化学环空封隔材料定点挤注配套工艺研究

王润宇，万小进，周泓宇，杨 明，程利民

(中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057)

南海西部油田水平井多采用筛管完井，预制管外封隔器，采用中心管+插入密封方式进行控水。当出现管外封隔器失效或中心管控水能力不足的情况时，化学环空封隔材料(ACP)能够在筛管外环空形成一道非渗透高强度阻流环，实现裸眼管外封的功能[1]。再配合中心管+封隔器，可以有效地对出水层位进行封堵[2-3]。本文针对化学环空封隔材料的性能特点[4-6]，设计注入管柱，并在此基础上，开展注入工艺参数设计与优化研究，主要包括：注入工艺参数设计(如：注入量、段塞、注入速度等)、注入工具优选(如：封隔器、注入阀等)、注入管柱优化。在注入工具优选的基础上，结合现有注入工艺，进行注入管柱优化研究。

1 化学环空封隔材料配套工艺研究

1.1 注入参数

1)注入体积 针对裸眼完井以及砾石充填完井，注入量可以按照式(1)计算：

V=a×(R2×r2)×10-6×π×L×φ×n

(1)

式中，V为注入体积，m3；a为保障系数，无因次；R为井筒半径，m；r为筛管外半径，m；L为ACP段塞长度，m；φ为砾石孔隙度(裸眼完井按照100%计算)，%；n为工艺系数。

其中，考虑到地层吸收(泥岩)、油管与筛管环空、筛管上筛网孔隙、ACP材料的前后稀释量等原因，工艺系数一般取1.2～1.8。根据现场施工经验及抗压要求：ACP设计长度一般在20～30 m。

2)注入段塞 针对ACP的特点，优化ACP段塞设计如表1所示。

表1 ACP段塞设计

3)注入速度 室内实验发现，排量会影响剪切速度和压力，同时考虑双封/三封注入工艺优势，在平台限压范围内，注入速度一般为200～400 L/min。

4)注入压力 精密复合筛管完井的井筒以上述的排量对应的压力一般在5～10 MPa。施工最大压力不超过20 MPa。

P注=0.8P破-P液+64/Re×h/r×u2×ρ/106+Ph

(2)

式中，P注为最大挤注压力，MPa；P破为破裂压力，MPa；P液为液柱压力，MPa；Ph为附加压力，MPa(筛管摩阻)；Re为雷诺数，无因次；r为管通径，m；h为垂深，m；u为线速度，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；μ为流体黏度，mPa·s。

1.2 注入工具

为了实现ACP的定点、定量注入，需配套专用的注入工具。水平井化学环空封隔配套注入工具主要包括：K344封隔器、注入阀、打孔管、单流阀、空心圆堵等，如图1所示。

K344膨胀式封隔器：密封裸眼筛管内部的流动通道，保证注入的药剂进入设计位置的裸眼环空。油管打压至封隔器的坐封压力，胶筒外径扩张，与套管形成密封，需要解封时，停止打压，等待胶筒自行回缩，或者套管反洗井，迫使胶筒回缩，封隔器自行解封。

注入阀：提供所注的液体进入目的层段的通道。油管打压至开启阀的开启压力时，开启阀推动弹簧向右移动，开启阀开启，注入液体从本体上的出液孔经本体与开启阀的环形空间流出；停止打压，开启阀在弹簧的弹力下自行关闭。

单流阀：井筒中的液体可以进入注入管柱内，但注入管柱的液体不会自行流入井筒。在注入管柱下井过程中，需要井筒的液体流入注入管柱中，否则井筒内的液体对注入管柱会产生较大的浮力，致使管柱难以下井，同时存在井控风险。而需要注剂时，单流阀起到堵头的作业，管柱内能憋压，从注入管柱加压至一定压力时，封隔器坐封，继续升压，注入阀打开，药剂流入目的层段。

1.3 注入管柱

1)裸眼完井水平井 针对裸眼完井水平井，挤注的ACP将优先在裸眼环空空间内置放，发生药剂绕流窜回筛管内的可能性较小，推荐采用双封注入工艺，如图2所示。

2)砾石充填完井水平井 ACP在多孔介质中的运移阻力为0.70 MPa左右，而通过筛管发生绕流的临界压降为0.1～0.8 MPa。因此，在砾石充填完井条件下，泵注的ACP有发生绕流的可能。所以针对砾石充填完井水平井，推荐采用三封/四封注入工艺，如图3所示。该注入工艺可以有效减少ACP回流至井筒的风险，保障其在外环空能形成足够长度的封隔。

1.4 单趟管柱注入/验封工艺

使用油管依次连接定位接头、配长油管、K344封隔器1、K344封隔器2、定压阀、打孔管、K344封隔器3、单流阀、圆堵下入井筒。连接地面管线后，先进行反循环，进行正挤注测试后正挤暂堵液。上提管柱至挤注位置(依据定位接头精准定位)，按优化注入段塞开启挤注作业，期间注意防止过顶替，过程如图4a所示。随后进行反洗候凝步骤：将挤注管柱上提至圆堵底深超过顶部封隔器，进行反洗井。待无ACP材料残渣返出，以ACP现场固化实验结果进行候凝，如图4b所示。待ACP材料固化，将该管柱下入原挤注位置(依据定位接头精确定位)，连接正循环管线进行打压测试验封，根据ACP挤注长度，进行上提下放管柱操作，对井筒进行多次径向验封操作，如图4c所示。待验封合格，可以起出管柱，下入中心管进行多层分采。按照上述过程依次可以实现ACP挤注、反洗井、候凝、验封过程。

2 现场应用效果分析

目标水平井于2020年投产，8-1/2″裸眼下入4-1/2″预充填筛管+4-1/2″管外封隔器分段控水。投产初期，含水率迅速由81%上升至92%，采出程度很低。通过油藏分析得到出水层位后，进行过一次控水作业：利用完井预制的管外封隔器，采用中心管+插入密封方式控水。措施后无生产动态变化，认为该井管外封隔器存在蹿漏，导致含水高、产油量低。2021年4月，采用ACP管外封隔+ACP管内封堵控水，实现了对水层的有效封堵。措施后，日增油71.2 m3，含水率下降20.8%。因此，该工艺是一种治理筛管完井水平井出水行之有效的工艺手段，具有良好的现场推广价值。

3 结论

1)针对化学环空封隔材料配套注入工艺进行了研究，包括注入参数、注入工具、注入管柱等，为工艺设计提供了理论依据及合理建议；

2)ACP注入量设计长度一般在20～30 m，考虑到地层吸收(泥岩)、油管与筛管环空、筛管上筛网孔隙、ACP材料的前后稀释量等因素，实际设计用量按计算值增加20%～80%。段塞设计包括前置液、ACP、后置液、顶替水。在平台限压范围内，注入速度一般为200～400 L/min。精密复合筛管完井的井筒以上述的排量对应的压力一般在5～10 MPa。施工最大压力不超过20 MPa；

3)针对裸眼完井水平井和砾石充填完井水平井进行注入管柱设计，分别采用双封注入工艺和三封/四封注入工艺；

4)优化注入工艺，使用一趟管柱完成挤注、洗井、验封全部功能，减少作业工序，节约作业成本，同时保证了作业效果，具有广泛的推广价值。