分层注水井提高注水效率配套工艺对策

王丽丽

摘要：非均质油藏具有层多非均质性严重的开发矛盾，渗透率级差达到4-13倍，若采用笼统注水会导致注入水只进入高渗层，形成单层突进，从而造成水淹水窜，无法有效进行水驱油藏开采。

关键词：分层注水；优化配套；封隔器失效；受力分析

目前非均质油藏储层层间矛盾突出，需要分层注水开发，但分注率指标无法满足水驱油藏开发需要，同时分层注水管柱存在封隔器胶筒磨损、肩部损坏一系列问题，影响分层注水有效期。通过对封隔器的受力计算，确定封隔器可承受层间压差的技术界限，在此基础上开展分层注水管柱的优化配套研究，改善封隔器受力情况，延长分注管柱有效期。

1 分注現状

2分层注水管柱失效因素调查

非均质油藏分层注水管柱配套以K344扩展式封隔器为主，占90%以上；按照管柱类型划分，分为常规卡封、锚定卡封两大类。通过近年来对测试跟踪发现，分层注水管柱存在问题主要集中在封隔器胶筒磨损、肩部损坏两个方面，导致无法真正实现“分得开”注水，如何有效提高分注率，需要深入研究分注管柱受力情况，优化配套分层注水管柱，来延长分注有效期。

2.1 封隔器失效因素

根据注水过程中封隔器承受应力集中、层间压差、停注开注压力变化、磨损情况的不同，将K344封隔器失效原因分为胶筒肩部损坏、胶筒磨损两类。1、胶筒磨损：封隔器受层间压差大，或受频繁停注开注等压力变化造成管柱蠕动，导致胶筒整体或部分磨损。2、肩部损坏：封隔器肩部受应力集中挤压，胶筒挤入油套环空之间，挤伤胶筒导致肩部损坏。

3 非均质油藏分层注水管柱失效原因研究

3.1 封隔器胶筒磨损受力分析

3.1.1根据井下封隔器所受四种基本效应，建立非均质油藏分层注水系统动态数学模型：

（1）井筒中的流动温度计算模型

井筒中选取一长度微元控制体，假定为定常流，控制体不对外做功，且地温按线性分布，可得下列微分方程：

（2）注入水井底流压计算模型

注水井从井口通过油管或套管到达井底，注入水井底流压等于井口压力加上静液柱重量减去沿程摩阻损失，数学表达式为：

3.1.2不同类型分层注水管柱封隔器受力计算：

通过对不同分注管柱的受力分析，计算在不同层间注水压差下，管柱蠕动失效临界情况：（计算中假定：油管外径f73mm，内径f62mm，套管外径f139.7mm，壁厚9.17mm）

（1）封上注下分注管柱：当层间注水压差1MPa时，封隔器受到使管柱收缩的活塞力、鼓胀力、弯曲力，抵消管柱收缩的摩擦阻力影响，其合力计算如下：

F收缩=F活塞+F鼓胀+F弯曲=9258N

因此，封隔器未克服最大静摩擦阻力，不会蠕动。

通过公式继续进行计算发现，当层间压差达到6MPa时，分注管柱封隔器受力超过最大静摩擦阻力，出现蠕动失效的情况。

（2）封下注上分注管柱：当层间注水压差1MPa时，封隔器受到使管柱拉伸的活塞力，抵消管柱拉伸的摩擦阻力、弯曲力影响，鼓胀力平衡，互相抵消，其合力计算如下：

F拉伸=F活塞-F弯曲=8482N

因此，封隔器未克服最大静摩擦阻力，不会蠕动。

通过公式继续进行计算发现，当层间压差达到7MPa时，分注管柱封隔器受力超过最大静摩擦阻力，出现蠕动失效的情况。

3.2 封隔器肩部损坏有限元分析

通过对封隔器胶筒材质的研究及有限元分析，结合不同注水压力下提出封隔器胶筒肩部损坏情况，判断封隔器胶筒肩部损坏问题出现的临界条件。借鉴Y341封隔器有限元分析，当层间压力大于7MPa时胶筒出现明显的肩部突出现象，且随着压力增大，肩突现象愈加明显。通过对不同注水压差下提出封隔器胶筒肩部损坏情况解剖，及胶筒有限元分析实验，K344封隔器肩部损坏情况随层间压差增大而加重。

综上所述，分层注水管柱封隔器可承受层间压力≤5MPa。

4 非均质油藏分层注水管柱优化配套研究

针对非均质油藏分注管柱存在的一系列问题，通过对分注管柱封隔器受力分析的基础上，制定封隔器承受层间压差界限，指导悬挂式、锚定式分注管柱的优选；开展柔性锚定工艺的现场试验，通过优化分注管柱配套，延长管柱有效寿命。

4.1通过柔性锚定封隔器【2】，改善胶筒肩部受力状况，减少“肩突”问题发生。

柔性锚定封隔器采用双胶筒防蠕动密封技术，两端部双浮动结构改善胶筒端部所受轴向力、鼓胀力叠加状况，防止压差突变或交变引起肩部破坏。结构上采用锚定+密封的双胶筒结构，增加防蠕动摩擦力与密封可靠性。坐封后两胶筒间存在密闭空间，防止密封胶筒上端部突出流变。

4.2根据封隔器承受层间压差界限，优选悬挂式、锚定式分注管柱，缓解胶筒磨损问题。

通过注水系统数学模型的建立、分注管柱受力情况分析计算，结合封隔器胶筒有限元分析，计算得出分注井封隔器可承受层间压差要求≤5MPa。以5MPa为技术界限，对于层间压差小于5MPa的井，配套悬挂式管柱；对于层间压差大于5MPa的井，配套锚定式管柱，加入水力锚锚定，防止封隔器蠕动失效。2017年以来，针对层间压差小于5MPa的分注井，配套悬挂式管柱45口/92层，针对层间压差大于等于5MPa有方案停层的分注井，配套锚定式管柱12口/24层，经过测试后，分注有效率达到100%。

参考文献

[1]赵明宸，分层注水管柱封隔器受力分析，长江大学学报，2017（06）

[2]姜广林、李常友等，海上注水井一体化测调技术研究，石油机械，2016（02）

（作者单位：胜利采油厂采油管理三区）