大斜度井注水井筒壓力場計算模型分析研究

徐濤，劉清友

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

油氣工程

大斜度井注水井筒壓力場計算模型分析研究

徐濤1，劉清友2

（1.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

我國陸上油田為提高采收率而陸續進入注水開發時期，采用大斜度井分層注水的作業方式數量逐年增加。為研究大斜度井注水管柱井筒壓力分布規律，建立了井筒壓力場計算模型，并通過分析注水過程中流體在注水管柱內外空間的流動過程，得到摩阻系數作為不定常數時，流體摩阻引起注水管柱內流體壓降變化，最后通過兩口大斜度注水井的管柱數據，對已建立的井筒壓力場模型進行計算驗證，得到井筒壓力隨井深的變化曲線，發現曲線線性度較好，井斜角變化越大而井筒壓力增加越快的規律，所得壓力數據可用于求解注水管柱變形量等其他力學參量。

注水；大斜度井；壓力場；井筒；分析

隨著近些年我國油田開發陸續進入中后期，為提高現有已開發油田的采收率，需要應用分層注水工藝技術增加地層壓力，隨著大斜度井技術的應用，大斜度井內分層注水作業數量也在逐年增加［1，2］。由于大斜度井具有井斜大、水平位移長和井身剖面復雜的特點（見圖1）。在大斜度井中進行分層注水作業時，會遇到分注管柱起下困難、管柱強度失效、封隔器密封效果差等問題，直接影響到管柱的安全可靠性和油田的正常生產作業。

圖1　大斜度井井身結構示意圖

對于管柱壓力場的研究，曾志軍等［3］建立了高溫高壓天然氣測試井預測井筒流體壓力、溫度分布的綜合數學模型；何祖清等［4］利用直筒內單相流體理論對注水井管柱的壓力場進行了研究；戚斌等［5］建立起氣井井筒氣體穩定流動時壓力、溫度、流速及密度分布的數學模型，研究管柱變形情況。

井筒壓力可能使管柱產生鼓脹、螺旋彎曲等四種變形效應［6］，研究井筒壓力分布規律，并建立壓力場計算模型，可將計算壓力值作為已知數據用于求解管柱變形量，對研究大斜度井管柱變形和結構強度具有基礎作用。

1　大斜度井井筒壓力場計算

大斜度井注水管柱在注水過程中，由于管內液體的存在使流體密度的變化極小，可忽略井筒內由于動能引起的壓降，僅考慮井筒內流體摩阻、井斜角和液體重力作用產生的壓力變化。注水過程中井筒內考慮單相液體的流動，可建立起井筒液體壓力場的動量方程為：

式中：τ－井筒流體流動摩阻系數，與井深有關；ρ－流體密度，kg/m3；α－井斜角，°；g重力加速度，N/kg。

利用注水管柱邊界條件和注水工況初始條件對（1）式進行積分運算，可求得注水管柱井筒壓力沿井深的分布規律如下：

其中P0為初始注水壓力。

由于摩阻系數τ作為不定常數考慮，則需要分析井筒流體的水力摩阻損失，間接得出由流體摩阻引起注水管柱內的流體壓降。

2　大斜度井井筒流體摩阻壓降分析

在大斜度井注水管柱進行注水過程中，流體在注水管柱管內、注水管柱兩接箍間環空間隙內和注水管柱接箍處的流動過程中，都將產生水力摩阻損失。

圖2　流體運動分析圖

根據圖2的流體運動分析結果，對于注水管柱內流體流動的水力摩阻損失h1為：

其中：系數δ與管內流動流體的流態有關，管柱內流態一般處于混合摩擦區，則δ取值為：

圖3　流體在注水管柱外流動分析圖

注水過程中，流體在注水管柱兩接箍間環形空間內的流動為紊流（見圖3），而環空紊流流動的水力直徑為：

式中：A1－注水管柱環空間隙流體截斷面面積；L1－注水管柱環空間隙流體截斷面濕周。

采用與管內流體相類似的方法，得到注水管柱兩接箍間與套管環空紊流的水力摩阻損失h2為：

在圖3所示的注水管柱接箍處，流體流經該處的流動狀態可描述為：流體在兩接箍間的環空紊流狀態在靠近接箍處時，由于接箍外表面的阻擋使環空面積突然縮小，使流體流動面先減小而增大，流速也產生變化，然后再沿著接箍與套管環空進行流動，此過程產生的水力摩阻損失h3-1為：

流體在接近接箍尾端時，流動面突然增加，使流體逐漸流過接箍：此過程產生的水力摩阻損失h3-2為：

綜合上述（3）式－（8）式，大斜度井在注水過程中，流體在注水管柱內、管柱兩接箍與套管環空間和管柱接箍處因流體沿程水力摩阻損失，導致注水管柱內流體總壓降為：

3　算例驗證

依據大斜度井注水井筒的壓力場計算模型，使用VB語言完成計算程序的編譯，并使用該計算程序對某油田的A、B兩口大斜度注水井進行井筒壓力場的計算，兩口井的基本參數（見表1），井斜角參數變化（見圖4），井筒壓力計算結果（見圖5）。

表1　兩口大斜度井基本參數表

圖4　兩口井井斜角參數變化圖

圖5　兩口井井筒壓力變化趨勢圖

通過實際算例對大斜度井注水管柱壓力場模型進行驗證得到，井筒壓力隨井深變化曲線（見圖5），曲線線性度好，未出現較大偏差點，同時通過井斜角變化規律分析可得，井筒壓力曲線在1 000 m井深處出現轉折點，壓力增速減緩，井斜角變化越大，井筒壓力增加越快。

4　結論

通過考慮注水過程中井筒內流體摩阻、井斜角和液體重力作用，建立起注水管柱井筒壓力場計算模型；通過分析注水過程中流體在注水管柱管內、注水管柱兩接箍間環空間隙內和注水管柱接箍處的流動過程，得到摩阻系數τ作為不定常數時流體摩阻引起注水管柱內的流體壓降變化；最后通過兩口大斜度注水井進行算例驗證，得到井筒壓力曲線線性度較好，井斜角變化越大，井筒壓力增加越快的規律。

［1］肖國華，宋顯民，王瑤，等.南堡油田大斜度井分注工藝技術研究與應用［J］.石油機械，2010，38（3）：60-63.

［2］齊德山，吳建朝.分層注水工藝管柱存在問題分析及防治［J］.斷塊油氣田，2002，9（2）：83-85.

［3］曾志軍，胡衛東，劉竟成，等.高溫高壓深井天然氣測試管柱力學分析［J］.天然氣工業，2010，30（2）：85-87.

［4］何祖清，劉清友，王國榮，等.注水管柱壓力場計算模型研究［J］.石油機械，2007，35（3）：14-15.

［5］戚斌，喬智國，葉翠蓮，等.壓力溫度數值模擬在管柱變形計算中的應用［J］.天然氣技術，2009，3（3）：57-60.

［6］鄭新權，陳中一.高溫高壓油氣井試油技術論文集［C］.北京：石油工業出版社，1997.

Analysis of high angle well water injection wellbore pressure calculation model

XU Tao1，LIU Qingyou2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploration，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

Our country onshore oil fields to enhance oil recovery and gradually into a period of water injection development，the practices number that using high angle well to separate layer water flooding number increases year by year.For the study of high angle wells water injection string wellbore pressure distribution，wellbore pressure calculation model is established，and through the analysis of flow process of fluid in the injection string inside and outside space in the process of water injection，get fluid friction caused by changes in fluid pressure drop in the water injection string when the friction coefficient as indefinite constant，to calculate and verificate the wellbore pressure field model that has been established by two high angle of water injection string data，get the wellbore pressure curve along with the change of depth and find that the curve linearity is better and the greater the inclination changes，the faster wellbore pressure increases，the pressure data can be used to solve the injection string deformation and other mechanical parameters.

water injection；high angle well；pressure field；wellbore；analysis

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.004

TE357.62

A

1673-5285（2015）06-0012-04

2015－04-01

國家科技重大專項，項目編號：2011ZX05050。

徐濤，男（1989－），漢族，四川閬中人，碩士研究生，研究方向為油氣裝備現代設計與仿真研究。