海上油田智能精細分層注水技術研究與應用

李楠

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

引言

目前，在對非均質(zhì)多油層進行開采時，為加強中、低滲透層，并控制高滲透層注水，依照配注量要求，在注水井中實現(xiàn)分層控制注入的方式，已成為解決油田開發(fā)過程中層間矛盾，維持油田穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，提高采收率的重要技術手段。渤海油田實施分層開采是由插入密封與密封筒組成的隔離密封實現(xiàn)，隔離密封質(zhì)量好壞直接決定著分層效果的優(yōu)劣。在渤海油田分層開發(fā)中，密封筒在井下長年運行，產(chǎn)液腐蝕、下油管作業(yè)時剮蹭、碰撞等因素都會使密封筒產(chǎn)生損傷后無法進行分層開采，造成籠統(tǒng)注水[1-3]。針對分注井隔離密封失效情況，目前使用的普通插入密封由于密封模塊膨脹量較小不能起到層間分隔的作用。在隔離密封失效后，渤海油田常規(guī)使用的空心集成注水管柱，無法實時監(jiān)測到井下流量和壓力，而智能注水管柱卻具備此項功能[4-5]。在上述背景下，保證分層注水效果，需要定量判斷密封筒密封受損情況，然后利用智能注水管柱在線監(jiān)測的壓力和流量數(shù)據(jù)，研究出井筒內(nèi)層間竄流量，可以實現(xiàn)均衡、精細分層注水。

1 隔離密失效分注井智能測調(diào)工藝研究

1.1 智能測調(diào)配水器設計

渤海油田智能配水器是智能注水管柱的核心部件，主要由上接頭、水嘴、壓力計、流量計部件組成[6-7]，如圖1所示。智能配水器通過調(diào)節(jié)水嘴來調(diào)節(jié)注入量的大小，并且能監(jiān)測到油管內(nèi)的壓力和油管與篩管環(huán)空壓力及各層的通過水嘴的流量，并能把壓力和流量信息通過電纜實時傳輸?shù)降孛婵刂破鳌?/p>

圖1 智能配水器簡裝圖

井下智能配水器實現(xiàn)了渤海油田注水管柱不受斜限制，實現(xiàn)由單一注水功能向井下數(shù)據(jù)采集、層間在線驗封、分注測試與調(diào)配的多功能集成，具有分注實時自動化測調(diào)和水嘴無級調(diào)控特點。通過一根單芯電纜可控制12層，可實現(xiàn)注水井精細化、數(shù)字化、智能化。

1.2 智能注水工藝研究

渤海油田智能注水管柱主要由地面控制器、電纜、定位密封，智能配水器、安全閥、插入密封、等部件組成，如圖2所示。此注水管柱下放到位后，由地面控制器進行壓力和流量進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)海上平臺流程注水壓力、各層配注量和水嘴嘴損，計算出水嘴開度，最后，通過電纜把相關處理信號傳遞到配水器進行調(diào)節(jié)。當隔離密封失效后，井筒內(nèi)各注水層層間存在壓差，存在竄流現(xiàn)象，導致實際注水量與配注量不匹配，影響分層開采效果。所以，需要根據(jù)在線監(jiān)測的壓力和流量數(shù)據(jù)，推算出層間竄流量，然后，對各層注水量進行智能測調(diào)，使各層實際注水量與配注量匹配，保證有效分層開采。

圖2 智能分層注水生產(chǎn)管柱圖

2 室內(nèi)試驗研究

為了對智能配水器在井下進行分層注水時的孔隙流動規(guī)律進行研究，設計了智能配水器和隔離密封的模型如圖3所示。模擬分層注水時，水從入口進入內(nèi)層模擬智能智水管柱的內(nèi)部，在上下兩個智能配水器上設有2個直徑為3mm的小孔，水從這兩個小孔流出到環(huán)空，最終水從外層模擬篩管上的上出口和下出口流出。流體在破損密封筒和插入密封之間的流動之間流動既不是厚壁圓孔流動，也不是縫隙流動，而是不規(guī)則的弧形厚壁孔隙流動狀態(tài)。所以，需要進行研究其流動規(guī)律。

圖3 試驗研究流程圖

由于海上油田井斜比較大，油管受重力影響，在密封筒同偏心進出時，造成密封筒磨損嚴重。對渤海油田修進時取出的密封筒表面缺陷的尺寸大小、深度、高度，有缺陷面積、總面積，有缺陷數(shù)量、單位面積上缺陷數(shù)等指標進行測定，加工模擬其形狀的不同密封筒弧形受損模型進行研究，如圖4所示。將從密封筒橫截面受損的面積等同于一個圓，其直徑定義為受損當量直徑?；⌒问軗p面的當量直徑D由密封筒內(nèi)半徑R、油管外半徑r及其偏心距d決定，即D=f(R，r，d)。試驗所用介質(zhì)為水。

圖4 密封筒受損形狀

根據(jù)海倫公式及余弦定量，可以推導出受損面的水嘴當量直徑的關系式：

式中：d——水嘴當量直徑；d——油管外徑；di-密封筒內(nèi)徑；k——油管與密封筒偏心距。

渤海油田常用的密封筒和油管規(guī)格，在不同的偏心距下，受損當量直徑不同。研究過不同當量直徑下密封筒的流量和壓降關系。

在受損當量直徑都是6.86mm條件下，密封筒規(guī)格不同時，隨著孔隙兩端壓力的增加，流量隨著壓降的增大而增大。而在同樣的壓降時，6”密封筒流量增大的更多。6”密封筒的內(nèi)徑比4.75”內(nèi)徑大，流運規(guī)律近似于縫隙流動規(guī)律，說明受損當量直徑下，密封筒外徑影響大，不可忽略。當受損當量直徑相同條件下在密封筒規(guī)格相同時，隨著孔隙兩端壓力的增加，流量隨著壓降的增大的幅度不大。

研究不同破損當量直徑下的4.75”密封筒下的壓降和流量關系，試驗結果表明，在相同的流量下，密封筒前后壓降均隨受損當量直徑的增加而減小，這是由于量直徑越大，則流通面積越大，流過破損處的流速越低，流體在流動過程中的摩阻壓降越小，破損處前后的局部損失也越小，因而總體壓降損失也越小。研究相同流量下不同密封筒受損當量直徑的下的壓降和流量關系試驗結果表明，在同樣的受損當量直徑下，壓降隨著流量的增大而增加，這是由于流量越大，經(jīng)過相同面積的孔隙時，流過破損處的流速越高，流體在流動過程中的摩阻壓降越大，破損處前后的局部損失也越大，因而總體壓降損失也越大。

3 縫隙流動的壓降規(guī)律研究

層間壓降的因素主要有：水相密度，水相粘度，層間竄流量，破損當量直徑，密封筒長度。利用π定理可以得到：

式中，ΔP——壓降，Pa； ρ——水相密度，kg/m3; μ——粘度，Pa·s; Q——層間竄注量，m3/s;L——密封筒長度，m。

取μ、ρ和L為基本量綱，依據(jù)π定量，則可以通過量綱分析得:

通過上述分析，回歸得到4.75”密封筒的壓降ΔP，層間竄注量Q和受損當量直徑d之間的關系為式 (4)，其中數(shù)據(jù)的相關度達到 0.97，同理可得別的規(guī)格密封筒的關系式，可以用于指導現(xiàn)場應用中的竄流量預測。

ΔP=μ2/(ρL2) f(Qρ/μL,d)= 2.01Q1.24d2.53(4)

從上述關系式可以看出，若要求出配水器水嘴的開度，必須知道管內(nèi)外的壓降ΔP1、ΔP2，而管內(nèi)外壓力變化導致竄注量Q變化，而Q變化進一步導致水嘴開度的變化，可見管內(nèi)外壓力與水嘴開度是一種互相影響的關系，所以需要將注水層流量、管內(nèi)壓力、管外壓力及開度看成一個流動系統(tǒng)，建立數(shù)學模型，當層間竄注量小于3m3/d時，停止迭代。然后，利用將注水層流量、管內(nèi)壓力、管外壓力及開度等聯(lián)合迭代計算的方法求解，最終準確計算出注水層的水嘴開度。

4 現(xiàn)場應用

以海上油田X平臺某生產(chǎn)井進行應用研究。此井井斜為80°，密封筒規(guī)格為4.75”，分3層進行注水，注水量分別為132m3/d、89m3/d 、158m3/d。生產(chǎn)過程中，利用有纜智能分層注水時，發(fā)現(xiàn)A和C隔離密封注水時層間竄注，不能穩(wěn)壓，初步判斷插入密封與密封筒之間密封失效，需要進行換管柱作業(yè)。利用定量驗封管柱進行對密封筒檢測，測得受損當量直徑為1.33mm、2.36mm。

分層注水時，利用在線監(jiān)測的壓力和流量數(shù)據(jù)，如表1所示。從表中可以看出，測得各層管內(nèi)壓力為分別為19.7MPa、19.7MPa、19.8MPa，管外壓力為分別為17.3MPa、16.4MPa、18.3MPa，流量分別為130.3m3/d、90.4m3/d 、159.2m3/d，水嘴直徑為3.2mm、4.4mm、4.1mm。由于第二層壓力最小，所以，從一層和三次竄注。進而推斷層間竄注量分別為13.7m3/d、9.1 m3/d，即1層和3層實際注入量比配注量分別少13.7m3/d、9.1 m3/d，而二層實際注入量比配注量多22.8m3/d。因此需要對注水量進行智能測調(diào)，根據(jù)動態(tài)的壓力和流量數(shù)據(jù)，逐次調(diào)節(jié)水嘴，最終迭代5次確定水嘴直徑為3.5mm、4.2mm、3.7mm，注水量分別為129.5m3/d、90.3m3/d 、155.6m3/d，從而保證使各層實際注入量與配注量一致。

表1 某分注井監(jiān)測壓力、流量及層間竄注量數(shù)據(jù)表

5 結論

針對隔離密封失效注水井設計一種智能精細分層注水技術，通過量綱分析、室內(nèi)試驗研究，得到了插入密封與受損密封筒孔隙流動的流動規(guī)律，獲得了壓降、流量與受損當量直徑之間的經(jīng)驗關系，揭示了插入密封與受損密封筒孔隙流動內(nèi)部的壓降分布規(guī)律。

該技術可用于隔離密封失效注水井進行智能測調(diào)來實現(xiàn)精細分層注水，不需要更換新密封筒，通過監(jiān)測的流量和壓力數(shù)據(jù)，推斷出層間竄注量，調(diào)整水嘴開度大小，進行智能補償，使實際注入量與配注量一致，為隔離密封失效分注井提供了一種有效分層注水新工藝，對實現(xiàn)均衡、精細分層注水具有重要理論指導意義和應用價值。