伊拉克H油田地面分層注水技術可行性研究

黃雪琴，王毓才，杜政學，胡貴，聶臻，王春鵬

中國石油勘探開發研究院（北京 100083）

中東地區油藏以海相碳酸鹽巖為主，占整個中東地區儲量的70%以上[1]。H 油田位于伊拉克東南部，為特大型碳酸鹽巖油田[2]。伊拉克H 油田開發初期，以利用天然能量衰竭式開采為主。目前油田已進入開發中后期，由衰竭式開發方式逐步轉變為注水開發方式[3]。中東地區碳酸鹽巖儲層主要受沉積-成巖控制，儲層在縱向及平面上具有極強的非均質性，且內部發育高滲條帶[4-8]。伊拉克H油田籠統注水時，注入水優先沿著滲透性較好的儲層流動，導致注入水波及效率低、水驅開發效果差、含水上升快等問題。因此，伊拉克H油田對分層注水的需求迫切。中東碳酸鹽巖油藏普遍發育穩定物性隔夾層，在分層注水開發時能起到阻隔作用[9]，具備分層注水的良好基礎。目前，伊拉克H油田嘗試使用了活動式同心分層注水技術，但是效果不理想，急需研究適用于H 油田的分層注水技術。通過對伊拉克H油田分層注水技術需求的深入研究，提出適合于H 油田碳酸鹽巖油藏分層注水技術及其工藝。

1 伊拉克H油田分層注水技術需求

伊拉克H油田主力產層為Mishrif 組，占油田儲量的52%，Mishrif 組注水開發是油田上產的重要手段。Mishrif 組屬于巨厚碳酸鹽巖儲層，平均油層厚度達119 m[3]。由于儲層厚度大，為保證注水波及體積，單井注水量需保持高位。伊拉克H油田單井配注量高達477～1 272 m3/d，而國內單井配注量一般不超過159 m3/d。目前H 油田主要在Mishrif 組的MB1、MB2和MC1 這3個層位進行分層注水，分層注水的層數以2～3層為主。隔夾層厚度1～7 m[10]，分層注水時能起到良好的阻隔作用。H油田地層水礦化度較高，一般在150～200 g/L。H 油田的注入水一般為經過簡單處理后的地層水，注水管柱腐蝕結垢風險高。因此，注水管柱應具有較強的防腐能力，且管柱阻卡時處理簡便，避免大修作業。注水井多為定向井，最大井斜角介于30°～53°，分層注水工藝應對井斜角較大的注水井有較好的適應性。中東地區地緣政治局勢動蕩，安全形勢復雜嚴峻，盡量降低人員到現場測調試的頻率，要求分層注水測調周期短、準確率高。

2 伊拉克H油田分層注水技術優選

2.1 伊拉克H油田分層注水技術現狀

2016 年5 月，伊拉克H 油田開展分層注水先導試驗研究。采用活動式同心分層注水工藝，分注層數為兩層，日注水量為1 670 m3。兩層配水器芯子安裝在同一軸線上，每個配水芯子有3 個出液口。利用鋼絲在井下旋轉配水芯子，調節出液口的大小，不需要起下管柱。2018年7月，起出井下配水芯子，發現配水芯子外壁磨損嚴重。分析認為是注入水礦化度高，配水器結垢后旋轉失效，出液口開口小，高壓流體噴射配水芯子外壁導致嚴重磨損。該分層注水工藝測調試工作量大，對人員、設備要求較高。分層測試流量時各層相互干擾，測試數據準確率低，且無法進行分層壓力測試。由此可見，活動式同心分層注水工藝技術在H 油田應用的適應性較差。

2.2 分層注水技術對比及優選

我國從20世紀60年代開始開展分層注水技術研究，技術水平、應用規模等均處于國際領先地位。到目前為止，經歷了以固定式分層注水、鋼絲投撈式分層注水、電纜測調式分層注水及第四代分層注水技術。

固定式分層注水技術的配水器水嘴無法在井下進行調節，此在調整層段注水量時，需將注水管柱起出，在地面更換配水器的水嘴，作業工作量大，已逐漸被淘汰[11]。鋼絲投撈式分層注水工藝采用鋼絲投撈配水堵塞器或鋼絲井下調整配水水嘴開度的測調方式，形成了活動式分層注水、偏心分層注水、橋式偏心分層注水、同心集成分層注水和橋式同心分層注水等5 種工藝管柱[12-15]。由于橋式偏心分層注水工藝不受分層級數的限制，測試時能夠避免層間干擾，因此其應用規模最廣、適應性最強。電纜測調式分層注水技術的核心是用鋼管電纜代替鋼絲，攜帶井下電動測調儀與偏心配水器的堵塞器對接，通過電力拖動機構實現流量自動調整，無需反復投撈堵塞器。“橋式偏心+電纜測調”分層注水技術大幅提高了測調試的效率，已成為目前中國石油注水井的主體分層注水技術[16]。近年來，研制了以預置電纜式分層注水、波碼通訊數字式分層注水和地面分層注水為代表的第四代分層注水技術，分層注水技術向遠程實時監控和流量自動控制方向發展[17-18]。由于預置電纜式分層注水、波碼通訊數字式分層注水工藝的井下配水器，集成了電機、流量計、壓力計等設備，故障率高，不耐高溫，壽命不超過3年，不適應大排量注水。相比之下，地面分層注水將測試工藝從井下移到地面，井下無配水器，地面電磁閥單層獨自控制流量，大幅提高了注水量及使用壽命。將較為先進的4種分層注水技術對比見表1。

表1 各分層注水技術對比

目前伊拉克H油田采用的活動式同心分層注水工藝屬于鋼絲投撈式分層注水工藝。根據H油田分層注水面臨單井日注水量大、腐蝕結垢風險高、井斜大及安全形勢復雜嚴峻等重大挑戰，綜合對比各分層注水技術的特點以及投資運行成本，優選地面分層注水作為伊拉克H油田的分層注水技術。

3 地面分層注水技術工藝原理及特點

3.1 結構及工藝原理

地面分層注水工藝由地面專用注水井口、遠程監控系統、可鉆橋塞、密封插管和不同規格的油管等組成[19-20]，以二段分層注水為例，其系統組成如圖1所示。

圖1 地面二段分層注水工藝系統組成

地面分層注水工藝是采用可鉆橋塞封隔注水目的層段，在同一井筒內下入兩層或三層同心油管，油管通過地面專用注水井口進行懸掛。每層油管下接密封插管分別與可鉆橋塞插接密封，形成獨立注水通道，各層注水互不影響。地面專用注水井口配套電磁流量計、電磁閥和壓力傳感器，利用物聯網和遠程控制技術，實現遠程實時監測與流量自動控制。

3.2 主要技術參數

層間耐壓為35 MPa；工作溫度≤120 ℃；套管無變形、無損壞、無管外竄；適應生產套管，139.7 mm（5?"）或177.8 mm（7"）套管；適應井深＜3 500 m。

3.3 配套工具

3.3.1 可鉆橋塞

利用可鉆橋塞作為井下層段封隔工具，橋塞主要部件采用復合材料加工。可鉆橋塞根據生產套管尺寸進行設計，以177.8 mm（7"）生產套管內二段分層注水為例，可鉆橋塞的技術參數見表2。

表2 可鉆橋塞技術參數

3.3.2 密封插管

密封插管是可鉆橋塞與油管之間的密封件，密封膠環安裝在密封插管外表面，橋塞與密封插管實現一級泵密封，密封可靠性強。室內實驗結果表明，密封插管安裝密封膠環后，壓力35.5 MPa時，穩壓10 min 壓力不下降。密封插管根據可鉆橋塞尺寸進行設計，以177.8 mm（7"）生產套管內二段分層注水為例，密封插管的技術參數見表3。

表3 密封插管技術參數

3.3.3 井口控制系統

井口控制系統采用模塊化設計思想，具有以下功能：①遠程實時監測油層壓力和注入流量，遠程控制注水量，具有數據存儲、導出等功能，為油層壓力系統評價奠定基礎。②生成嘴后壓力吸水指示曲線，反映真實的油層吸水能力。③可鉆橋塞失效自動報警功能，保證注水有效性。

3.3.4 扶正器

對各層密封插管設計相應的扶正器，保證密封插管在插入可鉆橋塞時處于居中狀態，提高插接的成功率。

3.4 技術優勢

1）注水管柱使用壽命長，避免卡井大修。檢管時只需將油管及密封插管起出，可鉆橋塞不用起出，提高了管柱使用壽命和作業效率。可鉆橋塞失效后可采用專用掃塞工具直接掃掉，保障井筒暢通性。

2）水量調配在地面完成，井下沒有配水器，不存在配水器過流通道過小、水嘴磨損等情況，適應大排量注水。

3）各層注水有獨立的注水通道，各層互不干擾，測調準確率高。

4）實現遠程實時監測與流量自動控制，避免人員頻繁到現場測調試。

4 可行性分析

伊拉克H 油田大部分井的完井方式為177.8 mm（7"）套管固井射孔完井，以下針對177.8 mm（7"）生產套管內二段分層注水進行可行性分析。

4.1 油管強度分析

油管的選擇主要考慮注水段的生產套管尺寸，滿足抗拉強度、防腐性能等要求。以177.8 mm（7"）生產套管內二段分層注水為例，外層油管選擇101.6 mm（4"）加厚油管；為減少注水管柱的摩阻，又能滿足一定的抗拉強度，內層油管選擇60.3 mm（2"）整體接頭油管。內外油管均采用噴涂納米涂層的方式，具有優良的防腐性能。當安全系數取1.8時，外層油管允許下入深度為3 792 m，內層油管下入深度為3 836 m，油管技術參數及下入深度校核見表4。H 油田Mishrif 組平均井深3 200 m，油管下入深度滿足要求。

表4 油管下入深度校核

4.2 注水管柱摩阻分析

4.2.1 沿程摩阻

對于內層油管，管內流體的平均流速：

對于外層油管和內層油管的環空，環空流體的平均流速：

雷諾數：

水的運動黏度υ取1.01×10-6m2/s，當水流量大于79.5 m3/d 時，根據公式，內層油管以及外層油管和內層油管環空的流體雷諾數均大于4 000。因此，注入水的流動狀態為紊流。沿程摩阻系數λ的判別和計算公式見表5。

表5 沿程摩阻系數λ的判別和計算公式

沿程摩阻：

式中：Q為注水量，m3/s；d1、d2分別為內層油管和外層油管內徑，m；υ為流體的運動黏度，m2/s；Δ 為當量絕對粗糙度，對于涂料油管取0.04 mm；λ為沿程阻路系數，無量綱；l為油管長度，m；u為流體平均流速，m/s；hf為沿程摩阻，Pa；ρ為流體密度，取1 050 kg/m3。

4.2.2 局部摩阻

局部摩阻主要是流體經過油管接箍、密封插管與油管之間的環空等處產生的。

過流截面突然增大處的局部摩阻，其局部摩阻損失系數為：

過流截面突然縮小處的局部摩阻，其局部摩阻系數為：

局部摩阻:

式中：A1為小過流截面的面積，m2；A2為大過流截面的面積，m2；ζ為局部摩阻系數，無量綱；hw為局部摩阻，Pa。

4.2.3 總摩阻

注水管柱內流體的總摩阻為沿程摩阻和局部摩阻之和。

伊拉克H油田Mishrif組平均井深3 200 m，本次計算摩阻時油管長度取3 200 m。注水管柱的摩阻計算結果如圖2 所示。可以看出，摩阻隨著注水量的增大而增大；在同一注水量下，內層油管的摩阻大于外層油管與內層油管環空的摩阻。因此，內層油管尺寸不宜過小，在保證一定抗拉強度的情況下，應選擇壁厚較小的油管，以降低內層注水管柱的摩阻。

圖2 注水管柱摩阻

4.3 注水量預測

注水量與地層壓力、地層吸水指數、井口額定壓力及注水管柱摩阻等有關。不同日注水量下，所需的注水壓差和吸水指數的關系如圖3所示。由此可見，在同一注水量下，所需注水壓差隨著吸水指數的增大而減小。

圖3 不同日注水量下的注水壓差和吸水指數

注水量通過反算井口壓力來預測，反算得到的井口壓力應低于油田現場的井口額定壓力。

反算井口壓力：

其中，注水壓差：

式中:Pw為井口壓力，MPa；Pf為地層壓力，MPa；ΔP為注水壓差，MPa；ΔP啟為注水啟動壓差，MPa；h' 為流動阻力，MPa；P液為注入水液柱壓力，MPa；Q注為注水量，m3/d；PI為吸水指數，m3/d/MPa。

伊拉克H油田地層壓力為18.2～26.8 MPa，吸水指數為32.1～179.2 m3/d/MPa，油田現場井口額定壓力為3.45 MPa。因此，預測單層日注水量達到254～859 m3，單井日注水量達到509～1 654 m3。

5 結論與建議

伊拉克H 油田已進入注水開發階段，對分層注水技術需求迫切。針對H 油田分層注水面臨單井日注水量大、腐蝕結垢風險高、注水井井斜大及安全形勢復雜嚴峻等重大挑戰，提出采用地面分層注水技術，并對其適應性進行了論證。結果表明，地面分層注水技術能夠滿足伊拉克H 油田分層注水開發的需求。鑒于伊拉克H油田單井日注水量大、注入水礦化度高，對注水管柱的沖蝕較大，再加上腐蝕結垢因素的影響，注水管柱受力極為復雜。建議前期先進行地面二段分層注水先導試驗，在條件成熟的情況下，再進行三段分層注水試驗研究。