封堵剂注入工艺的绕流现象分析及优化

晁圣棋　邹明华　詹敏　张凤辉　王胜　郭沛文

摘      要：渤海油田目前已进入开发中后期，油井高含水问题日益突出，封堵剂注入工艺作为堵水的关键技术，是决定堵水效果的重要因素。本文针对现有的堵剂注入工艺，通过数值计算及实验模拟出该工艺在堵剂注入过程中存在绕流现象，为提高堵剂利用率对工艺进行了优化，提出了三封隔器注入工艺改进思路，并对比原堵剂注入工艺开展了模拟实验。结果表明：优化改进的三封隔器注入工艺可有效减少原堵剂注入工艺的绕流现象，对堵剂注入工艺的优化改进方向具有一定的指导意义。

关  键  词：渤海油田;封堵剂;注入工艺;绕流

中图分类号：TE 019       文献标识码： A        文章编号： 1671-0460（2020）07-1472-04

Analysis and Optimization of Bypassing Flow of Plugging Agent Injection

CHAO Sheng-qi， ZOU Ming-hua， ZHAN Min， ZHANG Feng-hui， WANG Sheng， GUO Pei-wen

（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Company， Tianjin 300452， China）

Abstract： Bohai oilfield has now entered the middle and late stages of development， and the problem of high water cut in oil wells is becoming increasingly prominent. The plugging agent injection process， as the key technology for plugging water， is an important factor in determining the effect of plugging water. Aiming at the existing plugging agent injection process， numerical simulations and experiments were performed to simulate the flow of the plugging agent during the plugging agent injection process. To improve the plugging agent utilization rate， the process was optimized and a three packer injection process was proposed. Simulation experiments were carried out compared with the original plugging agent injection process. The experimental results showed that the optimized and improved three packer injection process could effectively reduce the bypassing flow phenomenon of the original plugging agent injection process. The paper can provide a certain direction for the optimization and improvement of the plugging agent injection process.

Key words： Bohai oilfield; Blocking agent; Injection technology; Bypassing flow

渤海油田的勘探开发始于1966年，作为中国近海勘探开发历史最长和勘探程度最高的油田之一，至今已有54年的历史^[1-2]。然而，随着开发过程的深入，渤海油田面临着新的挑战，目前渤海油田进入勘探开发中后期，油井高含水问题日益突出，部分油田综合含水率达到90%以上，严重制约了油田的整体开发^[3-5]。

相对生产后期油井高含水后采取的控水补救措施，早期找堵水能够低成本，高效率地进行控水，解决稳产难题。封堵剂注入工艺作为堵水的关键技术，是决定堵水效果的重要因素^[6]。

1  概述

现有的堵剂注入工艺（如图1）是通过注入阀注入堵剂，注入阀两端封隔器在注入时坐封防止堵剂外窜，提升封堵剂的利用率。

该工艺在砾石填充完井方式下可能存在封隔器没有完全封隔住注入段两端，致使堵剂外窜污染储层堵塞井筒，因此对现有的堵剂注入工艺开展了研究，并進行了优化改进。

2  封堵剂渗流阻力数值计算

砾石充填完井方式下，管外环空可能存在局部低渗的情况，封堵剂注入过程中的渗流阻力过大会造成封堵剂向筛管内的绕流，渗流阻力主要来自筛管与砾石充填带，因此对这两处的渗流阻力进行了数值计算。

2.1  封堵剂通过筛管的渗流阻力

根据H-B流体本构方程，计算封堵剂发生绕流的临界压降梯度^[7-9]。

取筛网渗流孔道半径15～80 μm，流体屈服应力为200 Pa，筛网厚度3 mm，则发生绕流的临界压降15～80 kPa左右。

2.2  封堵剂通过砾石充填多孔介质的渗流阻力

2.2.1  物理模拟方法

填砂管直径38 mm，填砂管长度0.5 m，填砂颗粒尺寸20～40目（0.84～0.42 mm）^[10]。

使封堵剂以一定的流量通过填砂管，改变流量，待渗流达到稳定后记录注入压力，根据稳定渗流条件下流量与压差的关系确定渗流阻力。

2.2.2  数值模拟方法

基于Carman-Kozeny公式，由颗粒半径计算填砂渗透率^[11-14]。

2.2.3  封堵剂运移阻力值模拟结果对比

封堵剂的运移阻力即为设定排量下的临界注入压力，注入压力高于临界注入压力，封堵剂才能顺利注入。

设定注入速度为5～80 mL·min^-1，对应的临界注入压力分别进行数值计算与物理模拟实验。数值记录见表1、表2。

封堵剂数值计算数据与实验数据一致性良好，数值计算方法可作为对封堵剂运移阻力预估的参考，可填补实验数据空白。由表1、表2绘制图3封堵剂运移阻力与排量变化关系。

由图3可知，封堵剂在多孔介质中的运移阻力随注入速度的增大而逐渐升高。

通过筛管发生绕流的临界压降为0.015～0.080 MPa，远小于堵剂在多孔介质中的运移阻力，因此在砾石充填完井条件下，现有的堵剂注入工艺存在绕流，即堵剂外窜现象。

3  优化改进

3.1  工艺原理

封堵剂注入过程中发生绕流现象，是因为封堵剂进入地层的临界注入压力大于封堵剂绕流临界压降梯度，如图4所示。若，即可避免绕流发生。

利用封隔器密封注入段两端的井液，封堵剂一旦发生绕流则会提高注入段两端井筒压力，从而增大，如图5所示。

3.2  注入工艺模拟实验

为模拟优化改进前后对注入工艺绕流现象的影响，试制了2套模型，分别为原堵剂注入工艺的双封隔器模型，如图6所示;优化改进的三封隔器注入工艺模型，如图7所示。

1）实验首先将模型内注满蓝色液体（模拟井筒内液体）;

2）然后以相同的注入压力及注入速度由注入口注入红色液体（模拟封堵剂）;

3）观察图8可知，注入过程中原双封隔器堵剂注入工艺发生了明显的绕流现象，改进后的三封隔器注入工艺只有少量液体绕流;

4）优化改进的三封隔器注入工艺可有效减少原堵剂注入工艺的绕流现象，对堵剂注入工艺的优化改进方向具有一定的指导意义。

4  结 论

1）现有的封堵剂注入工艺通过理论及模拟实验研究显示存在堵剂注入过程中的绕流现象。

2）封堵剂运移阻力的计算数值及实验数据一致性良好，数值计算方法可作为对封堵剂运移阻力预估的参考。

3）优化改进的三封隔器注入工艺可有效减少原堵剂注入工艺的绕流现象，对堵剂注入工艺的优化改进方向具有一定的指导意义。

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基金项目：国家十三五重大专项，渤海油田油水井高效测调一体化技术示范（项目编号：GZTJ201612032-2016ZX05058-003-015）;

中海石油（中国）有限公司科技项目，渤海油田3000万吨持续稳产关键技术研究（项目编号：CNOOC-KJ135ZDXM36TJ）;

中海石油有限公司科技项目，海上高效采油新技术（项目编号：CNOOC-KJ135ZDXM23LTDTJ01）。

收稿日期：2020-03-23

作者简介：晁圣棋（1989-），男，陕西咸阳市人，工程师，2012年毕业于西南石油大学机械制造及其自动化专业，研究方向：采油工艺技术。

E-mail：chaoshq@cnooc.com.cn。