)分析

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

新型的分層防砂分層注水高效集成工藝管柱由輸送管住、防砂管柱及注水管柱組成(圖1)。外部的防砂管柱采用?127 mm 套管，包括穿越型懸掛丟手封隔器、常規(guī)的Y341 封隔器、Y441 封隔器、金屬氈濾砂管等，內(nèi)部的注水管柱采用?73 mm 油管，包括小直徑液控壓縮封隔器、可調(diào)配水器、井下坐封開關(guān)、側(cè)開式反洗閥、可鎖定伸縮補(bǔ)償器等，輸送管柱則采用常規(guī)的?73 mm 加厚油管，在輸送管柱上部設(shè)置可洗井的環(huán)空安全封隔器和井下安全閥，實(shí)現(xiàn)全井筒的安全控制［6-7］。

圖1 分防分注高效集成管柱Fig.1 Efficient and integrated pipe string of separate-layer sand control and separate-layer water injection

1.2 工作原理

施工過程：根據(jù)油藏分層需要，首先下入分層防砂管柱，然后根據(jù)防砂管柱深度，依次調(diào)配注水管柱，最后通過新型懸掛丟手封隔器連接防砂、注水管柱，通過輸送油管整體下入合適的油層位置，液控管線從井口穿出后連接至地面液壓控制柜。需要注意的是，注水管柱上的液控壓縮封隔器分別封隔防砂管柱上Y341 封隔器的上端和下端，同時(shí)2 個(gè)液控壓縮封隔器之間設(shè)置1 個(gè)井下坐封開關(guān)。

分層注水：地面液壓控制柜打壓至10～12 MPa，坐封液控壓縮封隔器，通過油管打壓(可調(diào)配水器先期關(guān)閉)，先后坐封Y341 封隔器、Y441 封隔器、新型穿越型懸掛丟手封隔器，完成所有封隔器的坐封，然后下入一體化測(cè)調(diào)儀器，實(shí)現(xiàn)分層配水［8-10］。

日后維護(hù)：當(dāng)需要反洗井作業(yè)時(shí)，地面液壓控制柜泄壓至0，解封液控壓縮封隔器，洗井液經(jīng)過油套環(huán)空、環(huán)空安全封隔器洗井通道、新型穿越型懸掛丟手封隔器洗井通道、側(cè)開式反洗閥，通過?73 mm油管返出至地面，通過此循環(huán)形成一次井口至井底的大排量清洗井筒。

后期檢修：由于新型懸掛丟手封隔器設(shè)置自行丟手機(jī)構(gòu)，在液控封隔器泄壓解封后，只需要上提輸送管柱，就可實(shí)現(xiàn)分層注水管柱的獨(dú)立檢修，延長(zhǎng)了防砂管柱的在井使用壽命。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)：管柱有效期≥5 年；分層級(jí)數(shù)不限；封隔器耐壓差21 MPa、耐溫150 ℃；適應(yīng)套管尺寸≥?177.8 mm。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

(1)管柱結(jié)構(gòu)合理：管柱整體上下錨定，平衡式設(shè)計(jì)，消除較大的活塞效應(yīng)。(2)分層較為可靠：每層Y341 封隔器對(duì)應(yīng)2 級(jí)液控封隔器，而且能夠及時(shí)補(bǔ)壓，軟錨定能力增強(qiáng)。(3)節(jié)省完井時(shí)間：防砂、注水管柱一次下入，與原來相比，節(jié)省施工時(shí)間1/2 左右。(4)施工安全可靠：液控封隔器能夠帶壓下入，及時(shí)發(fā)現(xiàn)封隔器狀態(tài)，降低施工過程風(fēng)險(xiǎn)。(5)后期維護(hù)方便：地面泄壓，能夠?qū)崿F(xiàn)大排量反洗井需求。

2 主要配套工具

2.1 穿越型懸掛丟手封隔器

2.1.1 設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)

穿越型懸掛丟手封隔器是分防分注高效集成技術(shù)的核心工具，如圖2 所示。針對(duì)目前海上注水管柱必須配備環(huán)空安全封隔器和液控管線，不能采用常規(guī)的旋轉(zhuǎn)和液壓方式實(shí)現(xiàn)丟手，因此設(shè)計(jì)了穿越型懸掛丟手封隔器，通過合理設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了整體?108 mm 大通徑尺寸的同時(shí)，液控管線穿越通道最小處?8 mm，封隔器內(nèi)外中心管間設(shè)計(jì)大孔徑反洗井通道，能夠?qū)崿F(xiàn)30 m3/h 大排量反洗井；設(shè)置可溶材料丟手機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)后期防砂管柱與帶液控管線注水管柱的整體自動(dòng)分離。

2.1.2 結(jié)構(gòu)組成及原理

穿越型懸掛丟手封隔器整體上包括坐封機(jī)構(gòu)、自動(dòng)丟手機(jī)構(gòu)、液控管線穿越機(jī)構(gòu)、反洗井機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)等(圖2)，自動(dòng)丟手機(jī)構(gòu)包括丟手支撐套及丟手棘爪。油管內(nèi)部打壓，剪斷坐封剪釘，通過坐封機(jī)構(gòu)，先后實(shí)現(xiàn)膠筒坐封及卡瓦錨定，由于丟手支撐套采用可溶的Mg-Al 合金材料，可溶的丟手支撐套在井液內(nèi)浸泡7 d 左右能夠自動(dòng)溶解，丟手棘爪失去支撐之后，能夠自動(dòng)釋放，實(shí)現(xiàn)防砂管柱與注水管柱的脫離，后期上提管柱，剪斷解封剪釘，便可實(shí)現(xiàn)懸掛丟手封隔器的解封。主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖2 穿越型懸掛丟手封隔器Fig.2 Crossing-type suspension release packer

表1 穿越型懸掛丟手封隔器技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of crossing-type suspension release packer

2.2 液控壓縮封隔器

2.2.1 設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)

針對(duì)海上油田長(zhǎng)效分層、大排量反洗井的開發(fā)需求［11］，設(shè)計(jì)了小直徑液控壓縮四膠筒封隔器。該封隔器采用地面液壓控制方式，后期能夠?qū)Ψ飧羝鲃?dòng)態(tài)補(bǔ)壓調(diào)整，避免膠筒應(yīng)力松弛影響；二級(jí)坐封活塞結(jié)構(gòu)，封隔器坐封時(shí)液壓壓力小，延長(zhǎng)封隔器工作壽命；上、下雙級(jí)膠筒，擴(kuò)大密封面積，提高密封效果。

2.2.2 結(jié)構(gòu)組成及原理

液控壓縮封隔器整體上包括液壓控制總成、膠筒調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、中聯(lián)過流機(jī)構(gòu)、膠筒坐封機(jī)構(gòu)等，如圖3所示。地面液壓控制柜打壓，上、下活塞機(jī)構(gòu)分別向上壓縮膠筒，達(dá)到一定壓力時(shí)，剪斷坐封剪釘，實(shí)現(xiàn)四膠筒的坐封，地面液壓控制柜泄壓，依靠四膠筒本身彈性，能夠完全收回，收回后，反洗通道截面積達(dá)989 mm2，水眼當(dāng)量直徑為35 mm，滿足大排量的反洗井要求。主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 液控分層封隔器技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of hydraulic separate-layer packer

圖3 液控壓縮封隔器Fig.3 Hydraulic compression packer

2.3 可鎖定伸縮補(bǔ)償器

針對(duì)注水工具需要調(diào)配深度、液控管線又不能自由伸縮的情況，設(shè)計(jì)了可鎖定伸縮補(bǔ)償器，如圖4所示。該補(bǔ)償器通過Tr80X10 梯形螺紋控制伸縮，最大可調(diào)距離為1 000 mm，伸縮補(bǔ)償后能夠?qū)崿F(xiàn)螺紋自鎖，完井時(shí)通過旋轉(zhuǎn)該工具，調(diào)節(jié)注水管柱封隔器深度，確保Y341 分層封隔器坐封，由于調(diào)節(jié)鎖定后，伸縮桿不再活動(dòng)，不會(huì)影響液控管線連接。

圖4 可鎖定伸縮補(bǔ)償器Fig.4 Lockable expansion compensator

2.4 井下坐封開關(guān)

針對(duì)常規(guī)節(jié)流器開啟之后不能及時(shí)關(guān)閉的問題，研制了先期開啟、后期自動(dòng)關(guān)閉的井下坐封開關(guān)，如圖5 所示。打壓坐封Y341 封隔器時(shí)，密封套在開啟位置，由于剪釘采用Mg-Al 合金可溶金屬材料，溶解時(shí)間在7 d 左右，溶解后密封套自動(dòng)脫落，實(shí)現(xiàn)該工具的自動(dòng)關(guān)閉，即使一級(jí)液控壓縮封隔器失效后，還能夠保障注水管柱各層的分層效果。

圖5 井下坐封開關(guān)Fig.5 Downhole setting switch

2.5 材料優(yōu)選及防腐處理

井下工具全部采用42CrMo 高強(qiáng)度合金鋼，經(jīng)過調(diào)制處理后，采用鎳磷鍍防腐處理，鍍層厚度控制在0.02～0.04 mm 之間。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2020 年12 月，分防分注高效集成技術(shù)在勝利埕島油田累計(jì)應(yīng)用15 井次，井下工作時(shí)間均已400 d 以上，液控壓縮封隔器液路壓力維持在10～12 MPa 左右，水量調(diào)節(jié)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其中最大施工井斜55°，工具最大下深2 780 m，最多層段為4 層，工作最大壓差10 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)能夠節(jié)省大量的作業(yè)時(shí)間和高額的內(nèi)管坐封工具費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了海上油田常規(guī)井、大壓差井、高溫深井的精細(xì)注水，施工成功率100%，分層合格率100%，有效推動(dòng)了海上油田的水驅(qū)開發(fā)程度，為老油田持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)321 萬t 提供技術(shù)支撐。

以勝利油田A 井為例，說明該技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。該注水井2015 年4 月開始注水，由于F2、F3 分層封隔器漏失以及達(dá)不到配注要求，決定進(jìn)行檢修作業(yè)。2018 年3 月采用分防分注高效技術(shù)完井，注水方式5 級(jí)4 段，井斜40.5°，井深2 100 m，施工時(shí)間26 h，較之前節(jié)省30 h，施工過程中地面液壓控制柜打壓12 MPa，完成液控封隔器坐封，到位后注水完成防砂分層工具的坐封，之后下入一體化測(cè)調(diào)儀器完成各層配水調(diào)節(jié)，均達(dá)到配注要求。2019年8 月，采用脈沖中子水流測(cè)井進(jìn)行封隔器密封狀況驗(yàn)證，4 級(jí)封隔器坐封情況較好。隨后下入一體化測(cè)調(diào)儀進(jìn)行流量測(cè)定，井口油壓7.2 MPa，全井注水量265 m3/d，各小層均能達(dá)到配注要求。工藝實(shí)施2 年來，對(duì)應(yīng)層位的B、C、D 油井平均日增油分別為4.1 t、4.8 t、5.57 t，增產(chǎn)效果顯著。

4 結(jié)論

(1)通過管柱設(shè)計(jì)、分層工具研制、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行不斷的完善配套，目前已經(jīng)形成了作業(yè)周期較短、分層密封長(zhǎng)效、反洗井徹底的分防分注高效集成技術(shù)。

(2)該工藝初期作業(yè)時(shí)防砂管柱與注水管柱能夠一次下入，后期又能夠獨(dú)立檢修，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，降低檢修費(fèi)用，尤其符合海上油田低成本開發(fā)要求。

(3)該技術(shù)的精細(xì)分層采用2 對(duì)液控壓縮四膠筒封隔器，工作壓差達(dá)到20 MPa 以上，能夠滿足大壓差分注井測(cè)試調(diào)配和分層酸化的需求，在海上特殊的生產(chǎn)環(huán)境中具有很好的推廣價(jià)值。。

(4)小直徑液控壓縮四膠筒封隔器泄壓后，反洗通道水眼當(dāng)量直徑35 mm，能夠滿足注海上大排量反洗井需求，達(dá)到延長(zhǎng)注水周期目的。