致密儲層水平井增能注采芯子的設計及應用分析

盧 革

（中國石油新疆油田公司風城油田作業區，新疆克拉瑪依 834000）

水平井體積壓裂已成為致密儲層開發的主體技術，體積壓裂后采用衰竭式開發，油藏采收率較低，提高致密儲層采收率的增能技術已成為決定油藏開發經濟性的關鍵。對于無法建立有效驅替的低滲、超低滲透致密儲層，利用水補充能量、油水置換、基質滲析、重力分異，提高基質動用程度的水平井注水吞吐已成為補充地層能量的有效手段[1]，可提高采收率3%～4%。電纜測調的橋式偏心、橋式同心分注工藝僅適用于直井[2-4]，水平井分注一直是業界難題[5-7]。

國內水平井主要采用連續油管投撈的空心配水分注工藝技術，即注采器、封隔器全部下入水平段，受空心注采器結構所限，各級注水芯子的投送、打撈需全部采用連續油管由上至下依次進行，各級水量測試仍采用連續油管，存在作業工序復雜、現場投撈工作量大、連續油管費用高等問題。有效降低水平井注采一體化工藝的生產強度、成本，成為致密儲層增能技術發展的關鍵。

1 水平井分注吞吐工藝設計

1.1 管柱結構設計

致密油水平井分注吞吐管柱結構（見圖1），自下而上由導向頭、帶孔短節、球座、Y441 封隔器、注采器、Y441 封隔器、伸縮管、滑套組成，油管采用Φ73 mm 外加厚油管。設計采用鋼絲車進行注采芯子打撈與投送，管柱可實現水平井不動管柱分兩段注入或采出。

圖1 致密油水平井分注吞吐管柱結構

1.2 注采器結構設計

注采器包括外工作筒（與油管相連）和注采芯子，結構（見圖2）。注采芯子可投撈，注采芯子上下端分別接流量計以利于上下層流量計量。注采芯子將油管注入流體分為兩路，一路經油管進入注采芯子、經上層節流嘴從上出口流出、注入水平段前端，另一路流經外工作筒橋式通道繞過上層出液通道，從注采芯子下端入口重新流入注采芯子，經下層節流嘴進入油管、注入水平段后端。通過上下層節流嘴孔徑大小控制水平段前后端流量，燜井后直接采用原管柱及注采芯子實現吞吐采出。

圖2 注采器結構

1.3 注采芯子脫開器設計

注采芯子上下端接流量計等電子元器件，為防止井口投入導致電子元件損壞或注采芯子局部結構發生變形，設計脫開器對注采芯子進行定點脫開投放，脫開器結構（見圖3）。鋼絲連接脫開器繩帽，脫開器壓舌連接注采芯子，鋼絲快速下放急停時注采芯子在慣性力作用下繼續下行，在注采芯子重力及慣性作用下壓縮緩沖彈簧，壓舌后端限位騰出，壓縮彈簧向上彈開壓舌，下部注采芯子脫開，實現在井筒指定位置的有效丟手。

圖3 脫開器結構

2 注采芯子下落分析模擬

2.1 下落最大速度確定

注采芯子下落過程中受四種力作用：重力、浮力、注采器下落過程中運動阻力（尾部渦流的拖拽力）及注采芯子與管壁接觸的摩擦力。注采芯子和井筒壁接觸時間極短，為0.000 1～0.000 27 s，一旦注采芯子與油管壁接觸即會瞬間分開，且注采芯子與油管壁間有液體作為潤滑劑，摩擦系數極低，故可忽略摩擦力的影響。

重力：G=mg

浮力：Fv=gρwV

其中注采器與流量計總質量為m=9.55 kg、重力加速度g=9.8 m/s2、水密度ρw=1.0×103kg/m3，V 為注采器加流量計的總體積。

運動阻力Fr：注采器和流量計下降過程產生大量渦流，形成與運動方向相反的拽力，力的大小與雷諾數相關，具體形式為：

其中：Cd-阻力系數；Aeff-有效阻力面積；v-流速，阻力系數與雷諾數相關，其關系（見圖4）。

圖4 阻力系數和雷諾數關系

注采芯子下落過程是一個初速度為零的變加速運動，初始加速度為重力加速度。下落過程運動阻力隨流速的增加而增大，直到合力為零時，加速度為零，此時下落速度達到最大值。

合力表示為：

最大速度（下落極限速度）為：

目前注采器與流量計主要材質為鋼，密度為ρsteel=7 600 kg/m3。

在雷諾準數最大的情況下，流體的阻力系數最低，最小的阻力系數Cd=0.2，對應雷諾數范圍是Re∈［106～107］。有效阻力面積取決于注采器與流量計在井筒內運動的位置，理想情況是注采器芯子與流量計沿井內中心位置垂直運動。實際流動情況存在一定傾角，阻力面積要比理想情況大一些，即Aeff=γA，系數γ 介于1～1.1。

從而得到最大速度：

2.2 下落過程距離-速度，時間-速度確定

采用FLUENT 軟件的6DOF 模型完成注采芯子沿油管下落分析模擬，獲得注采芯子沿井筒運行距離-速度、運行時間～速度關系（見圖5，圖6）。下落運行70 m時，達到最大速度15.3 m/s，所需時間7 s。

圖5 注采芯子在井內運行速度分布規律圖

圖6 注采芯子投擲時間與行動速度關系

2.3 下落沖擊有限元分析模擬

分析6 m/s、6.7 m/s、7 m/s、10 m/s、15 m/s 坐入初速度沖擊底端工作筒，統計坐入時間、沖擊力、殘余速度關系（見表1），為保證注采芯子順利坐入工作筒，同時沖擊力較小，避免電子元件損壞，選擇9.6 m 下落距離即初始坐入速度為7 m/s 時下落作為設計基準，沖擊力205 kg。

表1 不同坐入初始速度條件下速度、時間和沖擊力分布

3 現場應用

3.1 室內實驗

為驗證計算及軟件模擬結果的準確性，將工作筒分別連接在5.6 m、9.6 m 油管底端后下入模擬井中，井筒及油管內灌滿清水，將注采芯子+流量計分別由地面投放。實驗結果：5.6 m 投放距離無法坐入，9.6 m 投放距離芯子能夠順利坐入工作筒，流量計數據回放正常。

3.2 現場應用

X2 井是一口水平吞吐井，井深4 205 m，造斜點2 517 m，A 點：2 698 m，B點：4 205 m。分注吞吐管柱結構自下而上分別為：導向頭、打孔管、球座、Y441 封隔器（2 400 m）、油管注采工作筒（2 420 m）、Y441 封隔器（3 451.1 m）、伸縮管、滑套。地面鋼絲車連接脫開器+注采芯子+流量計，下至注采器上端9.6 m 后丟手，注采芯子+流量計自由下落至工作筒。流量測量結果表明注采芯子下落受力分析模擬與室內實驗結果吻合、真實可靠。

地質配注要求全井水量80 m3/d，第一段水量50 m3/d，第二段30 m3/d。流量驗證結果顯示，全井注水量為79.6 m3/d，第一段實際注入量為49.3 m3/d（誤差-1.4%），第二段實際注入量為30.3 m3/d（誤差1%）。各層水量滿足注水規范誤差要求，配注合格。全井注水量82.4 m3/d 時，上層注水量為31.4 m3/d（設計配注量30 m3/d），下層注水量為51.0 m3/d（設計配注量50 m3/d）。采用鋼絲投撈工藝技術，完成水平井吞吐增能應用6 口，現場成功率100%，為致密儲層水平井增能，低成本高效開發提供可能。

4 結論

（1）完成一種致密儲層水平井分注（吞吐）注采工藝結構設計，滿足兩層分注與分采同時控制要求，為致密儲層水平井增能提供工藝基礎；

（2）采用理論計算與軟件模擬相結合的方式，計算注采芯子最大下落速度15.3 m/s，運行距離70 m；下落距離9.6 m，坐入初速度7 m/s 條件下能夠實現注采芯子穩定坐入，同時沖擊力相對較小，室內實驗結果與計算結果吻合；

（3）現場應用表明，9.6 m 脫開距離條件下，脫開器工作穩定，流量計測試正常，注采芯子工作良好，各層注水量滿足配注要求。