注CO2驅注入參數設計及井筒管柱應力變化規律研究

袁本福

（中石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州450006）

CO2驅油技術在國內外的常規油田應用有許多成功的案例，是提高油田采油率的三次采油重要技術手段。我國的儲層條件相對復雜，自1963年大慶油田首先開展CO2驅提高采收率的研究以來[1-3]，國內三大石油公司相繼開展了大量的CO2驅技術攻關研究，在CO2驅油機理、相態評價及工程方案設計優化等領域均取得了一些成果。但是對于超低滲儲層CO2驅油管管柱應力變化的研究，以及現場注CO2開發過程中出現的新問題研究還較少[4-6]。為此，需要對該過程所引起的管柱應力變化進行工程分析和評價，本文利用HH156井的基礎數據，對CO2驅注氣井油管管柱應力變化規律進行計算和分析，確定井筒油管管柱應力變化滿足CO2驅注入施工要求，為低滲透油藏注CO2驅的開發和技術方案的編制提供重要的參考。

1 CO2驅注入參數設計

1.1 每日注入量設計

注入井HH156臨近對應的4口生產井合計日產液量為30m3/d，累計產液量5895m3，平均動液面1289m，為實現注采平衡，總的注入量初步定為5000t，地質方案要求每天注入地下體積為30m3/d，按照目前平均地層壓力17MPa、地層溫度69℃，CO2地層條件下密度為0.75t/m3，根據地質方案要求，計算得出理論注入量為22.5t/d。

CO2在地層條件下處于超臨界狀態，超臨界流體的特性介于氣體和液體之間，兼有氣體、液體的雙重特點，其密度接近液體，而粘度近似于氣體，其擴散系數是液體的近百倍，一方面考慮到CO2的注入性好于水，為實現快速補充能量，另一方面考慮到前期采油后地層虧空，為補充前期虧空，結合地質配注要求，因此初步確定每天配注量為30t/d。由于目前對地層的吸入能力不確定性，要求地面設備的注入能力在30～60t/d。

1.2 最大注入壓力設計

本區油藏破裂壓力平均48MPa，為防止裂縫開啟，按0.9的安全系數計算，注CO2時注入端井底壓力不高于43.2MPa；井口注入溫度確定為10℃，井底為69℃，因此取平均溫度為40℃；在40MPa時CO2的密度為0.85t/m3，在25MPa時CO2的密度為0.78t/m3，因此取CO2平均密度0.82t/m3；HH156井射孔段中深為1841m，井筒內液柱產生的靜壓力為15.1MPa，考慮0.5MPa井筒摩阻，因此井口設計注入最大壓力為28.6MPa。

2 注入井井筒設計

注入井井筒應滿足以下條件，可以實現井筒壓力的監測，可以實現吸氣剖面的監測，防止CO2對井筒的腐蝕，具備防腐監測評價等功能[7]。注入管柱見圖1。

圖1 HH156井注入管柱圖

2.1 井口選擇

目前井口為139.7mm的油層套管長圓扣接箍，根據預測壓力，井口最大注入壓力為28.6MPa，考慮到安全性，選擇KZ65/70懸掛井口（注CO2井口，與139.7mm的套管短節連接，套管短節為長圓扣）。

2.2 油管選擇

利用鄰井的地層水，CO2分壓在5MPa下，分別對J55、N80、P110、3Cr四種鋼材的腐蝕速率進行測定，腐蝕速率分別是0.1181mm/a、0.1110mm/a、0.0992mm/a、0.0257mm/a，在四種材質中3Cr抗二氧化碳腐蝕能力最強。通過調研發現3Cr在相同條件下的腐蝕率比N80油管降低3倍以上，因此選擇油管的材料為3Cr，同時為防止CO2沿絲扣刺漏，最終選擇的油管型號為?73mm的BG80-3Cr BGT1氣密封扣油管，油管長度約為1815m。

2.3 封隔器

選用Y221-114封隔器，內通徑55mm，要求耐壓差35MPa，耐溫120℃，耐CO2腐蝕，絲扣與油管配套。

2.4 水力錨

選用KDB-114液壓水力錨，外徑114mm，內通徑55mm，耐壓35MPa，耐溫120℃，選用耐CO2腐蝕不銹鋼材質，絲扣與油管配套。

2.5 井下掛環器

用于油管內外腐蝕的監測，同時要求測壓力、溫度和流量的儀器能通過。具體參數為：要求內通徑大于等于65mm，抗拉強度大于30kN。

2.6 油套環空中注環空保護液

根據計算，環空保護液用量為30m3（配方為1000ppm緩蝕劑UT2-2，用量為30kg），用于坐封前洗井驗封，確保封隔器以上的油套環空為保護液。

3 井筒管柱應力變化分析

管柱載荷計算所需的基本數據：井深2012m，地溫梯度2.57/100m；地層壓力17MPa，地層溫度69℃；油管3Cr：外徑?73mm，壁厚5.51mm，下深1815m；Y221-114封隔器，下深1805m；油層套管N80，外徑?139.7mm，壁厚7.72mm，下深2012m，外層水泥返到井口；井口注入壓力28.6MPa；井口注入溫度確定為10℃；每天配注量為30t/d；井筒CO2平均密度0.82t/m3。以下做圖數據來源于專業模擬軟件計算結果。

3.1 井筒管柱內外壓力分析

圖2為HH156井CO2注入工況下井筒管柱內外壓分布，其中b曲線代表內壓，a曲線代表外壓。分析可知，CO2注入工況下井筒管柱內外壓力均隨井深增加而線性增加，其中內壓從井口28MPa增加到井底46.47MPa，外壓從井口0MPa增加到封隔器處的17.66MPa，過封隔器后，外壓從17.66MPa突然跳躍到46.47MPa，與內壓保持一致，其原因是井底管柱內與環空保持連通。

圖2 井筒管柱內壓分布

3.2 井筒管柱軸向載荷分析

圖3為初始條件和CO2注入條件下井筒管柱軸向載荷分布，其中a曲線為初始條件下井筒管柱軸向載荷分布，b曲線為注入CO2條件下井筒管柱軸向載荷分布。分析可知，無論是否注入CO2，軸向載荷均隨著井筒深度的增加而線性增加，且井口軸向載荷最大，井底軸向載荷最小，由圖可知，注入CO2條件下，井口軸向載荷最大約為35t，井底最小約為10t，而初始條件下，井口軸向載荷約25t，井底為0。比較可知，注入CO2條件下軸向載荷大于初始條件的軸向載荷，其主要原因是，管柱內注入CO2氣體，引起管柱膨脹并形成鼓脹效應，使得下部由封隔器固定的油管柱有變短的趨勢，從而導致其軸向載荷增加。

圖3 井筒管柱軸向載荷分布

3.3 井筒管柱等效應力分析

圖4為CO2注入工況下油管柱在不同深度處的等效應力。需要說明的是，為確保油管柱在注入過程中的安全，計算時忽略了環空保護液液柱壓力的影響，即認為在注入過程中油管只受內壓作用，無環空壓力的支撐。分析可知，在CO2注入工況下，油管柱等效應力主要由注入壓力引起的，油管柱的等效應力隨著井深的增加而緩慢增加，井口等效應力最小，井底等效應力最大，比較可知，油管柱的等效應力均遠遠小于油管屈服應力。由此可知，在當前CO2注入工況下，油管處于安全狀態。

圖4 CO2注入工況下油管柱等效應力

3.4 井筒管柱溫度分析

圖5為注CO2工況下井筒管柱溫度分布。分析可知，井筒管柱溫度隨著深度增加而線性增加，但從井口到井底溫度變化較小，且溫度較低，從井口15℃增加到井底63.72℃，其溫度及溫度變化對管柱應力影響較小。

圖5 井筒管柱溫度分布

3.5 井筒管柱形變分析

在自然狀態下，HH156井油管柱處于拉伸狀態，其軸向伸長變形量為0.529m。由于溫度較低，且溫差變化較小，產生的熱應力不足以引起油管變形，熱應力變形基本等于0，幾乎無變形。CO2注入條件下，HH156井油管柱的總變形量為0，其主要原因是油管下部由封隔器固定。

3.6 井筒管柱安全系數分析

圖6為CO2注入條件下井筒管柱抗拉、抗內壓安全系數分布，其中a曲線代表管柱抗拉安全系數，b曲線代表管柱抗內壓安全系數。分析可知，當前注入工況條件下，HH156井筒管柱抗拉安全系數隨著井深的增加而急劇增加，井口最小，井底最大，而井筒管柱抗內壓安全系數隨著井深增加而緩慢降低，井口最大，井底最小，但抗拉和抗內壓安全系數均遠遠大于1.5，滿足安全注入要求。

圖6 井筒管柱溫度分布

4 結論與認識

（1）超低滲透CO2驅的注入量、注入壓力設計要充分考慮臨近采油井的產液量、地層壓力、地層破裂壓力、地層溫度、儲層特征、吸水能力等因素，準確計算地層環境下的CO2密度、注入量及注入壓力，為安全、有效施工提供依據。

（2）CO2注入工況下井筒管柱內外壓力均隨井深增加而線性增加，軸向載荷均隨著井筒深度的增加而線性增加；油管柱的等效應力遠遠小于油管屈服應力，且隨井深增加均變化不大；由于底部封隔器的影響，井筒管柱總形變量為0；在當前CO2注入條件下，HH156井筒管柱抗拉和抗內壓安全系數均遠遠大于1.5，完全滿足安全注入要求。

（3）通過對CO2驅井筒管柱受力分析表明，優選的3Cr鋼級油管管柱串應力變化完全滿足CO2驅注入施工要求，對國內超低滲透類似特征氣田的CO2驅施工具有重要的參考意義。