蘇北油田CO2驅(qū)油同心雙管分層注氣技術(shù)

曹力元

（中國石化華東油氣分公司泰州采油廠, 江蘇泰州 225300）

CO2驅(qū)油作為三次采油的重要手段，可在提高采收率的同時實(shí)現(xiàn)CO2捕集和封存，有助于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為綠色低碳環(huán)保開發(fā)提供了技術(shù)支撐[1–4]。蘇北油田低滲透油藏較多，注水驅(qū)油困難，于2005年在草舍油田泰州組油藏進(jìn)行了CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)，鑒于前期增油效果較好，目前蘇北油田CO2驅(qū)油開發(fā)的單元已增至15個，其中草中阜三段、臺南阜三段等油藏均取得了較好的開發(fā)效果[5–7]。

蘇北油田CO2驅(qū)油開發(fā)單元使用常規(guī)籠統(tǒng)注氣工藝時存在吸氣剖面不均勻、高滲層氣竄嚴(yán)重和低滲層動用程度低等問題，嚴(yán)重制約著CO2驅(qū)油的增產(chǎn)效果，限制了CO2驅(qū)油技術(shù)的進(jìn)一步推廣。針對上述問題，在分析傳統(tǒng)分層注氣工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合蘇北油田注氣井地層情況和完井結(jié)構(gòu)，借鑒國內(nèi)分層注氣技術(shù)，設(shè)計了分層注氣管柱和配套了調(diào)配等技術(shù)，形成了CO2驅(qū)油同心雙管分層注氣技術(shù)，提升了長期注氣可靠性和調(diào)配精度。該分層注氣技術(shù)操作簡單可靠，可實(shí)現(xiàn)高精度分層調(diào)配。

1 常規(guī)分層注氣工藝

1.1 油套分層注氣工藝

常規(guī)油套分層注氣管柱采用水力錨+封隔器+喇叭口組合，利用油套環(huán)空通道和油管通道分別對上下層注氣；井口安裝2套地面定量配氣裝置，分別控制上下層段的注氣量。

油套分層注氣管柱結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)分層注氣量地面調(diào)配，但存在以下缺點(diǎn)：油套分層注氣管柱氣密封性和可靠性較差，長期注氣易造成封隔器解封困難，影響修井作業(yè)；上部油層套管長期承受注氣高壓，且CO2易腐蝕套管，造成套管錯斷等問題。

1.2 同心測調(diào)一體分層注氣工藝

同心測調(diào)一體分層注氣工藝?yán)脺y試電纜將測調(diào)儀下入井筒內(nèi)，與可調(diào)氣嘴對接后根據(jù)地面指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將井下流量、壓力等數(shù)據(jù)傳輸至地面。

該工藝能夠滿足多段分注的要求，但存在以下缺點(diǎn)：配氣器的氣嘴易刺壞，對材質(zhì)要求較高；井下測調(diào)需采用特制鋼管電纜，以保證密封性，成本較高；井下測調(diào)施工復(fù)雜，井口操作風(fēng)險較高；CO2在地層條件下為超臨界狀態(tài)，常規(guī)流量計不能正常工作，新型井下CO2流量計設(shè)計難度大。

1.3 有纜式智能分層注氣工藝

有纜式智能分層注氣設(shè)備主要包括有纜智能配氣器、過電纜封隔器和地面控制系統(tǒng)等。每個注氣層段對應(yīng)一個智能配氣器，利用電纜連接地面控制系統(tǒng)，通過控制氣嘴開度控制各層注氣量。

該工藝具有可實(shí)時調(diào)配注氣量、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但電纜需隨井下工具入井，對施工質(zhì)量要求較高；電子元件在井下高溫高壓環(huán)境下易失效，可靠性較低，且更換井下電子元件時需要起下注氣管柱，成本較高；井下環(huán)境中CO2流量計計量誤差較大。

2 同心雙管分層注氣技術(shù)設(shè)計思路

針對傳統(tǒng)分層注氣工藝存在的不足，為保證分層注氣管柱在高壓差下保持不失穩(wěn)，分層注管氣柱需具有較好的穩(wěn)定性；為保證套管起壓率較低，同心雙管分層注氣管柱需具有較好的氣密封性；為降低后期作業(yè)成本和縮短施工周期，同心雙管分層注氣管柱應(yīng)具有防回流的功能；為保證同心雙管分層注氣管柱的使用壽命，需具有一定的防腐蝕性能；為保證注氣量調(diào)配施工安全高效，保證較高的調(diào)配成功率和調(diào)配精度，流量誤差需控制在10%以下。

2.1 技術(shù)原理

同心雙管分層注氣管柱設(shè)計了2條注氣通道，分別通過外管柱與內(nèi)管柱的環(huán)空和內(nèi)管柱對上、下層位注氣。同心雙管分層注氣管柱主要由注氣外管柱、注氣內(nèi)管柱、注氣封隔器、注氣閥、注氣丟手接頭和分注器等構(gòu)成（見圖1）。注氣丟手接頭和Y445型注氣封隔器的丟手機(jī)構(gòu)使同心雙管分層注氣管柱具備了較好的丟手性能，能夠滿足后期施工不同工況下的丟手要求。

圖1 同心雙管分層注氣管柱結(jié)構(gòu)示意Fig.1 stratified gas injection pipe string structure with co-ncentric double pipe

2.1.1 同心雙管分層注氣管柱結(jié)構(gòu)

注氣外管柱從下至上由多功能注氣閥+Y441型注氣封隔器+注氣丟手接頭+分注器+Y445型注氣封隔器+外管滑套+?73.0 mm氣密封油管組成。注氣內(nèi)管柱從下至上由內(nèi)插管+中心管+內(nèi)管滑套+?36.0 mm 空心桿組成。

同心雙管分層注氣管柱中，分注器起樞紐作用，將內(nèi)外管來氣分別輸送到不同層位，在外管下入完畢后，再下內(nèi)管，最終通過插入密封機(jī)構(gòu)完成內(nèi)外管連接。分注器設(shè)置有側(cè)流道和中心流道，在徑向上外殼和密封外管之間形成側(cè)流道，密封內(nèi)插管和密封外管軸向芯部共同構(gòu)成中心流道。多功能注氣閥使注氣管柱具備了防回流的功能。注氣井停注時，井底流體壓力將球壓緊在球座上，無法回流至油管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了注氣管柱的安全控制。

2.1.2 管柱氣密封性設(shè)計

1）注氣油管設(shè)計。注氣油管使用籠統(tǒng)注氣工藝廣泛使用的?73.0 mm氣密封特殊螺紋油管，以保證注氣管柱的氣密封性。該油管的上扣扭矩為2 580～3 030 N·m，最佳扭矩為 2 810 N·m。為使氣密封油管上扣達(dá)到規(guī)范要求，使用扭矩控制記錄儀控制氣密封油管上扣扭矩，設(shè)定扭矩范圍，要求油管上扣扭矩曲線符合標(biāo)準(zhǔn)。

氣密封油管入井前需進(jìn)行氣密封性檢測。氣密封油管完成上扣后，內(nèi)部下入帶有上、下2個膠筒的封隔器，卡封油管絲扣兩端形成密封空間，然后注入含有氦氣的混合氣。若探測設(shè)備在外部未測到氦氣泄漏，說明油管絲扣氣密封性符合要求；若探測到氦氣泄漏，說明油管絲扣的氣密封性不合格。

2）空心桿設(shè)計。內(nèi)管選用?36.0 mm空心桿，采用氫化丁腈橡膠材質(zhì)的O形密封圈，以保證氣密封及耐CO2腐蝕性能?？招臈U上扣后，需測試其氣密封性，以確保滿足分層注氣要求。

2.1.3 防腐性能

為保證注氣管柱防腐性能，選用3Cr材質(zhì)的油管，井下工具鋼體采用30Cr13不銹鋼材質(zhì)。注氣封隔器的膠筒和井下工具的密封部件采用抗CO2氣侵的氫化丁腈橡膠。向油套環(huán)空注入咪唑啉類CO2緩蝕劑，增強(qiáng)套管防 CO2腐蝕性能[8–13]。

2.1.4 施工步驟

1）組配并下入注氣外管柱，管柱下至設(shè)計深度后，向油套環(huán)空注入CO2緩蝕劑。

2）通過磁定位調(diào)整管柱下入深度，坐封封隔器，打開多功能注氣閥。

3）組配并下入注氣內(nèi)管柱，管柱下至設(shè)計深度后，打開分注器，加壓，驗(yàn)證封隔器、空心桿等的氣密封性。

4）連接地面分注調(diào)配系統(tǒng)，調(diào)整閥門試注。

5）開始注氣，調(diào)整地面流量控制閘門，控制上、下層位的注氣量。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)分層注氣的目的，主要具有以下特點(diǎn)：1）調(diào)配效率高。免去了儀器調(diào)配工序，大幅提高了工作效率，降低了成本。2）調(diào)配成功率高。利用地面節(jié)流閥調(diào)節(jié)注氣量，調(diào)配成功率和調(diào)配精度較高[14–17]。

2.3 技術(shù)優(yōu)化

2.3.1 長期注氣可靠性

初期設(shè)計了2種同心雙管分層注氣管柱，分別是“Y441型注氣封隔器+Y341型注氣封隔器”管柱和“Y445型注氣封隔器+Y441型注氣封隔器”雙級錨定式管柱。前1種管柱包括Y441型注氣封隔器、Y341型注氣封隔器和配注器等。因Y341型封隔器坐封后無錨定功能，在一定壓差下油管存在失穩(wěn)風(fēng)險，可能會導(dǎo)致封隔器失封。

為此，研制了“Y445型注氣封隔器+Y441型注氣封隔器”雙級錨定式管柱。Y445型和Y441型注氣封隔器坐封后雙向卡瓦錨定，密封、錨定性能可靠，能夠長期承受35 MPa的壓力，滿足長期分層注氣要求。同心雙管分層注氣管柱上部采用Y445型注氣封隔器（見圖2），其主要通過液壓和管柱自身重量坐封，封隔器膠筒發(fā)生應(yīng)力松弛時，管柱自身重量可以迅速增補(bǔ)載荷，使套管與膠筒的接觸應(yīng)力維持恒定，具備雙向承壓能力，可長期承受高壓差，預(yù)防管柱發(fā)生蠕動，進(jìn)一步提高封隔器的密封性能[18–21]。同心雙管分層注氣管柱下部采用Y441型注氣封隔器（見圖3），其具備雙向承壓能力，并附加了管柱自身重量持續(xù)壓縮膠筒功能，提高了其密封性能。

圖2 Y445型注氣封隔器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Y445 gas injection packer

圖3 Y441型注氣封隔器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Y441 gas injection packer

2.3.2 封隔器膠筒“氣爆”

分層注氣井層間矛盾大，注氣壓力較高，注氣封隔器需具備可靠的耐高壓性能。前期現(xiàn)場試驗(yàn)時，部分注氣封隔器在壓力達(dá)到30 MPa左右時會出現(xiàn)突然失封現(xiàn)象。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，在120 ℃溫度下，注氣壓力升至30 MPa時，部分注氣封隔器膠筒發(fā)生損壞。

檢查發(fā)現(xiàn)，膠筒表面損壞較小，肩部損壞較嚴(yán)重。分析認(rèn)為，膠筒損壞是由一種特殊的“氣爆”現(xiàn)象引起。由于徑向上套管內(nèi)壁的支撐作用，使膠筒表面橡膠不會徑向膨脹，避免了外表面“氣爆”。為解決膠筒內(nèi)部“氣爆”問題，膠筒兩端設(shè)置鋼性支撐，設(shè)計了雙層鋼碗，改進(jìn)后的注氣封隔器能承受35 MPa壓差，避免了“氣爆”現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3.3 流量計精度

CO2流量計一般由注水用渦輪流量計改進(jìn)而成，由于CO2流體特性與水差異較大，渦輪流量計不能滿足CO2的流量計量要求。為提高注氣量調(diào)配的精度、降低誤差，使用精度較高的質(zhì)量流量計，并進(jìn)行了質(zhì)量流量計精度檢測試驗(yàn)，結(jié)果見表1。由表1可看出，質(zhì)量流量計的測量誤差最大0.45%，符合流量測量標(biāo)準(zhǔn)，滿足分層注氣的調(diào)配精度要求。

表1 質(zhì)量流量計精度檢測試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Accuracy test results of mass flowmeter

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

草舍油田 C1 井注氣層段為 3 087.40～3 104.00 m、3 112.00～3 132.00 m，吸氣剖面顯示層間吸氣量差異大，下層為主要吸氣層，相對吸入量100%，已形成氣竄通道。2021年C1井進(jìn)行了同心雙管分層注氣試驗(yàn)，注氣外管柱下至設(shè)計深度，管柱上提1.50 m，投球，依序加壓5～20 MPa，坐封封隔器，給管柱施加100 kN下壓力，打開注氣閥；下入注氣內(nèi)管柱，內(nèi)管柱插入分注器后，油管環(huán)空加壓至26 MPa打開分注器；繼續(xù)擠液，壓力在30 MPa穩(wěn)定，油套環(huán)空、空心桿無返液，驗(yàn)封合格。

依照地質(zhì)方案，分為上、下2套注入層系，配注量分別為20和10 t/d，通過調(diào)整地面控制閘門，控制注氣內(nèi)外管柱的注入量，從而調(diào)節(jié)上、下層的注入量。施工前上層注入量為0，下層為30.09 t/d；施工后上層注入量為 20.12 t/d，下層為 9.9 t/d。

C1井應(yīng)用同心雙管分層注氣技術(shù)后，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)了分層注氣的目的，目前該井累計注 CO2達(dá) 6 500 t，應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)論及建議

1）通過設(shè)計“Y445型注氣封隔器+Y441型注氣封隔器”雙級錨定式管柱、優(yōu)選質(zhì)量流量計、改進(jìn)注氣閥等井下工具，形成了CO2驅(qū)油同心雙管分層注氣技術(shù)，基本滿足了分層注氣的要求。

2）為保證注氣管柱的氣密封性，需使用氣密封油管、扭矩控制記錄儀等設(shè)備，并進(jìn)行氣密封性檢測，同時采取防CO2腐蝕措施。

3）CO2驅(qū)油同心雙管分層注氣技術(shù)應(yīng)用效果較好，對解決同類型的問題具有指導(dǎo)和借鑒意義。但由于井況復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中，部分井下工具仍存在適應(yīng)性不足等問題。建議進(jìn)一步提高注氣封隔器等井下工具長期處于高壓環(huán)境下的可靠性。