0 引 言
分层注水测调一体化技术是利用机电一体化原理,采用边测边调的方式实现对注水井的测试与调配。注水工艺采用同尺寸空心可调节配水装置,测调和验封工艺均采用一体化技术,测调仪器一次下井就可完成所有层位的测试与调配工作,使流量调节更加精确,工作量更小,验封仪器一次下井便可完成对各级封隔器的分层验封[1-2],减轻工作量,提高工作效率,比普通分注井测调提高30%以上。该技术的研发推动了分层注水技术的进步,自2010年研制成功以来,逐步成为胜利油田分层注水主导工艺技术。
截至2015年底,该技术已在胜利油田1 506口井上推广应用,层段合格率由76.3%提高到82.7%。随着油田水驱井网调整、层系重组与细分开发方式的转变,相对薄、差和低渗等潜力层逐步投入开发,导致注水井层间矛盾愈加突出,注水层间压差变大。胜利油田水驱油藏渗透率级差大于10、分注层间注水压差在5~10 MPa的区块普遍存在,大压差井约有730口,占胜利油田总分注井数的17%,层段合格率普遍较低,仅有67.5%左右,远低于胜利油田分注井的平均层段合格率80%,常规测调一体化技术不能解决大压差井的分层注水问题。
针对上述问题,胜利油田分公司石油工程技术研究院开展了大压差预节流测调一体化技术研究,针对层段合格率低的问题开展了预节流测调一体化配水技术研究,形成了适合层间压差5~12 MPa大压差状况下的合理配水技术;针对层间压差大导致管柱蠕动,影响管柱寿命的问题开展了防蠕动分层密封技术研究,管柱防蠕动力比普通封隔器提高近3倍,延长了注水管柱在井有效期,配套形成了大压差预节流测调一体化技术。所得结论为层间差异较大区块的注水开发提供了技术保障。
1 关键技术研究 1.1 预节流测调一体化配水技术研究[3-6]采取节流管预节流方式,通过增大沿程摩阻来增加节流压差,并与测调一体化配水器相结合,形成预节流测调一体配水技术。预节流配水器采用螺旋管进行降压配水,使用强度和应力直径方法,对节流管的降压能力进行仿真,通过合理的圈数和管径提供足够的压降。仿真结果表明:不同直径、不同圈数的节流管和不同的流量均可达到不同的压降。针对仿真结果,本着压降足够,管内最高速度较小的原则,选择合适的节流管进行配水。
1.1.1 结构预节流测调一体化配水器主要由主体部分、上接头、上中心管、密封圈、防返吐弹簧、控制活塞、节流管连接器、节流管、旋转芯子、支撑弹簧和下接头等组成,结构如图 1所示。
1.1.2 工作原理
(1) 下井与配合坐封。管柱设计中需根据节流压差设计好预节流测调一体化配水器类型,当预节流测调一体化配水器下井时,只需将配水器连接至设计中的油层附近管柱位置。
(2) 测调。测调与测调一体化注水测调一致。试注稳定后,下入一体化测调仪并将其与配水器对接后,通过电机转动带动旋转芯子转动,调节水嘴开度,采用边测边调的方式进行流量测试与调配。通过地面仪器监视流量-压力曲线,根据实时监测到的流量曲线调整水嘴大小,直至达到配注流量为止。
1.1.3 技术特点与优势预节流测调一体化配水器将预节流防刺配水与测调一体化配水相结合,同时具有预节流防刺配水器和测调一体化配水器的特点与优势,既提高了配注节流压差,又提高了测调效率。
1.1.4 预节流配水特征曲线试验研究设计了自动采集试验系统。利用计算机采集配水器前、后的压力和流量信号,实时获取不同流量下配水器入口及出口处的压力,并对数据进行筛选及分析,结果如图 2所示。
试验结果表明:①分级节流配水开启压差为1.1 MPa;②随着流量的增加,压差不断增大,水嘴全开时,流量在20~120 m3/d的情况下节流压差为1.1~10.0 MPa,可以实现大压差下的合理调配;③密封压力为35 MPa,最小调节扭矩小于50 N·m。
1.2 密闭防蠕动分层密封技术研究 1.2.1 设计思路现有扩张封隔器密封结构采用上接头与胶筒端部的无空隙固定连接,在胶筒坐封、注水及洗井等作业状态变化引起温度和压差突变或交替变化,油管伸缩产生的拉、压力由与之连接的中心管传递给胶筒,胶筒端部在受轴向力的同时,因内、外压差产生鼓胀力使之产生比胶筒其他部分更大的变形,这2种作用的叠加,引起封隔器端部较大程度蠕变,长时间的疲劳蠕变造成了封隔器胶筒端部膨大。经计算分析,在蠕动力超过40 kN时,封隔器胶筒端部的最大蠕变量约为5.4 mm;当层间压差为12 MPa时,要确保封隔器胶筒整体发生微小蠕变的情况下,防蠕动力需达到79 kN。为增大扩张式封隔器的防蠕动力,并防止对套管造成损害,研究设计了双胶筒(锚定胶筒+密封胶筒)结构。其中,锚定胶筒采用沟回状的氢化丁腈胶筒,既增大胶筒的防蠕动摩擦力,又有利于降低封隔器的坐封压差,提高封隔器的密封性。
1.2.2 结构密闭防蠕动封隔器主要由上接头、上挡环、上浮动滑套、上挡碗、锚定胶筒、中心管、连接件、密封胶筒、下挡碗、下浮动滑套、下挡环和下接头等组成,结构如图 3所示。
1.2.3 技术原理
防蠕动封隔器采用双胶筒结构,具有防蠕动和分层密闭2种功能。防蠕动机构为保护机构,位于封隔器上部,由胶筒和液缸组成,在注水过程中能防止管柱移动,保护封隔器下部的分层密闭机构,液缸结构能保证胶筒损坏后封隔器仍能密封,延长管柱寿命;分层密闭机构位于封隔器下部,起分隔油层的作用,具有停注不解封的功能,能有效避免层间窜通现象的发生。
(1) 防蠕动机构原理。液缸内灌满液压油,胶筒、液缸和活塞构成独立的密闭压力系统。来液从进液孔进入,推动活塞移动压缩液压油,从而使胶筒膨胀坐封。即使后期胶筒磨坏,封隔器仍能密封,从而延长了在井有效期。
(2) 分层密闭机构原理。来液从进液孔进入,胶筒膨胀坐封,泄压后,在弹簧的推动下,密闭机构移动与密封接头接触密封,将压力液锁住,胶筒不回收,保证了停注时层间分层密封。反洗井时,压力液由反洗进液孔进入,推动活塞带动压环和密闭机构移动,开启进液通道,锁住的压力液流出,胶筒解封。
1.2.4 技术特点与优势(1) 封隔器采用双浮动和双胶筒结构,在层间大压差下具有较大的防蠕动力,在压差突变或温度压力交变的情况下具有较好的密封可靠性,注水直接坐封。
(2) 具有防蠕动功能。设计胶筒、液缸和活塞构成独立的密闭压力系统,在一定压力下胶筒膨胀坐封,即使后期胶筒磨坏,封隔器仍能密封,同时锚定胶筒采用沟回状的氢化丁腈胶筒,增加胶筒的防蠕动摩擦力。
(3) 具有防止层间窜通及防返吐功能。该封隔器在停注时不解封,防止了由层间差异带来的层间串通及返吐。
1.2.5 性能试验研究防蠕动力工装试验流程如图 4所示。
试验结果表明:
(1) 在较高注水压力下(油压为11~14 MPa),油套压差在1~5 MPa,防蠕动力基本在120~160 kN之间,同一油压下,防蠕动力随着压差的增大有略增的趋势。
(2) 在套压为0、油套压差为1~5 MPa时,防蠕动力为20~80 kN。
1.3 大压差预节流测调一体标准化管柱[7]结合大压差井分注需求,根据高、低压层相对位置,井深和井温等情况确定预节流测调一体化配水要求,根据大压差井分层注水的耐压差密封特性进行管柱结构优化,形成了大压差井预节流测调一体标准化管柱。
1.3.1 管柱构成大压差预节流测调一体标准化管柱主要由密闭防蠕动封隔器、预节流测调一体化配水器、测调一体化配水器及定压沉砂洗井阀等关键工具组成,结构如图 5所示。
管柱下井后,直接注水封隔器通过油套压差实现坐封,待封隔器坐封后配水器即可自行开启实现注水,待注水稳定后即可下入测调一体化仪器对各层进行测试和调配。
1.3.2 技术特点(1) 防止层窜。密闭自锁设计可以实现层与层之间的有效分隔及防止停注时层间窜通。
(2) 软锚定。防蠕动设计可以实现管柱的软锚定,这样一方面可以锚定注水管柱,另一方面还方便作业施工,降低了原水力锚易结垢造成大修的概率。
(3) 双密封。封隔器采用双密封,防蠕动力为普通扩张式封隔器的3倍,密封可靠,有效期长。
(4) 可实现大压差配水。预节流测调一体化配水器具有防返吐和防刺双重功能,可实现5~12 MPa层间压差的合格配水。
(5) 分注有效期长。管柱设计为平衡受力方式,减少了管柱蠕动,实现了平衡注水,有利于延长分注有效期。
1.3.3 技术参数注水压力不大于30 MPa,适用井温不超过120 ℃,层间压差不大于12 MPa。
2 现场试验及应用情况大压差预节流测调一体化配水技术开发成功以来,在胜利油田现河、河口和临盘等采油厂现场试验及推广应用115井次,一次性实施成功率100%,层段合格率达82.6%。表 1为该技术实施的部分井注水情况。该技术的实施有效减少了层间干扰,实现了大压差井可靠分层密封和有效注水,提高了注水层段合格率,改善了水驱开发效果。
井 号 | 第1层 | 第2层 | 第3层 | 最大层间 压差/MPa | ||||||||
配注压 力/MPa | 配注/ (m3·d-1) | 实注/ (m3·d-1) | 配注压 力/MPa | 配注/ (m3·d-1) | 实注/ (m3·d-1) | 配注压 力/MPa | 配注/ (m3·d-1) | 实注/ (m3·d-1) | ||||
DXX47X79 | 17.8 | 20 | 21 | 12.6 | 80 | 75 | 13.8 | 120 | 126 | 5.2 | ||
河31-斜82 | 11.2 | 60 | 65 | 8.3 | 40 | 42 | 14.8 | 50 | 36 | 6.5 | ||
通61-122 | 5.1 | 50 | 76 | 10.6 | 50 | 42 | 7.8 | 50 | 33 | 5.5 | ||
河65-斜21 | 6.8 | 50 | 54 | 10.3 | 50 | 48 | 4.2 | 50 | 52 | 6.1 | ||
河68-斜76 | 1.4 | 40 | 45 | 8.1 | 40 | 33 | 5.5 | 60 | 62 | 7.1 | ||
商10-斜30 | 12.4 | 40 | 42 | 20.0 | 30 | 29 | — | — | — | 7.6 | ||
ST3-4-1 | 20.5 | 70 | 8 | 12.3 | 70 | 68 | — | — | — | 8.2 |
典型井例:河65-斜21井。该井3层配注水量均为50 m3/d,最大层间压差6.1 MPa,上、下层需节流。技术优化情况:①分层密封,采用密闭防蠕动封隔器卡封,增强管柱的分层密封及防蠕动性能。②配水,下层采用YJKTP-110-Ⅳ配水器进行高效节流,上、中层采用KTP-94注水。该井于2015年3月19日开始注水,2015年3月20日及2016年2月4日进行测配,3层均实现合格配水,截至目前套压一直为0,封隔器密封良好,已累注353 d,累计注水6.36×104 m3。
3 结论与认识(1) 大压差预节流测调一体化技术拓宽了测调一体化技术的应用范围,提高了技术在现场的适应性。
(2) 大压差预节流测调一体化配水技术可以实现层间压差5~12 MPa、流量20~80 m3/d大压差井的有效节流配水。
(3) 密闭防蠕动技术增大了管柱的防蠕动力,提高了管柱的可靠性,解决了应用水力锚造成的垢卡问题。
(4) 该技术在现场应用取得良好效果,为层间差异较大区块的注水开发提供了强有力的技术保障,对提高大压差分注井的层段合格率起到技术支撑作用。
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