高温高压储层智能分注工艺可靠性研究

毛庆凯，王良杰，罗昌华，杨万有，牛贵锋，王现锋，于继飞(.中海油能源发展工程技术公司 钻采工程研究所，天津30045；.中海油研究总院，北京 0007)

高温高压储层智能分注工艺可靠性研究

毛庆凯1，王良杰1，罗昌华1，杨万有1，牛贵锋1，王现锋1，于继飞2
(1.中海油能源发展工程技术公司 钻采工程研究所，天津300452；2.中海油研究总院，北京 100027)

渤中25-1油田高温高压注水井面临油藏温度高、管柱蠕动大和常规测调技术不适用的难题。采用智能测调分注工艺，可有效解决测调效率低的问题。研究该工艺的耐高温高压性能及电缆通信可靠性显得尤为重要。从管柱结构、管柱蠕动计算、材料耐高温和电缆保护等方面分析了高温高压智能分注工艺的可靠性，得出的结论是：“分体式”智能分注管柱保证了施工和注水测调的可靠性；高温高压深井防蠕动管柱工艺设计保证了耐高压可靠性；优化选材及老化试验保证了耐高温可靠性；关键工具的电缆保护设计及电缆强度试验则保证了电缆通信的可靠性。

高温高压；注水；电缆；可靠性

符号说明

Δlg——管柱的拉伸或压缩的变形量，m

ΔFg——重力因素引起管柱受力，N

K——浮力系数，在清水中K值取为0.872 611 5

q——管柱的平均质量，kg/m，可查表

L——管柱长度，m

E——钢材弹性模量，MPa，取值2.059 39×105MPa

D——油管外直径，mm

d——油管内直径，mm

A——油管的断面面积，m2

ΔlT——温度引起的管柱伸长，m

ΔFT——温度因素引起管柱受力，N

β——钢材的线膨胀系数，一般取值为1.2×10-5/℃

ΔT——温度变化，℃

T1——变化前的管柱平均温度，℃

T2——变化后的管柱平均温度，℃

T3——井口温度，℃

Δt——时间变化

T——注水管柱中的温度，℃

α——地温梯度，℃/m

h——井中任意深度，m

Tgs——年平均地表温度，℃

Twh——注入水的井口温度，℃

e——常数，取值2.718 28

ρw——水的密度，g/cm3，取值为1 g/cm3

Cf——水的比热容，J/(g·℃)

f(t)——关于时间的函数

Kh——岩石的热导率，W/(m·℃)

K——地层热扩散率，m2/s

rc——套管外径，mm

t——注入时间，s

Δlp——鼓胀引起的管柱伸长，m

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ΔFp——压力因素引起管柱受力，N

μ——钢材的泊松比，取值为0.3

pi——井口注水压力，MPa

Ap——密封腔面积，m2

Ad——油管内径包围的面积，m2

Q——流量，m3/s

ν——注入水的运动黏度，m2/s

Δlf——摩阻引起的管柱伸长，m

I——环形惯性矩，m4

渤中25-1油田构造具有埋藏深的特点，深井常伴随着高温高压的井况[1]。高温高压低渗油藏注水开发存在3个难题：

1) 井下高温会使分层封隔器胶筒与密封盘根等橡胶件出现高温脱硫或高温碳化[2]。

2) 高压会使注水管柱发生较大蠕动从而造成注水分层失效[3]。

3) 常规下入工具测调技术不适合大斜度井，深井情况下钢丝或者电缆承受载荷，存在风险，且若水质不好，油管容易结垢，更不易于仪器的下入。

采用智能测调分注工艺可有效解决测调效率低的问题，而研究该工艺的耐高压性能及电缆通信可靠性显得尤为重要[4]。

1 高温高压分注工艺

1.1 目标井井况

根据渤中25-1区块油藏地质要求，初步分析得出注水井井况如下：

1) 油藏温度127～135 ℃，设计温度为150 ℃。

2) 注水井为定向井，平均井深为4 300 m。

4) 注水层数≤4层，以3层为例。

5) 储层为特低渗到低渗，注水启动压力8～14 MPa，井口泵压20～30 MPa，最大设计注入压力为35 MPa。

6) 储层的非均质性强，不同层段、断块试井解释的渗透率值的差异大，全井最大注入量≤300 m3/d。

1.2 管柱组成

针对套管完井注水井，一般会采用分层与注水功能集成于一趟管柱来实现分注，即“一体式”分注管柱。但是，该区块注水井井深大，油藏温度高，注入压力大，并且海上注水井作业成本高，一旦某个工具失效，需要起出所有管柱，风险大。

为满足高温高压注水井的精确配注要求，同时尽可能增加可靠性，设计如图1所示的“分体式”分层注水工艺管柱，包含外管柱和内管柱2个部分。外管柱的井下核心工具为3个相同的Y445型封隔器，内管柱井下核心工具包含外径为ø148 mm顶部水力锚、3个外径为ø114 mm智能配水器、3个外径为ø98.4 mm过电缆插入密封及盲堵。根据满足配注、减少摩阻、安全经济的原则，注水段以上选择外径为ø88.9 mm(3英寸)EU油管，注水段选择外径为ø60.3 mm(2英寸)NU油管。

1—地面控制设备；2—电缆；3—过电缆水力锚；4—过电缆插入密封；5—Y445型封隔器；6—智能配水器；7—盲堵。图1 高温高压智能测调注水管柱示意

1.3 工艺原理

下入时，采用油管或钻杆起放管柱作业，逐级下入完全相同的带卡瓦封隔器，加压坐封，下入验封管柱验封。逐级验封合格后，整体下入带电缆内注水管柱，再次验封，并进行智能调配各层注水量，实现分层智能注水。需要解封时，起出内注水管柱，下入解封工具，逐级解封和打捞带卡瓦封隔器。

该工艺技术可以最大限度地提高注水合格率，实现高效注水，具体包含以下功能：

1) 井下的数据电脑直读实时显示。

2) 可通过地面控制设备精确控制配注量。

3) 具备验封功能。

4) 免钢丝电缆投捞，特别适用于海上油田大斜度井和水平井。

5) 可实现中控至井口的无线传输，一台控制设备可以分时控制7口井，每口井可以控制8个注水层的智能注水[5]。

1.4 适用条件

该高温高压储层智能注水工艺的适用条件为：

1) 适用于内通径为ø157.1 mm的177.8 mm(7英寸)套管井。

2) 分注层段数≤8层。

3) 适用井斜角度≤90°。

4) 单层最大测试流量800 m3/d。

5) 工作压差35 MPa。

2 工艺可靠性研究

对于高温高压深井，相比普通注水井，需要解决工具的耐高温高压性能、电缆保护等关键问题。伴随井深、温度和压力载荷的增加，从工具自身性能和工艺设计角度上考虑，工具的耐高温高压性能显得尤为突出；随着施工风险的增高，从现场实施和工艺设计角度上考虑，电缆保护问题和施工风险最小化则是关键问题。

2.1 管柱工艺施工可靠性分析

2.1.1 施工可靠

由于目标井为套管完井，若采用分层和注水一体式管柱下入方式，高压下管柱蠕动较大，会产生封隔器意外解封的风险。同时，多个封隔器长时间坐封于井下，也容易造成无法解封，造成大修，增加成本。该工艺将外分层管柱与内注水管柱分离，外管柱下入借鉴了海上防砂完井的成熟工艺，保证了现场施工及后期注水的工艺可靠性。

2.1.2 测调可靠

电缆随内管柱永置于井下，智能配水器内置传感器，实时监测井下的温度、压力和流量等参数，可实现智能验封，并通过无级调节水嘴大小，实现精确调节每层注入流量。该工艺不用下入测调仪器，可避免因井深过大引起的测调仪器下入遇卡，同时也可避免因结垢造成测调仪器无法下入的风险，提高了测调的可靠性[6]。

2.2 管柱耐高压可靠性分析

管柱在高压下的失效方式有注水工具的高压破裂失效和管柱蠕动引起的分层密封失效2种。注水工具的耐高压技术已经较为成熟。本文将着重通过蠕动变形受力分析，保证管柱的可靠性。

由于分层外管柱带卡瓦封隔器单独锚定，可以忽略管柱蠕动产生的影响，而注水内管柱在注水、停注以及再次注水过程中，管柱自重及浮力、压力、温差以及流体摩阻4个因素都可以引起注水管柱的轴向变形[7-10]。

2.2.1 重力因素

管柱受自重和浮力作用而拉伸或压缩的变形量计算公式[8]为：

(1)

(2)

2.2.2 温度因素

管柱受温度因素而产生的拉伸或压缩变形公式为[9]：

ΔlT=βΔTL

(3)

(4)

ΔT=T2-T1

(5)

(6)

(7)

T=α·h+Tgs+α·A+(TwH-Tgs+α·A)·eh/A

(8)

A=ρw·v·Cf·f(t)/(2π·Kh)

(9)

(10)

2.2.3 压力因素

当管柱内的压力大于管柱外的压力时，就使管柱产生鼓胀效应。同时，封隔器位置上下存在压力差，会使管柱产生活塞效应，鼓胀效应与活塞效应叠加使管柱整体伸长或缩短，变形量公式为：

(11)

(12)

2.2.4 摩阻因素

沿管壁流动的液体受到摩擦阻力作用，该力的反作用力将引起注水管应力和轴向变形的改变。设Δ为管壁绝对粗糙度。

(13)

雷诺数的计算公式为：

(14)

低渗储层目前注水井日注入量都在100～500 m3/s，经过上式计算，判断均处于紊流状态下的水力光滑区。由现场的经验公式[10]可得：

(15)

式(15)是注水时管柱受到的摩擦力使其产生的轴向变形，由于渤中25-1油田配注量较小，所得Δlf很小，在本文所讨论的问题中可以忽略不计。

从上文对注水管柱4个方面的分析可以看出，温度和压力是影响管柱轴向蠕动的主要因素。下文中将根据计算结果判断在进行注水、停注以及再次注水过程中管柱蠕动变形及受力情况，进而验证该管柱的可行性。

2.2.5 渤中25-1油田注水管柱工作状态蠕动分析

3层分注可将分层工具等效为1个，便可将管柱及受力情况简化为如图2所示。

图2 管柱蠕动受力示意

对于注水段以上部分而言，内管柱下入到位后，管柱在自重力和温度作用下会伸长，下压力50 kN，用于抵消停注时的载荷。注水时，假设注水压力为35 MPa，管柱会受温度、压力的影响，均使管柱向上运动。经计算，温度效应产生的力为36.7 kN，压力效应产生的力为240 kN。但是，此时水力锚已经张开，综合作用力均传递至水力锚上，使管柱不会产生蠕动。停注时，注入压力消失，压力效应产生的力瞬间变为0。但是，瞬时温度不变，产生向上36.7 kN的力。该力正好被管柱下压力所抵消，管柱仍然不会蠕动。当再次注水时，水力锚再次打开，温度和压力效应再次发挥作用，产生的蠕动力仍然会传递至水力锚，管柱不会蠕动。

对于注水段部分，水力锚无法抵消其受力产生的变形。假设注水段长度200 m，在温度和压力效应作用下，此部分的管柱蠕动引起的局部最大位移为0.143 m，不会使插入密封脱离密封筒，保证了分层的可靠性。

2.3 管柱耐高温可靠性分析

高温环境下比普通井况更为恶劣，非金属材料为薄弱点，尤其是封隔器胶筒及插入密封密封模块橡胶，其材料均选用经过胶料配方优化的耐高温高压的氢化丁腈橡胶，而抗老化性能可有效反映长期耐高温的性能，故针对该氢化丁腈橡胶进行了老化试验。选用硬度不同的2种胶筒各15 kg，在150 ℃的热油中浸泡72 h，测试其性能，结果如表1所示。

表1 橡胶热油浸泡试验

橡胶拉伸强度和体积增加，扯断伸长和硬度变化幅度也较小，可以满足高温高压井的应用。

2.4 电缆通信的可靠性分析

该工艺在渤海油田非高温高压注水井已应用3井次，目前电缆通信一切正常。电缆选用进口11 mm×11 mm井下通用方电缆，可耐温150 ℃，耐压70 MPa。但管柱在下入和通信过程中，接头部位仍为风险点，油管外裸露处仍不可避免受到挤压和摩擦，需要详细分析其可靠性。

2.4.1 电缆连接可靠性分析

配管时，可将过电缆插入密封与智能配水器靠近连接，从而在下入管柱时，只需将截断后电缆穿越过电缆插入密封，连接至智能配水器的接头处，避免因使用电缆连接器产生的风险。如图3所示，智能配水器电缆接头结构有如下设计来保证电缆连接的可靠性：

1) 插接式电缆连接。现场施工简单快捷，可靠性高。

2) 耐高温、高压。采用成熟世伟洛克MC卡套实现密封，满足高温高压条件，且在电缆发生晃动的情况下，可保证良好连接和密封。

3) 接头内部双重O形圈密封。一旦外接头进水，可避免损坏配水器内部电路，保证智能配水器再利用。

图3 智能配水器接头结构示意

2.4.2 电缆本体可靠性分析

除了电缆接头处是管柱的风险点外，裸露在接箍外面的电缆最需要加以保护。由于注水段内空间有限，无法使用电缆护卡保护电缆，故采用接箍电缆保护器代替接箍，在顺利通过注水段的前提下，使电缆总处于接箍电缆保护器的回转体直径以内，防止在管柱下入过程中被摩擦损伤，起到保护电缆的作用，如图4所示。

在管柱下入过程中，油管或短节中央位置的电缆最容易受到油管或短节自身弯曲造成的挤压。该工艺在注水段内采用短节来替代油管，可避免裸露在外面的电缆免受挤压。因为油管或短节的长度越短，由自重产生的挠度越小，电缆被油管或短节挤压到的可能越小。如图4所示，注水段内油管外径与电缆之间的距离为8 mm，则短节的挠度应小于8 mm，才能避免电缆被挤压。

图4 注水段内油管外电缆保护示意

以最恶劣的水平段为例，若油管长度l为10 m，则油管的挠度为：

(16)

(17)

最后计算出的挠度值为86.7 mm，将油管替换为不同长度的短节，计算汇总如表2。

从表2可知，在保证电缆被接箍电缆保护器固定拉紧状态下，只要短节长度小于5.5 m，便可防止因短节自重弯曲对电缆的挤压。

表2 不同油管/短节长度的挠度值

2.4.3 电缆拉伸压缩试验

电缆保护设计使电缆在下入过程中不会被挤压，但仍避免不了因管柱管柱晃动、弯曲对电缆造成短暂的磕碰。所以需要测试电缆的抗拉、抗挤性能及世伟洛克接头处的电缆抗拉性能，得出以下结论：

1) 电缆及世伟洛克接头均能抵抗13～15 kN的拉力，即电缆接头处的强度与电缆本体强度相当。

2) 5 cm长度的电缆承受60 kN压力后，虽外形变形，但是电缆内芯无损伤，绝缘和通信正常，证明每5 cm电缆可承受600 m油管的重力。

因此，电缆随管柱正常下入过程中，安全可靠性高。

3 结论

1) 本文从管柱结构、管柱蠕动计算、材料耐高温和电缆保护等方面分析了高温高压智能分注工艺的可靠性。

2) 该工艺采用“分体式”智能分注管柱，保证了现场施工及后期注水测调的工艺可靠性。

3) 高温高压深井防蠕动管柱工艺设计，水力锚承载能力高，可抵抗注水-停注-再次注水引起的管柱蠕动。

4) 橡胶材料选择氢化丁腈橡胶，具有良好的耐高温、抗老化性能，可靠性高。

5) 高温高压深井条件下，电缆保护器及关键工具的电缆保护设计保证电缆下入可靠性。

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Reliability Study on Intelligent Separate-layer Water Injection Technology in HTHP Reservoir

MAO Qingkai1，WANG Liangjie1，LUO Changhua1，YANG Wanyou1，NIU Guifeng1，WANG Xianfeng1，YU Jifei2
(1.Drilling&ProductionTechnologyResearchInstitute，CNOOC，Tianjin300452，China；2.CNOOCResearchInstitute，Beijing100027，China)

Problems of high temperature，string creeping and conventional inapplicable measurement techniques will be taken into account in HTHP water injection wells of BZ 25-1 oilfield.The problem of low efficiency of measuring and adjusting can be solved by using intelligent separate-layer water injection technology，while the study on HTHP property and telecommunication reliability of this technology is vitally important.In this article the reliability of HTHP intelligent separate-layer water injection technology is analyzed in sight of string structure，creeping calculation，material high temperature property and cable protection，etc.Several conclusions are arrived at：reliability of construction can be assured by using “Split-type” smart separate-layer water injection string，reliability of high pressure property will be guaranteed with the design of anti-creep string，security of high temperature is ensured with material optimization and aging test，dependability of telecommunication will be satisfied with cable protection design of key tool and strength test of cable.

HTHP；water injection；cable；reliability

2016-11-08

“十三五”国家科技重大专项“海上稠油油田高效开发钻采技术”子课题“海上高效注采系统关键技术研究”项目部分研究成果(2016ZX05025002-005)

毛庆凯(1987-)，男，工程师，现从事注水工艺研究，E-mail：agilumqk@126.com。

1001-3482(2017)03-0023-06

TE934.402

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.005