海上油田井口安全注水压力研究

张凤辉 徐兴安 薛德栋 张洁茹

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457）

海上油田井口安全注水压力研究

张凤辉 徐兴安 薛德栋 张洁茹

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457）

引用格式：张凤辉，徐兴安，薛德栋，等.海上油田井口安全注水压力研究［J］.石油钻采工艺，2015，37（6）：83-85.

注水井最大井口注水压力主要与地层破裂压力、井深、沿程压力损失和水嘴压力损失有关，若井下注水压力超过地层破裂压力则会造成地层出现微裂缝，影响注水作业安全。在总结分析分层注水压力影响因素的基础上，确定了井口安全注水压力计算方法，并针对海上油田常用的4种注水管柱形式，开发了井口安全注水压力计算软件，该软件的推广应用对于指导海上注水作业、保障注水安全具有重要意义。

注水压力；地层破裂压力；沿程压力损失；水嘴压力损失；注水安全

目前渤海油田注水开发区块30余个，注水井500余口。不同区块地质情况不同，区块间地层压力存在差异。在日常注水作业过程中，井口注入压力过高，将导致井下注水压力超过地层破裂压力，地层出现微裂缝，注入水沿裂缝延伸方向流动，影响水驱效果；极端情况下，注入水沿裂缝窜至其它层位，引发注水安全风险［1-2］。在对注水压力影响因素分析的基础上，确定了计算井口安全注水压力的方法，并针对海上油田空心集成、一投三分、同心分注、地面分注四种分层注水管柱形式编制了井口安全注水压力计算软件［3-5］。该软件的应用对评估井口注水压力是否合理、指导注水作业、保障注水安全具有重要意义。

1　注水压力影响因素

注水过程中压力影响因素主要包括：沿程压力损失、局部压力损失和水嘴压力损失。

1.1注水沿程压力损失

注水井沿程压力损失可以由达西—威斯巴哈公式确定［6］

式中，Pm为沿程压力损失，Pa；λ为水力摩阻系数，无量纲；L为注水管柱长度（斜深），m；D为管柱内径（流经管柱为非圆界面时指当量直径），m；ν为液体流速，m/s；ρ为注水速率，m3/s。

1.2局部压力损失

局部压力损失为注水管柱内通径突缩或突扩产生的压力损耗，管径突缩计算公式为

管径突扩计算公式为

式中，hj为局部水头损失，m；ν1、ν2分别为突变前的平均流速和突变后的平均流速，m/s；ζ为突扩圆管局部水头损失系数，无量纲；A1、A2分别为管柱内通径突变前的过流面积和管柱内通径突变后的过流面积，m2；g为重力加速度，9.81 m/s2。

1.3水嘴压力损失

针对海上油田分层注水工具特点，通过对大量水嘴压耗实验数据分析，推导出水嘴压力损失公式

式中，ΔP为水嘴压力损失，MPa；Q为水嘴流量（多个水嘴时为流经各水嘴的流量之和），m3/d；A为水嘴总过流面积（多个水嘴时为各水嘴过流面积之和），mm2。

2　井口安全注水压力计算方法

注水过程中，分层注入压力主要与井口注入压力、静液柱压力、沿程压力损失、局部压力损失、水嘴压力损失等有关，计算公式为

式中，P井口为井口最大注水压力，MPa；P破裂为地层破裂压力，MPa；μ为安全系数，为保障海上油田注水安全，一般选为0.85；P沿程为沿程压力损失，MPa；P局部为局部压力损失，MPa；P水嘴为水嘴压力损失，MPa；P静水为静液柱压力，MPa；P其他为地层表皮产生的压力损失，MPa。

3　井口安全注水压力计算软件

针对海上油田应用较多的空心集成、一投三分、同心分注和地面分注4种分层注水管柱形式，依据井口安全注水压力计算方法，编制了井口安全注水压力计算软件。该软件根据4种管柱形式录入油套管尺寸、下入深度、水嘴大小、水嘴个数等信息，可计算出沿程压力损失、局部压力损失、水嘴压力损失，最终得出井口安全注水压力；同时该软件还具有注水管柱图绘制和压力计算报告导出等功能。

3.1软件架构

注水压力计算软件采用模块化设计，分为井下工具和油套管参数录入、地面分注、空心集成、一投三分、同心分注和报告导出6个模块。针对地面分注、空心集成、一投三分、同心分注模块分别设有管柱图绘制和注水压力计算子模块。

3.2软件模块

3.2.1井下工具和油套管参数录入模块 井下工具和油套管参数录入模块，采用ADO数据访问接口与Access数据库连接，利用数据库进行相关参数的写入、修改及删除等操作。该模块可以录入注水管柱各部分的参数，以方便后续管柱图绘制及注水压力计算。

3.2.2管柱图绘制模块 该模块与井下工具和油套管参数录入模块紧密联系，采用ADO控件读取井下工具和油套管参数。绘制管柱图时，用户只需根据管柱结构，选择井下工具和油套管数据库中的工具并录入管柱各工具的下入深度等信息便可绘制出注水管柱图。

3.2.3注水压力计算模块 在完成管柱图绘制模块相关数据的录入后，即可进行压力计算。压力计算模块可针对多个分层求出各分层最大注水压力，计算时只需要录入各分层深度、水嘴个数、水嘴直径等信息。

3.2.4报告导出模块 注水压力计算报告导出模块可以将输入参数如注水层深度、注水量、水嘴参数，以及计算结果如地层破裂压力、沿程压力损失、局部压力损失、水嘴压力损失、静水柱压、各分层最大注水压力和井口最大安全注水压力，以列表形式显示，同时还可以将计算报告导出为excel表格格式，便于后期的数据处理。

4　应用实例

为保障注水作业安全，应用井口安全注水压力计算软件对QHD油田XX井进行井口注水压力校验。该井Ø244.5 mm套管完井，空心集成分层注水管柱形式，油管尺寸为Ø88.9 mm。该井分注两层，上层注水层段斜深1 714.2～1 733.5 m，下层注水层段斜深1 781.1～1 793.7m；第一层段配注量为97 m3/d，第二层段配注量为230 m3/d；空心集成配水器上层装1个Ø7.4 mm水嘴，下层全开注水。该油田破裂压力梯度0.021 MPa/m，计算最大流压时安全系数选为0.85。

经注水压力计算软件计算，该井第一层段地层破裂压力30.99 MPa，沿程压力损失0.13 MPa，局部压力损失0.01 MPa，水嘴压力损失0.29 MPa，计算井口最大注水压力为12.32 MPa。第二层段地层破裂压力32.01 MPa，沿程压力损失0.14 MPa，局部压力损失0.01 MPa，水嘴压力损失0.01 MPa，计算得到井口最大注水压力为12.46 MPa。综合分析，该井井口最大注水压力不能超过12.32 MPa，现场井口实际注水压力8.5 MPa，该井分层注水作业较安全。

5　结论

（1）对分层注水压力的影响因素进行分析，得到了井口安全注水压力计算方法。

（2）基于井口安全注水压力计算算法开发的注水压力计算软件，能够针对目前常用的分层注水管柱绘制管柱图，并计算井口安全注入压力，保障了注水安全。

（3）利用井口安全注入压力计算软件对现场某注水井进行了计算，计算结果对于指导海上注水作业、保障注水安全具有重要意义。

［1］梁卫东，姜贵璞，王丽敏，等.砂岩油田合理注水压力的确定［J］.大庆石油学院学报，2004，28（4）：42-44.

［2］刘远志，谷丽红，郝晓军.注水井井口压降资料应用探讨［J］.石油钻采工艺，2012，34（S1）：111-113.

［3］ЧEPHИКИH A B. 管道水力摩阻系数的计算［J］.油气储运，1999，18（2）：26-28.

［4］韩洪升，付金辉，王春光，等.分层注水井配水嘴嘴损曲线规律实验研究［J］.石油地质与工程，2008，22（2）：79-81.

［5］张建，范凤英.分注井水嘴直径选择的研究与应用［J］.石油矿场机械，2004，33（S0）：60-63.

［6］刘合，张广明，张劲，等.油井水力压裂摩阻计算和井口压力预测［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（S1）：2833-2839.

（修改稿收到日期 2015-10-29）

〔编辑 李春燕〕

Research on safe water injection pressure at wellhead on offshore oilfeld

ZHANG Fenghui，XU Xing'an，XUE Dedong，ZHANG Jieru
（Engineering Technology Branch，CNOOC Energy Technology & Serνices Limited，Tianjin 300457，China）

The maximum water injection pressure at wellhead of water injector is mainly related to formation fracture pressure，well depth，pressure loss along the way and pressure loss at water nozzle. Where the down-hole water injection pressure exceeds the formation fracture pressure，then micro-fractures may occur in the formation，hence affecting the safety of water injection. Based on analysis of the factors affecting separate-layer water injection pressures，the calculation method was finalized for safe water injection pressure at wellhead. Also，a software for calculating safe water injection pressure at wellhead was developed for the four forms of water injection strings often used on offshore oilfields. The promotion and application of this software is of great significance in directing offshore water injection operation and guaranteeing the safety of water injection.

water injection pressure； formation fracture pressure； pressure loss along the way； pressure loss at water nozzle； water injection safety

TE357.8

A

1000-7393（ 2015 ） 06-0083-03 doi:10.13639/j.odpt.2015.06.021

张凤辉，1968年生。1992年毕业于南京航空学院电气技术专业，硕士研究生。现主要从事油水井测试方面的工作，高级工程师。电话：022-66907207。E-mail：zhangfh5@cnooc.com.cn。