一种新型CO2驱油注气管柱的研制及应用

曹力元

（中国石化华东油气分公司采油厂，江苏泰州225300）

CO2驱油作为三次采油的一种方法，能大幅度提高原油采收率（EOR）。CO2作为驱油剂，可以大幅降低地层原油黏度、使其体积膨胀，同时降低油水间的界面张力，具有成本低、适用范围广、效率高等特点。由于CO2驱油技术经济有效，正成为各大油田开发低渗透油藏方面研究和应用的关键技术之一[1-3]。作为利用CO2驱油技术最多的国家，美国2014年CO2驱油年EOR产量已达1 371×104t，约占世界总CO2驱油年EOR 产量的93%。国内油田中，江苏、胜利、中原和吉林等油田较早开展了CO2驱油试验，取得了一定效果。

苏北油田大部分油藏属低渗油藏，注水开发难度大、效果差。草舍油田泰州组低渗透油藏于2005年7月开始CO2驱先导试验，至2013年12月，油藏累计注气17.9×104t，增油7.97×104t，提高采收率7.89%。“十三五”期间，苏北油田在低渗油藏进行试验推广，共计11个单元实施CO2驱油开发，其中草中阜三段、台南阜三段油藏均取得了较好的开发效果[4]。

上述油藏埋藏深度2 700 ～3 500 m，温度及压力都较高，对CO2驱注气管柱提出较高的要求。CO2驱油注气管柱是CO2气进入地层的通道，是保证CO2驱油顺利进行的关键。更重要的是，注气井面临CO2腐蚀、防气蚀等问题，而国外工具费用高、售后服务难以满足现场施工要求。为满足CO2驱油注气管柱的特殊要求，苏北油田引进了Y221 封隔器及配套工具，并于2005年率先在草舍油田草8等5口井投入现场试验。截至2018年11月，本管柱共投入应用22井次，基本满足注气井的要求，但也存在气密封性能差、反洗阀打不开、无法循环缓蚀剂等问题。虽经不断改进和完善施工，套压仍然较高，油套管腐蚀严重，影响了CO2驱油技术的推广。因此急需研究一种新型注气管柱。

1 原有CO2驱注气管柱

苏北油田注CO2气井井口压力20 ～30 MPa，地层温度90 ～110oC（部分注气数据见表1）。原有的CO2驱注气管柱为机械锚定式注气完井管柱，其原理是将封隔器坐封在油层顶部，油套管环空充满CO2缓蚀剂，降低CO2对油套管的腐蚀。管柱组成：喇叭口+Y221封隔器+水力锚+滑套开关+TM扣气密封油管（图1）。

图1 Y221 机械锚定式注气管柱Fig.1 Gas injection string Y221 with fixed mechanical anchor

该管柱在使用过程中，发现存在以下问题：①套压较高，虽多次改进，气密性仍然较差，不能有效保护油层套管；②滑套开关性能不可靠，无法定期循环防腐剂；③管柱无防返吐功能，当需要修井时必须压井作业，增加了施工成本，对油层也存在污染危险。

2 新型CO2驱注气管柱设计

2.1 性能要求

1）气密封性能可靠，承压差30 MPa以上。

2）具有防返吐功能，实现后期不压井起下管柱，减少作业成本及时间。

3）滑套开关性能可靠，方便后期更换环空保护液。

4）具有较强的防蚀能力。

2.1.1 气密封性能

1）注气油管。为保证注气过程中油管不渗漏，选用ϕ73.02 mm BGT1扣气密封油管。

2）扭矩仪的使用。为杜绝气密扣油管的渗漏，需使用扭矩仪。在ϕ73.02 mm N80-BGT1扣气密封油管上扣过程中，设定其上扣扭矩范围2 580 ～3 030 N·m，最佳扭矩为2 810 N·m。现场每根油管的上扣扭矩变化曲线，要求其达到标准形态，并随时保存扭矩变化曲线。

3）Y445J型封隔器的研制与使用。研制气密封性能更好的二次压缩Y445J 型封隔器替换原有Y221型封隔器，其独特的结构保证了更好的气密性。

2.1.2 防腐材料

油管材料：室内试验结果表明，3Cr 以上材料均能满足注CO2的需要[4-7]。

工具材料：主要钢体采用30Cr13不锈钢。

套管环空防腐：定期环空注CO2缓蚀剂。

橡胶密封件：使用具备防腐能力的氢化丁腈橡胶，作为橡胶密封制品的基料。

2.2 注气管柱

根据苏北油田十多年CO2驱的资料和现场实践，经过技术论证、实践改进，对注气管柱结构进行了优化设计，2014年完成了一种新型注气管柱研究，主要研制采用了二次压缩Y445J型封隔器。

表1 部分Y221机械锚定式注气管柱注气数据（截至2018年11月）Table 1 Data of some gas injection string Y221 with fixed mechanical anchor（until November 2018）

2.2.1 主要技术参数

内径48mm，外径115 mm，坐封压力20～25 MPa，管柱加压100～150 kN，丢手压力15～18 MPa，密封压差35 MPa，解封力60 kN，正转丢手圈数15。

2.2.2 注气管柱结构

注气管柱从上至下：ϕ73.02 mm N80-3Cr-BGT1扣气密封油管+滑套开关+Y445J封隔器+ϕ73.02 mm N80外加厚油管+多功能注气阀（图2）。

图2 新型二次压缩Y445J注气管柱Fig.2 New gas injection string Y445J with secondary compression

2.2.3 新型注气管柱施工步骤

1）下入注气管柱（严格使用扭矩仪控制上扣扭矩），管柱到位后替环空保护液。

2）磁定位校深，待封隔器下至设计井深后，上提油管挂至一定高度，投球，从油管打压坐封Y445J封隔器并关闭多功能注气阀反循环孔。

3）下放管柱，坐油管挂，利用管柱重量二次加压坐封封隔器，坐封吨位10 ～15 t。

4）接验封管线，控制压裂车施工排量，分别测试在注入压力15 MPa、20 MPa、25 MPa 和30 MPa 情况下的吸水指数，开套闸观察套管是否出水，检查管柱的密封性。

5）开始正常注气。

3 新型注气管柱主要工具

3.1 二次压缩Y445J型封隔器

3.1.1 二次压缩Y445J型封隔器结构

Y445J 型封隔器内部结构见图3，主要由胶筒、锚定机构、坐封机构和丢手机构4大部分组成。

图3 二次压缩Y445J型封隔器Fig.3 Packer Y445J with secondary compression

3.1.2 工作原理与特点

管柱采用新型二次压缩Y445J 封隔器，坐封过程包括液压坐封和管柱加压坐封2 个步骤。在封隔器结构设计时，创新引入了二次加压理念。利用注气管柱自身的重量持续压缩胶筒，使胶筒与套管内壁的接触应力永久保持不变。在日常注气生产中，若胶筒应力松弛，管柱自身的重量载荷能及时补充，使之与套管内壁接触应力持续不变，大幅提高封隔器的密封性。

双卡瓦锚定机构使封隔器在完成液压坐封后即具有了双向承压能力，能够长期、双向承压35 MPa，并且有效防止管柱蠕动，保证胶筒密封性。

新型双丢手机构设计，使其具有旋转管柱丢手和投球液压丢手2 种方式，可适应多种工况对丢手作业的要求，保证丢手性能可靠。

3.2 多功能注气阀

多功能注气阀，具有防止气体回流的功能，满足了后期施工不压井起下管柱的要求，节约了施工成本和时间。

表2 Y445J新型注CO2气管柱注气数据（截至2018年11月）Table 2 Data of new CO2 injection string Y445J（until November 2018）

3.3 滑套

滑套密封件采用了防刺坏设计，充分考虑了不同材料之间的温度膨胀系数。优化了滑套液压打开的方式，大幅提高了滑套可靠度。

4 现场试验应用及评价

新型二次压缩Y445J注气管柱研制成功后，在苏北油田现场试验8 井次，均一次施工成功，施工成功率100%，注气合格率100%。截至2018年11月底，累积注CO2气量达78 798.38 t。注气参数见表2。

从表2 可以看出，其中最大井深3 501.5 m，最高注气压力30 MPa，套管压力0。试验表明，新型管柱基本能满足苏北油田注气要求。目前，CZ1-8、C1-1、Z1-5和S5-21等8口井注气管柱工作正常，最长管柱入井时间已达4年，气密封性能可靠，各项设计指标均达到了设计要求。

4.1 典型井试验

Z1-5井是张家垛油田张1区块的一口注CO2井，目的层为阜三段，层位埋深3 499.7 ～3 501.5 m，平均渗透率3.8×10-3μm2，属于埋藏深度较大的特低渗油藏。参考同区块前期部署的注气井工况，预测该井注气压力为25 ～30 MPa，注入压力较高。

Z1-5井为苏北油田第三口采用Y445J型封隔器注气工艺的注气井。2015年12月，该井进行转注气施工，在进行彻底井筒处理后，严格按要求组下了注气管柱，完成以下注气管柱参数：多功能注气阀深度3 510.32 m，Y445J 型注气封隔器深度3 490.52 m，滑套深度3 489.42 m。

4.2 效果评价

Z1-5井于2015年12月开始注气，持续注气至今，累计注入CO2量13 680.05 t，注入压力最高为30 MPa，套压一直为0。无套压注气1 080 d，Y445J封隔器注气管柱显示了及其可靠的气密封性。

5 结论

1）为确保CO2驱油注气管柱的密封性，在应用Y445J封隔器的同时，还要配套气密扣密封油管，用扭矩仪使扭矩要达到规定要求，以保证油管的气密性。

2）新型Y445J 封隔器注气管柱密封性能良好、具备防返吐、防蚀能力强等功能，性能可靠，满足高压注气的要求。

3）Y445J 新型CO2驱油注气管柱设计严谨，施工工艺简单，安全可靠，具有极高的推广应用价值。