崔江花

（中國石化江漢油田分公司江漢采油廠，湖北 潛江433123）

江漢油田自進入注水開發(fā)以來，其注水管柱主要使用的是偏心式井下分層注水工藝管柱。該種工藝管柱在國內各油田使用量最大，配套工具最全，配套工藝最系統(tǒng)全面。偏心式分層注水管柱一般由可反洗井的Y341型等封隔器、偏心配水器、底部循環(huán)凡爾（或球座）等組成，再配以鋼絲投撈及測試工藝。

對于普通注水井，由于注入壓力通常不是很高，且壓力波動也比較小，因此管柱因溫度和壓力的變化所產生的螺旋彎曲效應、活塞效應、鼓脹效應等也都比較小，一般不會使管柱產生大的變形，所以對管柱和井下工具的要求不高，管柱的結構比較簡單可靠，使用中問題少。

對于高溫、高壓注水井，管柱因溫度和壓力的變化所產生的螺旋彎曲效應、活塞效應、鼓脹效應都會使管柱變形，從而使封隔器發(fā)生位移，導致封隔器封隔失效，所以，必須對管柱進行錨定。為了消除錨定后的管柱因上述效應引起的內應力，有時還需在管柱錨定位置的上方使用管柱補償裝置。各下井工具都必須能耐高溫和高壓，特別是封隔器膠筒，應具有高的耐溫性能和高的撕裂強度。

1 目前分層注水工藝管柱使用現狀分析

江漢油田使用過的分層注水工藝管柱主要有4種。

1.1 油套保護分層注水管柱（見圖1）

管柱結構:由Y341注水封隔器、偏心配水器、循環(huán)凡爾等組成。采用鋼絲投撈測配的方式，達到分層配注的目的。管柱中應用的封隔器級數與分注層數相等，在最上一級封隔器以上的油套環(huán)空可以替入保護液。

工藝原理:將管柱下到設計位置；油管內蹩壓，坐封封隔器，各層段被有效隔開；裝好井口，進行投撈測試、分層注水；如果需要洗井，套管泵入洗井液經過封隔器反洗通道由底部循環(huán)凡爾進行反洗；從套管注入保護液，可以實施油套管保護。

1.2 錨定式分層注水管柱（見圖2）

管柱結構:由水井雙向錨、Y341注水封隔器、偏心配水器、循環(huán)凡爾等組成。還可配接管柱伸縮補償器，改善管柱受力狀況。采用鋼絲投撈測配的方式，達到分層配注的目的。管柱中應用的封隔器級數與分注層數相等，在最上一級封隔器以上的油套環(huán)空可以替入保護液。

工藝原理:將管柱下到設計位置；油管內蹩壓，坐卡水井雙向錨，坐封封隔器，管柱伸縮補償器開始工作，各層段被有效隔開；裝好井口，進行投撈測試、分層注水；如果需要洗井，可由底部循環(huán)凡爾進行反洗；從套管注入保護液，可以實施油套管保護。

圖1 油套保護分層注水管柱

圖2 錨定式分層注水管柱

1.3 高壓注水管柱一（見圖3）

管柱結構:由管柱伸縮補償器（使用較少）、壓井洗井開關、水力錨、Y241封隔器、Y341封隔器、偏心配水器、循環(huán)凡爾等組成。

工藝原理:將管柱下到設計位置，裝好井口；洗井，從套管注入保護液，可以實施油套管保護；投球蹩壓，封隔器坐封坐卡，水力錨、管柱伸縮補償器相繼進入工作狀態(tài)；繼續(xù)蹩壓，打掉球座芯子，建立注水通道，根據配注要求注水；投球桿打開壓井洗井開關，使油套連通，可以壓井洗井；上提管柱，管柱解封解卡。

這種管柱是針對江漢油田的部分注水井的注水壓力升高后，上述兩種管柱出現有效密封期短、工作可靠性大幅度降低、工作壽命大幅度縮短等問題后所進行的試驗性管柱，但實際使用效果不理想。

1.4 高壓注水管柱二（見圖4）

管柱結構:由水力錨、Y111封隔器、Y221封隔器、偏心配水器、底部球座（或循環(huán)凡爾）等組成。

工藝原理:將管柱下到設計位置，洗井，上提－旋轉－下放管柱，封隔器坐封坐卡；根據配注要求注水，水力錨坐卡；上提管柱，解封解卡起管柱。

這種管柱是在第三種管柱的使用效果不理想情況下進行的第二種高壓注水試驗性管柱。但到目前，上述第三種管柱中所述問題在這種管柱中也還不同程度地存在，說明這種管柱也不能滿足現場使用要求。

圖3 高壓注水管柱一

圖4 高壓注水管柱二

2 問題分析

上述4種注水管柱在現場使用中出現的問題現象主要有如下幾種:套管壓力上升、油壓波動大而套壓波動小、油壓套壓同時波動大、起管柱困難、注入壓力長期上升。

綜合分析:在通過上面的不同現象進行了詳細的分析后可知，注水壓力高、壓力波動大、層間壓差大對管柱的不利影響最大，同時，根據其他油田的實驗和統(tǒng)計結果，注水壓力、壓力波動、層間壓差、溫度變化這四個因素是對注水管柱造成不利影響的主要因素，在江漢油田也是如此。

通常情況下，壓力越高，則壓力波動也越大，兩者對管柱的影響也就越大。以兩層分注管柱為例（見圖5），井內共有4個壓力系統(tǒng)，P1為油管內的注入壓力、P2為頂級封隔器上的環(huán)空液柱壓力、P3為底層的注入壓力、P4為上層的注入壓力。靜態(tài)分析它們之間的相互關系為:P1＞P2、P1＞P3、P1＞P4、P3＞P2、P4＞P2。它們對管柱產生的作用為:

P1產生作用在管柱底部的向下的拉力，大小為F1＝P1×S1（S1為油管內截面積）；

P2產生作用在上封隔器上面的向下的平衡力，大小為F2＝P2×S3（S2為油管截面積，S3為油套環(huán)空截面積）；

P3產生作用在底級封隔器下面的向上的推力，大小為F3＝P3×（S1＋S2＋S3）；

P4為兩級封隔器之間的平衡力，大小為F4＝P4×S3。

作用在管柱上的向下的力之和為 ∑FX＝F1＋F2＋F4、向上的力之和為 ∑FS＝F3＋F4，兩者的差值△F＝∑FX－∑FS＝（F1＋F2＋F4）－（F3＋F4）。此差值即為管柱的不平衡力。

圖5 影響兩層分注管柱的主要因素分析

1）當最高注入壓力在底層時，有P4＞P2和P4＜P3，同時封隔器密封，則 △F＝ （F1＋F2）－（F3），即不平衡力對管柱為向上的作用力，它會壓縮管柱并使封隔器向上位移。

如果頂級封隔器失封，則P2＝P4，此時 △F＝（F1＋F4）－F3，表現為套管壓力上升且波動加大，但△F會相應減小，底級封隔器的壓差不變、管柱受到的向上推力減?。蝗绻准壏飧羝魇Х猓瑒tP4＝P3，此時，△F＝（F1＋F2）－F3，頂級封隔器的壓差加大、管柱受到的向上推力不變。

2）當最高注入壓力在上層時，有P4＞P2和P4＞P3，同時封隔器密封，則 △F＝（F1＋F2）－F3，即不平衡力對管柱為向上的作用力，它會壓縮管柱并使封隔器向上位移。

如果頂級封隔器失封，則P2＝P4，此時表現為套管壓力上升且波動加大，但 △F＝（F1＋F4）－F3，不平衡力對管柱變?yōu)橄蛳碌淖饔昧?，它會拉伸管柱并使封隔器向下位移，底級封隔器的壓差不變；如果底級封隔器失封，則P4＝P3，但 △F＝（F1＋F2）－F4，頂級封隔器的壓差不變、管柱受到的向上推力加大。

通過上面的分析說明，情況1和情況2中只要有任何一級封隔器失封，則井下的壓力系統(tǒng)就由4個變化為3個，管柱所受的活塞效應力也將隨之發(fā)生變化。管柱實際上的受到影響因素要多得多，變化也復雜得多。根據國內的研究結果，注水管柱產生的蠕動是由多方面因素產生的:包括自重、溫度、壓力等，其中影響最大的是壓力和溫度的變化（見圖6）。這些因素對管柱產生的效應與結果在室內實驗得到了證實（見圖7），現場跟蹤也發(fā)現，在注水管柱未進行錨定或錨定配置不合理的分注井上，有效期短，且下部管柱“失穩(wěn)”產生明顯的螺旋彎曲（見圖8）。

圖6 注水管柱產生蠕動的因素

圖7 室內實驗結果

圖8 現場跟蹤結果圖

3 結論

1）在注水層上部使用頂級封隔器的分層注水管柱，大多數情況下，壓力變化所產生的總體作用力是向上的，即對管柱是上頂力。

2）分層注水管柱的受力是不平衡的，而且在各種效應的共同作用下，管柱一定會發(fā)生蠕動和變形，所以需要對管柱進行錨定，以保持管柱的總體受力平衡。

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