徐濤,劉清友
(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川成都610500;2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500)
油氣工程
大斜度井注水井筒壓力場(chǎng)計(jì)算模型分析研究
徐濤1,劉清友2
(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川成都610500;2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500)
我國(guó)陸上油田為提高采收率而陸續(xù)進(jìn)入注水開發(fā)時(shí)期,采用大斜度井分層注水的作業(yè)方式數(shù)量逐年增加。為研究大斜度井注水管柱井筒壓力分布規(guī)律,建立了井筒壓力場(chǎng)計(jì)算模型,并通過分析注水過程中流體在注水管柱內(nèi)外空間的流動(dòng)過程,得到摩阻系數(shù)作為不定常數(shù)時(shí),流體摩阻引起注水管柱內(nèi)流體壓降變化,最后通過兩口大斜度注水井的管柱數(shù)據(jù),對(duì)已建立的井筒壓力場(chǎng)模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證,得到井筒壓力隨井深的變化曲線,發(fā)現(xiàn)曲線線性度較好,井斜角變化越大而井筒壓力增加越快的規(guī)律,所得壓力數(shù)據(jù)可用于求解注水管柱變形量等其他力學(xué)參量。
注水;大斜度井;壓力場(chǎng);井筒;分析
隨著近些年我國(guó)油田開發(fā)陸續(xù)進(jìn)入中后期,為提高現(xiàn)有已開發(fā)油田的采收率,需要應(yīng)用分層注水工藝技術(shù)增加地層壓力,隨著大斜度井技術(shù)的應(yīng)用,大斜度井內(nèi)分層注水作業(yè)數(shù)量也在逐年增加[1,2]。由于大斜度井具有井斜大、水平位移長(zhǎng)和井身剖面復(fù)雜的特點(diǎn)(見圖1)。在大斜度井中進(jìn)行分層注水作業(yè)時(shí),會(huì)遇到分注管柱起下困難、管柱強(qiáng)度失效、封隔器密封效果差等問題,直接影響到管柱的安全可靠性和油田的正常生產(chǎn)作業(yè)。
圖1 大斜度井井身結(jié)構(gòu)示意圖
對(duì)于管柱壓力場(chǎng)的研究,曾志軍等[3]建立了高溫高壓天然氣測(cè)試井預(yù)測(cè)井筒流體壓力、溫度分布的綜合數(shù)學(xué)模型;何祖清等[4]利用直筒內(nèi)單相流體理論對(duì)注水井管柱的壓力場(chǎng)進(jìn)行了研究;戚斌等[5]建立起氣井井筒氣體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)壓力、溫度、流速及密度分布的數(shù)學(xué)模型,研究管柱變形情況。
井筒壓力可能使管柱產(chǎn)生鼓脹、螺旋彎曲等四種變形效應(yīng)[6],研究井筒壓力分布規(guī)律,并建立壓力場(chǎng)計(jì)算模型,可將計(jì)算壓力值作為已知數(shù)據(jù)用于求解管柱變形量,對(duì)研究大斜度井管柱變形和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有基礎(chǔ)作用。
大斜度井注水管柱在注水過程中,由于管內(nèi)液體的存在使流體密度的變化極小,可忽略井筒內(nèi)由于動(dòng)能引起的壓降,僅考慮井筒內(nèi)流體摩阻、井斜角和液體重力作用產(chǎn)生的壓力變化。注水過程中井筒內(nèi)考慮單相液體的流動(dòng),可建立起井筒液體壓力場(chǎng)的動(dòng)量方程為:
式中:τ-井筒流體流動(dòng)摩阻系數(shù),與井深有關(guān);ρ-流體密度,kg/m3;α-井斜角,°;g重力加速度,N/kg。
利用注水管柱邊界條件和注水工況初始條件對(duì)(1)式進(jìn)行積分運(yùn)算,可求得注水管柱井筒壓力沿井深的分布規(guī)律如下:
其中P0為初始注水壓力。
由于摩阻系數(shù)τ作為不定常數(shù)考慮,則需要分析井筒流體的水力摩阻損失,間接得出由流體摩阻引起注水管柱內(nèi)的流體壓降。
在大斜度井注水管柱進(jìn)行注水過程中,流體在注水管柱管內(nèi)、注水管柱兩接箍間環(huán)空間隙內(nèi)和注水管柱接箍處的流動(dòng)過程中,都將產(chǎn)生水力摩阻損失。
圖2 流體運(yùn)動(dòng)分析圖
根據(jù)圖2的流體運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果,對(duì)于注水管柱內(nèi)流體流動(dòng)的水力摩阻損失h1為:
其中:系數(shù)δ與管內(nèi)流動(dòng)流體的流態(tài)有關(guān),管柱內(nèi)流態(tài)一般處于混合摩擦區(qū),則δ取值為:
圖3 流體在注水管柱外流動(dòng)分析圖
注水過程中,流體在注水管柱兩接箍間環(huán)形空間內(nèi)的流動(dòng)為紊流(見圖3),而環(huán)空紊流流動(dòng)的水力直徑為:
式中:A1-注水管柱環(huán)空間隙流體截?cái)嗝婷娣e;L1-注水管柱環(huán)空間隙流體截?cái)嗝鏉裰堋?/p>
采用與管內(nèi)流體相類似的方法,得到注水管柱兩接箍間與套管環(huán)空紊流的水力摩阻損失h2為:
在圖3所示的注水管柱接箍處,流體流經(jīng)該處的流動(dòng)狀態(tài)可描述為:流體在兩接箍間的環(huán)空紊流狀態(tài)在靠近接箍處時(shí),由于接箍外表面的阻擋使環(huán)空面積突然縮小,使流體流動(dòng)面先減小而增大,流速也產(chǎn)生變化,然后再沿著接箍與套管環(huán)空進(jìn)行流動(dòng),此過程產(chǎn)生的水力摩阻損失h3-1為:
流體在接近接箍尾端時(shí),流動(dòng)面突然增加,使流體逐漸流過接箍:此過程產(chǎn)生的水力摩阻損失h3-2為:
綜合上述(3)式-(8)式,大斜度井在注水過程中,流體在注水管柱內(nèi)、管柱兩接箍與套管環(huán)空間和管柱接箍處因流體沿程水力摩阻損失,導(dǎo)致注水管柱內(nèi)流體總壓降為:
依據(jù)大斜度井注水井筒的壓力場(chǎng)計(jì)算模型,使用VB語(yǔ)言完成計(jì)算程序的編譯,并使用該計(jì)算程序?qū)δ秤吞锏腁、B兩口大斜度注水井進(jìn)行井筒壓力場(chǎng)的計(jì)算,兩口井的基本參數(shù)(見表1),井斜角參數(shù)變化(見圖4),井筒壓力計(jì)算結(jié)果(見圖5)。
表1 兩口大斜度井基本參數(shù)表
圖4 兩口井井斜角參數(shù)變化圖
圖5 兩口井井筒壓力變化趨勢(shì)圖
通過實(shí)際算例對(duì)大斜度井注水管柱壓力場(chǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證得到,井筒壓力隨井深變化曲線(見圖5),曲線線性度好,未出現(xiàn)較大偏差點(diǎn),同時(shí)通過井斜角變化規(guī)律分析可得,井筒壓力曲線在1 000 m井深處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),壓力增速減緩,井斜角變化越大,井筒壓力增加越快。
通過考慮注水過程中井筒內(nèi)流體摩阻、井斜角和液體重力作用,建立起注水管柱井筒壓力場(chǎng)計(jì)算模型;通過分析注水過程中流體在注水管柱管內(nèi)、注水管柱兩接箍間環(huán)空間隙內(nèi)和注水管柱接箍處的流動(dòng)過程,得到摩阻系數(shù)τ作為不定常數(shù)時(shí)流體摩阻引起注水管柱內(nèi)的流體壓降變化;最后通過兩口大斜度注水井進(jìn)行算例驗(yàn)證,得到井筒壓力曲線線性度較好,井斜角變化越大,井筒壓力增加越快的規(guī)律。
[1]肖國(guó)華,宋顯民,王瑤,等.南堡油田大斜度井分注工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油機(jī)械,2010,38(3):60-63.
[2]齊德山,吳建朝.分層注水工藝管柱存在問題分析及防治[J].斷塊油氣田,2002,9(2):83-85.
[3]曾志軍,胡衛(wèi)東,劉竟成,等.高溫高壓深井天然氣測(cè)試管柱力學(xué)分析[J].天然氣工業(yè),2010,30(2):85-87.
[4]何祖清,劉清友,王國(guó)榮,等.注水管柱壓力場(chǎng)計(jì)算模型研究[J].石油機(jī)械,2007,35(3):14-15.
[5]戚斌,喬智國(guó),葉翠蓮,等.壓力溫度數(shù)值模擬在管柱變形計(jì)算中的應(yīng)用[J].天然氣技術(shù),2009,3(3):57-60.
[6]鄭新權(quán),陳中一.高溫高壓油氣井試油技術(shù)論文集[C].北京:石油工業(yè)出版社,1997.
Analysis of high angle well water injection wellbore pressure calculation model
XU Tao1,LIU Qingyou2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu Sichuan 610500,China;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploration,Southwest Petroleum University,Chengdu Sichuan 610500,China)
Our country onshore oil fields to enhance oil recovery and gradually into a period of water injection development,the practices number that using high angle well to separate layer water flooding number increases year by year.For the study of high angle wells water injection string wellbore pressure distribution,wellbore pressure calculation model is established,and through the analysis of flow process of fluid in the injection string inside and outside space in the process of water injection,get fluid friction caused by changes in fluid pressure drop in the water injection string when the friction coefficient as indefinite constant,to calculate and verificate the wellbore pressure field model that has been established by two high angle of water injection string data,get the wellbore pressure curve along with the change of depth and find that the curve linearity is better and the greater the inclination changes,the faster wellbore pressure increases,the pressure data can be used to solve the injection string deformation and other mechanical parameters.
water injection;high angle well;pressure field;wellbore;analysis
10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.004
TE357.62
A
1673-5285(2015)06-0012-04
2015-04-01
國(guó)家科技重大專項(xiàng),項(xiàng)目編號(hào):2011ZX05050。
徐濤,男(1989-),漢族,四川閬中人,碩士研究生,研究方向?yàn)橛蜌庋b備現(xiàn)代設(shè)計(jì)與仿真研究。