海上油田分層防砂分層注聚技術工藝優化

2024-03-29 09:50:34張雪梅張劍賀啟強車傳睿任從坤石瓊

石油機械 2024年3期

張雪梅張劍賀啟強車傳睿任從坤石瓊

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院)

0 引言

為解決勝利海上油田大斜度分注井測調易遇阻遇卡、測調難度大及成功率低等問題，勝利石油工程技術研究院研發了海上雙管分層注水技術。該技術延長了注水管柱使用壽命，提高了分層可靠性，在海上油田大斜度井和2層分注井中得到了推廣應用[1-8]。但是，隨著海上油田對主體規劃實施化學驅開發，現有的雙管注水技術對于注聚存在著諸多不適應：原有的精密濾砂管對聚合物剪切大、堵塞嚴重，環空安全閥過流通道易堵塞，液控封隔器壓差大，注聚分層密封能力有待提高等，影響了分層注聚效果。2012年3—5月在勝利海上埕島油田試驗了4口井的雙管分層防砂分層注聚，采用了直縫型注聚篩管和雙控安全閥[9-11]，但是該篩管無中心基管，在通井刮管時容易刮壞鋼絲造成防砂失效，繞絲沿軸向直列焊接在基管上，現場接受程度不高，雙控安全閥結構復雜容易失效，因此該管柱沒有得到推廣。目前陸地油田注聚井一般采用化學防砂，有效期2～3年。雙管分注管柱沒有井下安全控制裝置，不能滿足海上安全生產要求[12]。中海油注聚井采用了原井礫石充填防砂，注聚后地層容易堵塞，解堵工作量大，對聚合物剪切大[13-14]；注聚多采用同心多管分注工藝，但是沒有海上井控安全裝置且無法洗井。總之，原有的雙管分層防砂分層注聚技術無法滿足勝利海上低剪切、防堵塞、長效注聚需求。為此，本文以現有勝利海上雙管注水管柱為基礎，對注聚篩管、環空安全閥及液控封隔器開展優化研究，形成了適合海上油田的雙管寬流道分層防砂分層注聚管柱，可使井筒黏度保留率達93%。

1 技術概況

1.1 管柱

海上雙管分層防砂分層注聚管柱包括注聚防砂管柱和雙管注聚管柱，2種管柱配合使用，結構如圖1所示。注聚管柱由相互獨立的外管和內管組成。外管自下而上分別為?73.0、?101.6和?127.0 mm油管，其中：?73.0 mm油管連接絲堵、打孔篩管、液控分層封隔器及定位接頭等；?101.6 mm油管連接內密封工作筒、篩管、環空安全封隔器和變扣；?127.0 mm油管連接環空安全閥和懸掛器。內管自下而上為?60.3 mm油管連接模塊化密封下插頭、模塊化密封上插頭和油管安全閥。注聚防砂管柱主要由懸掛封隔器、注聚篩管及分層封隔器組成。

圖1 海上雙管分層防砂分層注聚管柱

1.2 工作原理

管柱主要包括低剪切注聚防砂系統、井下安全控制系統、密封分層系統3大部分，具備低剪切防砂注聚、安全控制、分層注聚、反洗井等功能。井下安全控制系統由油管安全閥、環空安全閥和液控環空安全封隔器組成，形成全方位的安全控制；密封分層系統由液控封隔器、模塊化密封插頭和密封工作筒等組成，模塊化密封上、下插頭分別定位在密封工作筒和環空安全閥處，通過地面液壓管線加壓坐封環空安全封隔器和液控分層封隔器，實現分層注聚。反洗井時保持環空安全閥開啟，液控分層封隔器地面液壓管線泄壓，膠筒縮回，讓出洗井通道；反洗井水從內外管環形空間流入，從打孔篩管流出，經過外管下端篩管流入內管，最后返出。

1.3 技術特點

(1)與雙管注水管柱相比，注聚管柱的流動通道至少增加3倍，保障大排量、低摩阻安全注入。

(2)采用液壓獨立坐/解封方式，實現分層注聚、解聚過程中的可靠層間封隔。

(3)特殊低剪切濾砂管結構設計和雙疏涂層有效地降低管柱剪切，增強流通性能。

1.4 技術指標

適應套管≥?77.8 mm，分注層數2層，單層最大配注量500 m3/d，層間壓差≤10 MPa，解堵壓差≤21 MPa，耐溫≤120 ℃，井筒黏度保留率≥90%。

2 關鍵工具研制及優化

2.1 低剪切注聚濾砂管的研制

海上油田作業費用高，為延長管柱壽命，勝利海上注聚井采用了機械篩管防砂。但是原水井采用的精密濾砂管由打孔基管、多層金屬濾網和外保護套組成。在注聚過程中，當聚合物溶液從井底流入濾砂管的縫隙或孔眼時，過流面積突然變小，流進的地方出現尖銳結構，聚合物大分子受到拉伸，部分分子線團或拉斷，或在小孔處滯留，致使溶液黏度有所損失。長分子鏈聚合物在多層篩網上纏繞、吸附容易導致井下堵塞，從而影響注入長效性。為此，開展了聚合物過濾砂管剪切及防砂性能綜合評價試驗[15]，優選適合埕島油田注聚井的防砂篩管縫形和擋砂精度，以研制出低剪切濾砂管。

2.1.1 結構

注聚篩管主要由過濾層(橫絲)、加強筋(縱筋)、帶孔內基管及外保護套組成(見圖2)。繞絲橫斷面均采取圓弧形狀，減少尖角對聚合物的剪切，有利于聚合物通過。為了減少聚合物繞流引起的剪切，基管的打孔數由每米160 孔增加為300 孔。

圖2 低剪切注聚篩管結構圖

2.1.2 工作原理

根據聚合物黏彈性流體遇阻呈現連續擴縮的特性，聚合物經過繞絲防砂層縫隙時，由于過縫后外部環空面積增大，聚合物形態得到恢復，隨著單位聚合物流速的降低，聚合物溶液的剪切降解率也會降低，但聚合物黏度保留率變高。與精密濾砂管相比，黏度保留率提高4%～5%。試驗結果如圖3所示。

圖3 精密濾砂管和注聚篩管剪切試驗

不銹鋼絲縫形采用里窄外寬設計，鋼絲橫向排布，聚合物溶液中的雜質不易通過繞絲層；停注時地層砂返吐堆積在縫隙處，注聚時很容易將堵塞物推離而不堵塞篩管；繞絲層內部有中心基管，外部有保護套，有效避免了在海上大井斜條件下篩管損壞或縫隙變形，提高了防砂質量。

2.1.3 雙疏涂層研制

為了進一步減小水、聚合物等流動阻力，研發了雙疏涂層技術[16]。采用硅烷偶聯劑GPTMS和APTES與疏水劑端羥基PDMS反應，合成了含大量硅鏈聚合物，涂敷在金屬表面。涂層中Si元素質量分數達22.62%，涂敷篩管具備優異的防黏附性能，提高流通量25%～40%，有效地降低了篩管堵塞程度。原油在改性處理后的金屬管壁流動示意圖如圖4所示。

圖4 原油在改性處理后的金屬管壁流動示意圖

2.2 環空安全閥的優化

環空安全閥是控制注聚內外管環空開啟和關閉的重要工具。該工具通過液壓控制管線實現環空通道的開啟與關閉，當需要注聚時，地面控制柜打壓，活塞推動活塞推拉套及滑套中心管下移，從而實現滑套中心管與轉換套上注聚通道的聯通。當出現緊急情況時，地面關閉液壓通道，環空安全閥在彈簧作用下活塞推拉套及滑套中心管迅速回彈，實現環空通道的安全控制。在注聚時，為降低環空安全閥對聚合物的剪切及堵塞，保證流動暢通，對其進行了以下優化。①傳壓孔由?30 mm擴大到?50 mm，過流面積擴大2.8倍；環空間隙面積由1 205 mm2增加到3 973 mm2，過流面積擴大3.3倍，實現了聚合物的高效流通。②針對前期應用中心管組合密封易磨損的情況，優化改進密封形式，環空安全閥下中心管密封段和內管密插形成配合密封結構，保證了內外管相互隔離密封的可靠性。③設計備用環空注聚通道，確保在液控管線加壓無法開啟注水通道的情況下，依然能夠通過其他方式打開備用環空注水通道，實現正常注聚。優化后的環空安全閥結構如圖5所示。經室內綜合性能評價，環空安全閥液控系統和反向密封性能良好，符合API標準要求，流量220 m3/d注入時壓差僅0.9 MPa；出口黏度損失微小，僅為1%～2%，保障了大排量、低摩阻安全注入。

1—活塞套；2—活塞；3—活塞推拉套；4—滑套中心管；5—彈簧；6—轉換套；7—接頭；8—連接帽；9—下中心管；10—下外筒。

2.3 小直徑液控分層封隔器優化

聚合物在井底受溫度、壓力等環境影響，容易與地層流體發生反應形成老化聚合物，堵塞地層及管柱，影響注聚效果。為滿足配注，需要定期開展酸化解堵作業，單層解聚密封壓差達到20 MPa；再者，現有部分井的液控封隔器服役3 a后仍存在解封差、洗井難等問題[17]。為此，開展了相應的技術改進。①原有液控封隔器坐封活塞為一級，工作壓力高，壽命難以保證；改進后的液控封隔器采用雙級液壓缸及四膠筒機構，封隔器坐封活塞面積由2 941 mm2增加到5 231 mm2，增加了0.78倍，降低了封隔器工作壓力，延長了封隔器工作壽命。②四膠筒設置在連接套兩端，實現雙向密封，增加密封可靠性；通過仿真模擬分析軟件，優化膠筒工作參數，改善膠筒應力分布，使膠筒肩部受力減小12.6%，如圖6所示。③膠筒外徑由104.0 mm優化至102.0 mm，解封后環空面積增大1.5倍，實現大流道洗井目的。

圖6 密封膠筒應變模擬圖

改進后的液控封隔器如圖7所示。由地面液壓管線泵入液壓油，液壓油擠壓坐封活塞剪斷坐封剪釘后繼續擠壓密封膠筒，實現封隔器可靠坐封，當井口管線泄壓時，封隔器膠筒彈性復位，實現解封，由此可以滿足后期大排量反洗井需求。

1—膠筒；2、5—二級活塞；3、6—一級活塞；4—膠筒。

優化后開展了室內密封試驗。試驗結果如表1所示。試驗結果表明，液控分層封隔器能夠滿足最大注入壓差21 MPa現場密封、解聚等要求。

表1 液控壓縮式封隔器驗封試驗數據

3 現場應用

2019年8月—2023年7月，優化后的雙管分層防砂分層注聚技術現場應用35井次，最大井斜64.51°，最大下深2 940 m，施工成功率100%。其中：外管最小注入壓力1.13 MPa，最大注入壓力11.59 MPa；內管最小注入壓力0.1 MPa，最大注入壓力10.9 MPa；內外管最大注入壓差11.45 MPa，滿足配注要求。低剪切注聚篩管比常規篩管注入壓力低1.1 MPa，壓力對比如圖8所示。從圖8可知，應用效果良好。

圖8 低剪切濾砂管和精密濾砂管注入壓力對比

以埕島油田注聚井A為例，該井完鉆井深為2 729 m，井斜64.51°，配注量分別為130、80 m3/d。完井選用同心雙管寬流道分注工藝，分層采用液控封隔器，采用改進后的環空安全閥，降低剪切堵塞的同時可高效注聚。該井2021年10月開始注聚，日注入量260 m3，累計注聚108 619 m3，平均層間壓差1.8 MPa，最大層間壓差9.7 MPa，零套壓生產。截至2023年7月，分層注聚管柱有效運行，內外管壓力變化如圖9所示。