分层注水管柱技术分析

2014-12-23崔江花

江汉石油职工大学学报 2014年4期

崔江花

（中国石化江汉油田分公司江汉采油厂，湖北潜江433123）

江汉油田自进入注水开发以来，其注水管柱主要使用的是偏心式井下分层注水工艺管柱。该种工艺管柱在国内各油田使用量最大，配套工具最全，配套工艺最系统全面。偏心式分层注水管柱一般由可反洗井的Y341型等封隔器、偏心配水器、底部循环凡尔（或球座）等组成，再配以钢丝投捞及测试工艺。

对于普通注水井，由于注入压力通常不是很高，且压力波动也比较小，因此管柱因温度和压力的变化所产生的螺旋弯曲效应、活塞效应、鼓胀效应等也都比较小，一般不会使管柱产生大的变形，所以对管柱和井下工具的要求不高，管柱的结构比较简单可靠，使用中问题少。

对于高温、高压注水井，管柱因温度和压力的变化所产生的螺旋弯曲效应、活塞效应、鼓胀效应都会使管柱变形，从而使封隔器发生位移，导致封隔器封隔失效，所以，必须对管柱进行锚定。为了消除锚定后的管柱因上述效应引起的内应力，有时还需在管柱锚定位置的上方使用管柱补偿装置。各下井工具都必须能耐高温和高压，特别是封隔器胶筒，应具有高的耐温性能和高的撕裂强度。

1 目前分层注水工艺管柱使用现状分析

江汉油田使用过的分层注水工艺管柱主要有4种。

1.1 油套保护分层注水管柱（见图1）

管柱结构:由Y341注水封隔器、偏心配水器、循环凡尔等组成。采用钢丝投捞测配的方式，达到分层配注的目的。管柱中应用的封隔器级数与分注层数相等，在最上一级封隔器以上的油套环空可以替入保护液。

工艺原理:将管柱下到设计位置；油管内蹩压，坐封封隔器，各层段被有效隔开；装好井口，进行投捞测试、分层注水；如果需要洗井，套管泵入洗井液经过封隔器反洗通道由底部循环凡尔进行反洗；从套管注入保护液，可以实施油套管保护。

1.2 锚定式分层注水管柱（见图2）

管柱结构:由水井双向锚、Y341注水封隔器、偏心配水器、循环凡尔等组成。还可配接管柱伸缩补偿器，改善管柱受力状况。采用钢丝投捞测配的方式，达到分层配注的目的。管柱中应用的封隔器级数与分注层数相等，在最上一级封隔器以上的油套环空可以替入保护液。

工艺原理:将管柱下到设计位置；油管内蹩压，坐卡水井双向锚，坐封封隔器，管柱伸缩补偿器开始工作，各层段被有效隔开；装好井口，进行投捞测试、分层注水；如果需要洗井，可由底部循环凡尔进行反洗；从套管注入保护液，可以实施油套管保护。

图1 油套保护分层注水管柱

图2 锚定式分层注水管柱

1.3 高压注水管柱一（见图3）

管柱结构:由管柱伸缩补偿器（使用较少）、压井洗井开关、水力锚、Y241封隔器、Y341封隔器、偏心配水器、循环凡尔等组成。

工艺原理:将管柱下到设计位置，装好井口；洗井，从套管注入保护液，可以实施油套管保护；投球蹩压，封隔器坐封坐卡，水力锚、管柱伸缩补偿器相继进入工作状态；继续蹩压，打掉球座芯子，建立注水通道，根据配注要求注水；投球杆打开压井洗井开关，使油套连通，可以压井洗井；上提管柱，管柱解封解卡。

这种管柱是针对江汉油田的部分注水井的注水压力升高后，上述两种管柱出现有效密封期短、工作可靠性大幅度降低、工作寿命大幅度缩短等问题后所进行的试验性管柱，但实际使用效果不理想。

1.4 高压注水管柱二（见图4）

管柱结构:由水力锚、Y111封隔器、Y221封隔器、偏心配水器、底部球座（或循环凡尔）等组成。

工艺原理:将管柱下到设计位置，洗井，上提－旋转－下放管柱，封隔器坐封坐卡；根据配注要求注水，水力锚坐卡；上提管柱，解封解卡起管柱。

这种管柱是在第三种管柱的使用效果不理想情况下进行的第二种高压注水试验性管柱。但到目前，上述第三种管柱中所述问题在这种管柱中也还不同程度地存在，说明这种管柱也不能满足现场使用要求。

图3 高压注水管柱一

图4 高压注水管柱二

2 问题分析

上述4种注水管柱在现场使用中出现的问题现象主要有如下几种:套管压力上升、油压波动大而套压波动小、油压套压同时波动大、起管柱困难、注入压力长期上升。

综合分析:在通过上面的不同现象进行了详细的分析后可知，注水压力高、压力波动大、层间压差大对管柱的不利影响最大，同时，根据其他油田的实验和统计结果，注水压力、压力波动、层间压差、温度变化这四个因素是对注水管柱造成不利影响的主要因素，在江汉油田也是如此。

通常情况下，压力越高，则压力波动也越大，两者对管柱的影响也就越大。以两层分注管柱为例（见图5），井内共有4个压力系统，P1为油管内的注入压力、P2为顶级封隔器上的环空液柱压力、P3为底层的注入压力、P4为上层的注入压力。静态分析它们之间的相互关系为:P1＞P2、P1＞P3、P1＞P4、P3＞P2、P4＞P2。它们对管柱产生的作用为:

P1产生作用在管柱底部的向下的拉力，大小为F1＝P1×S1（S1为油管内截面积）；

P2产生作用在上封隔器上面的向下的平衡力，大小为F2＝P2×S3（S2为油管截面积，S3为油套环空截面积）；

P3产生作用在底级封隔器下面的向上的推力，大小为F3＝P3×（S1＋S2＋S3）；

P4为两级封隔器之间的平衡力，大小为F4＝P4×S3。

作用在管柱上的向下的力之和为 ∑FX＝F1＋F2＋F4、向上的力之和为 ∑FS＝F3＋F4，两者的差值△F＝∑FX－∑FS＝（F1＋F2＋F4）－（F3＋F4）。此差值即为管柱的不平衡力。

图5 影响两层分注管柱的主要因素分析

1）当最高注入压力在底层时，有P4＞P2和P4＜P3，同时封隔器密封，则 △F＝（F1＋F2）－（F3），即不平衡力对管柱为向上的作用力，它会压缩管柱并使封隔器向上位移。

如果顶级封隔器失封，则P2＝P4，此时 △F＝（F1＋F4）－F3，表现为套管压力上升且波动加大，但△F会相应减小，底级封隔器的压差不变、管柱受到的向上推力减小；如果底级封隔器失封，则P4＝P3，此时，△F＝（F1＋F2）－F3，顶级封隔器的压差加大、管柱受到的向上推力不变。

2）当最高注入压力在上层时，有P4＞P2和P4＞P3，同时封隔器密封，则 △F＝（F1＋F2）－F3，即不平衡力对管柱为向上的作用力，它会压缩管柱并使封隔器向上位移。

如果顶级封隔器失封，则P2＝P4，此时表现为套管压力上升且波动加大，但 △F＝（F1＋F4）－F3，不平衡力对管柱变为向下的作用力，它会拉伸管柱并使封隔器向下位移，底级封隔器的压差不变；如果底级封隔器失封，则P4＝P3，但 △F＝（F1＋F2）－F4，顶级封隔器的压差不变、管柱受到的向上推力加大。

通过上面的分析说明，情况1和情况2中只要有任何一级封隔器失封，则井下的压力系统就由4个变化为3个，管柱所受的活塞效应力也将随之发生变化。管柱实际上的受到影响因素要多得多，变化也复杂得多。根据国内的研究结果，注水管柱产生的蠕动是由多方面因素产生的:包括自重、温度、压力等，其中影响最大的是压力和温度的变化（见图6）。这些因素对管柱产生的效应与结果在室内实验得到了证实（见图7），现场跟踪也发现，在注水管柱未进行锚定或锚定配置不合理的分注井上，有效期短，且下部管柱“失稳”产生明显的螺旋弯曲（见图8）。