任從坤 宋輝輝 魏新晨 周景彩 聶文龍 張劍

中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院

海上油田開發(fā)由于生產環(huán)境的特殊性，對注水工藝提出了更高要求。截至2016年底，勝利海上油田共發(fā)現(xiàn)館陶組、東營組、明化鎮(zhèn)等7套含油層系，注水水驅油藏占總儲量的85.28%，具有以下油藏開發(fā)特點：受海洋環(huán)境和平臺條件的制約，對分層注水工藝的井控安全要求嚴格；主力油藏館陶組非均質性強，地層出砂，且層間物性差異大，對分層注水工藝分層要求嚴格；采用衛(wèi)星平臺開發(fā)為主，多采用大斜度定向井開發(fā)，井斜角在 30°～50°的注水井占45%，50°以上的占 30%,最大井斜 81.28°，對適用于大井斜的注水工藝需求迫切［1-3］。

同心雙管注水技術在地面能夠實現(xiàn)注水流量的單獨控制，具有測調簡單、配注精確、后期不需要單獨進行測試調配的特點，可以滿足大壓差油層、大斜度井的有效分層注水，比較適合在海上油田應用［4-6］。2012年初，同心雙管工藝開始在勝利海上油田大規(guī)模推廣應用，部分解決了海上大斜度、大壓差注水井的開發(fā)難題。然而，該技術從2014年以后就沒有繼續(xù)推廣應用，主要受以下因素的制約：受井斜溫度影響，內外管分層效果較差，容易出現(xiàn)串層現(xiàn)象；雙控安全閥易失效，安全可靠性較低，不符合海上較高的安全環(huán)保要求；封隔器膠筒老化，井下解封慢甚至不能完全解封，不能實現(xiàn)大排量反洗井［7-9］。針對以上問題，重點從管柱結構、安全控制、分層工具及反洗井等方面進行研究，形成了一種適合海上油田開發(fā)的新型同心雙管分層注水技術。

1 技術概況

1.1 管柱

圖1 新型同心雙管注水工藝管柱Fig.1 String used for the new water injection technology of concentric dual string

新型同心雙管注水工藝管柱由相互獨立的內管及外管組成(如圖1所示)，外管注水管柱采用?101.6 mm油管，包括可洗井密封工具、雙級內密封工具、定壓篩管、環(huán)空安全封隔器、環(huán)空安全閥；內管注水管柱采用?60.3 mm油管，管柱結構相對簡單，包括內管安全閥、密封插頭及密封光桿，其中密封插頭與環(huán)空安全閥中的密封工作筒配套使用，密封光桿與雙級內密封工具配套使用，可洗井密封工具與防砂管柱上的密封筒配套使用，為保障內管安全閥下入，外管上端采用?127 mm套管。該工藝的防砂工藝采用成熟的機械防砂管柱。

1.2 技術原理

(1)安全控制。內管、外管及環(huán)空三通道采用單獨的安全控制系統(tǒng)，內管安全閥及環(huán)空安全閥分別通過液控管線連接至地面控制系統(tǒng)，實現(xiàn)內管及內外管環(huán)空注水通道的安全控制。套管與外管環(huán)空通過環(huán)空安全封隔器實現(xiàn)，而此工具的坐封通過外管注入水實現(xiàn)坐封，坐封后在鎖緊機構作用下實現(xiàn)永久封堵，三者共同形成了全方位的安全控制系統(tǒng)。

(2)分層注水。內外管之間的分層主要由可洗井密封工具、雙級內密封工具、密封插頭以及密封光桿(工作筒)實現(xiàn)，可洗井密封工具與防砂管柱上的密封工作筒配合，雙級內密封工具與內管上的密封光桿配合，密封插頭與環(huán)空安全閥內置的密封工作筒配合，確保內外管分層有效，外管注入水經過環(huán)空安全閥、定壓篩管進入上油層，而內管注入水經過內管安全閥后直接注入下油層。

(3)日后維護。當需要反洗井時，地面控制柜分別打開環(huán)空安全閥、可洗井密封工具及內管安全閥，洗井液經環(huán)空安全閥、定壓篩管后通過可洗井密封工具的洗井通道洗至井底，然后經過底部篩管從內管返出，通過此循環(huán)形成一次井口至井底而且大排量的清洗井筒。

(4)酸化解堵。當需要對上層單層酸化時，地面控制柜分別打開環(huán)空安全閥及內管安全閥，酸液經環(huán)空安全閥、定壓篩管后進入上油層，同時為保持整個管柱受力平衡，內管以相同或相近的壓力正常注水；當需要對下層單層酸化時，地面控制柜同樣分別打開環(huán)空安全閥及內管安全閥，酸液經內管安全閥、篩管進入下油層，同時降低管柱蠕動，外管保持注水。

1.3 技術特點

(1)內外管及套管環(huán)空能夠實現(xiàn)單獨控制，安全可靠性高；(2)內管和外管獨立下入，與之前相比，施工簡單，外管受力較??；(3)分層工具采用插封方式，受工況變化而引起的管柱蠕動較小，容易失效的內外管分層部分采用雙級密封方式，密封更加可靠；(4)設有地面控制的洗井機構，能夠實現(xiàn)大排量反洗井。

2 重要工具研制

2.1 環(huán)空安全閥

(1)設計要求及特點。環(huán)空安全閥是同心雙管注水技術中安全控制的核心工具，如圖2所示。考慮到井下安全閥開啟壓力精確度要求較高，設計了雙柱塞控制方式，該種方式接觸面積較小，能夠避免常規(guī)圓柱活塞的爬坡現(xiàn)象，密封更加可靠。同時為了確保環(huán)空通道無法正常打開時，能夠繼續(xù)正常注水，進行了備用通道結構設計，能夠延長環(huán)空安全閥的使用壽命，提高海上注水井的檢管周期。

圖2 環(huán)空安全閥Fig.2 Annulus safety valve

(2)結構組成及原理。該工具通過液壓控制管線實現(xiàn)環(huán)空通道的開啟與關閉，當需要注水時，地面控制柜打壓，柱塞推動柱塞推拉套及滑套中心管下移，從而實現(xiàn)滑套中心管與滑套連接套上注水通道的聯(lián)通。當出現(xiàn)緊急情況時，地面關閉液壓通道，環(huán)空安全閥在彈簧作用下柱塞推拉套及滑套中心管迅速回彈，實現(xiàn)環(huán)空通道的安全控制。當液控系統(tǒng)失效時，該工具能夠通過環(huán)空注水打壓的方式剪斷設置的剪釘，單向閥帽壓縮下彈簧并下移，打開備用通道，在停止環(huán)空注水的時候，備用通道能夠自行關閉，保證井控安全。工具具體技術參數(shù)見表1。

表1 環(huán)空安全閥技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of annulus safety valve

2.2 分層工具

(1)雙級內密封工具。大井斜注水井插入密封在下入過程中容易出現(xiàn)磨損，導致分層失效，設置了雙級內密封工具(圖3)，采用雙級組合盤根+內組合膠筒組合密封的方式。室內實驗表明，該工具承受工作壓差20 MPa以上，密封效果比較可靠，滿足海上分注要求；組合密封材料采用內置密封方式，在保障正常注水的情況下，內外管間隙小，1 MPa注水壓差下管柱所受活塞力僅為590 N，管柱蠕動量較小，提高管柱的使用壽命。該工具通過與內管上的密封光桿配合，為確保大斜度注水井密封可靠性，采用長度為7 m的密封光桿，兩者之間形成組合盤根過盈密封及內置膠筒擠壓坐封的雙級密封方式。注入水從內外管環(huán)空通過工具的打壓口進入，推動活塞下移，坐封內組合膠筒，同時在鎖環(huán)作用下，將膠筒鎖緊形成永久密封，實現(xiàn)內外管之間的可靠分層。

圖3 雙級內密封工具Fig.3 Two-stage inner sealing tool

(2)可洗井密封工具。針對海上油田大排量反洗井的需求，設計了可洗井密封工具(圖4)。該工具集成了層間密封及反洗功能，與防砂管柱上的密封筒配套，通過多組T型盤根與密封筒的過盈配合，實現(xiàn)油層部位的有效分隔。該種密封方式，較之前的膠筒密封相比，管柱受力降低60%左右。室內實驗表明，該工具能夠承受20 MPa以上的工作壓差，滿足海上分注要求。

圖4 可洗井密封工具Fig.4 Well washable sealing tool

當需要反洗井時，地面液壓控制柜打壓，柱塞帶動滑套下移，到達反洗入口時，打開反洗通道，實現(xiàn)大排量反洗井。該工具代替目前常用的靠油套壓差開啟的可洗井類封隔器，能夠實現(xiàn)地面的單獨控制，地面開啟壓力設置為10 MPa，防止井下因層間壓差較大造成的干擾串層，解決海上大壓差注水井分層不可靠的難題。同時，該工具采用4個?12 mm的圓孔，過流面積較大，能夠實現(xiàn)大排量的反洗井要求，保障注水井長壽運行。

3 室內實驗

為了進一步驗證環(huán)空安全閥的各項技術指標，依托勝利油田API重點安全閥實驗室(通過API 14A認證)，對該產品進行性能檢驗，測試參數(shù)主要包括主通道開啟及關閉壓力、備用通道開啟壓力、工作壓力、額定壓力、泄漏量、通道流量等。實驗過程嚴格根據(jù)API 14A井下安全閥規(guī)范和該環(huán)空安全閥的技術要求，每一項參數(shù)在實驗臺均按照流程進行了5次測試(圖5)；每次實驗值都控制在標準值的5%以內，滿足現(xiàn)場需要，實驗結果見表2。

圖5 井下安全閥實驗流程Fig.5 Flow chart of safety valve test

表2 安全閥實驗記錄Table 2 Test records of safety valve

4 現(xiàn)場應用

在室內實驗成功的基礎上，為了進一步驗證同心雙管分注技術的可靠性，在勝利海上油田CB20CB-13井首次進行了現(xiàn)場試驗，并取得了良好效果。截至2016年12月，已經在勝利海上油田現(xiàn)場應用10口井，施工成功率100%，分層合格率100%，最大層間壓差10.5 MPa，最大井斜74.18°，解決了海上油田大斜度井、大壓差井測調困難、分層不清的難題，有效推動了海上油田的水驅開發(fā)程度。其中KD34C-7是一口小流量分注井，上層配注10 m3/d，未驗證分層可靠，經超聲波流量計進行測試，該層注水量與井口調節(jié)閥顯示值一致，誤差小于 5%。雙管注水技術現(xiàn)場應用情況見表3。

表3 技術服務井歷史資料Table 3 Technical service well history data

5 結論

(1)通過管柱設計及安全、分層工具研制、現(xiàn)場試驗等進行不斷的完善與配套，目前已經形成了比較理想的安全控制可靠、分層密封長效、反洗井徹底的同心雙管分注技術。該工藝具有獨立的安全控制系統(tǒng)，尤其符合海上油田較高的安全環(huán)保要求。

(2)該技術在地面能夠滿足大壓差、大斜度分注井的測試調配需求，實現(xiàn)小流量恒流量精細注水、大壓差有效分層注水，適合海上大壓差、大斜度注水井的高效開發(fā)；并且能夠滿足注水井后期的分層測試與酸化，達到延長注水周期與降本增效的目的，在海上特殊的生產環(huán)境中具有很好的推廣價值。