基于環空壓力操作的試油完井一體化工具研制及應用

龐東曉, 賈 海, 韓 雄

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

試油完井一體化作業將試油和完井有機結合，通過對永久式封隔器、脫手回插工具、封堵工具、測試工具的合理優選及工藝優化設計，可以在測試作業結束后，利用脫手工具將上部測試工具起出，獲取地層測試資料錄取，同時封隔器及配套封堵工具留在井底。若后期需要開采，則將完井油管帶上配套插管直接插入封隔器中，打開產層即可。該技術能有效提高試油轉層效率，避免壓井導致的井下復雜，減少漏失，保護油氣層，特別適用于裂縫或溶洞發育、壓力敏感的碳酸鹽巖儲層，是未來試油測試作業的重要發展趨勢[1-4]。

試油完井一體化技術是伴隨著地層測試技術和封隔器完井技術的發展而形成的一項獨特技術，相比多年發展的地層測試工具和封隔器完井工具，試油完井一體化技術的成功實施特別依賴脫手回插工具、封堵工具的可靠性和現場操作人員的熟練程度[5-6]。為此，本文提出了一種新型的試油完井一體化工具，該工具將傳統的封閉-脫手-回插-開井優化為封閉-試壓-脫手-回插-試壓-開井，進一步提高了試油完井一體化技術的可靠性，為試油完井一體化技術的推廣應用奠定了堅實的基礎。

一、現有試油一體化工具應用中的不足

國外貝克休斯、哈里伯頓等均開展了試油完井一體化技術相關研究，形成了相應技術和工具。而國內川渝、塔中、中石化普光和元壩氣田等均開展了相關技術的研究和應用目前試油完井一體化工具主要采用兩種類型。

貝克休斯公司采用CMQ-22不壓井滑套作為試油完井一體化的核心工具(圖1-b)，這種滑套采用側壁式封堵技術，配合SABL完井封隔器使用，即不壓井完井管柱，該管柱在測試完后，通過正轉倒開錨定密封，上提管柱帶動CMQ-22滑套內的心軸上移，實現產層封堵，繼續上提棘爪脫手，可將上部管柱起出；如果需要，可重新開啟CMQ-22滑套，下入帶剪切密封和滑套打開短節的回插管柱，下壓即可打開滑套溝通產層。

川慶鉆探工程有限公司采用了解脫封堵測試閥作為試油完井一體化的核心工具(圖1-d)，解脫封堵測試閥主要包括旋轉開關閥和密封脫接器兩部分，解脫時，右旋并上提管柱使心軸從密封外筒中脫出即可；通過棘爪和操作臂聯動使球閥關閉，下入時將密封脫接器插入旋轉開關閥頂部，推動旋轉開關閥內部的棘爪和操作臂與球閥實現聯動開啟球閥。

這兩種工具的共同特點是開啟和關閉均和管柱的回插和脫手同時進行，在施工工藝都采用封閉-脫手-試壓-回插-開井的工序。雖然這兩種工具在設計上都強調回插到位，需要密封部分完全進入后才開啟，或者完全關閉后才能實現脫手，但由于回插-開啟和關閉-脫手始終在一個階段，對于工具可靠性和操作人員的熟練程度要求很高。如油管通道關閉不嚴，這時可能管柱已從脫手處脫離，將無法利用其它備用工具再次關閉；如回插油管后出現插入出泄露，這時可能回插過程中已經打開油管通道，有可能導致鉆井液泄露。以上情況將導致井下復雜，嚴重時將導致作業無法恢復。因此，需要對工具進行完善，從而提高試油完井一體化技術的可靠性。

圖1 兩種試油完井一體化技術管柱和核心工具

二、多次試壓-脫手-回插-封堵工具研制

1.設計方案

多次試壓-脫手-回插-封堵工具是一種全通徑工具，配合封隔器可用于不壓井情況下關井及無需解封封隔器便可更換管柱等作業；它通過環空加壓關閉球閥并左旋、上提管柱即可實現從本工具處脫手的功能；還可隨二次下入管柱直接插入回接外筒進行回接，再從環空加壓實現開井；另外錨定密封總成回接后如有需要仍可通過反轉、上提管柱再次實現從封隔器上部關井、脫手管柱的功能。

圖2多次試壓脫手和回插工具脫手示意圖

圖3多次試壓脫手和回插工具回插示意圖

如圖2所示,該工具通過環空加壓打破破裂盤使芯軸上移，從而帶動球閥轉動關閉通徑實現封隔器上部關井。而需要上部管柱脫手時右旋(約16圈)并上提管柱，使拖出短節的右旋螺紋從回接外筒中脫出實現上部管柱脫手，脫手后仍保持關井狀態;圖3所示錨定密封總成可隨二次回接管柱直接插入留在井內的回接外筒，錨定密封圈實現與回接外筒的密封，通過錨定爪的左旋螺紋與回接外筒實現管柱的錨定。

當需要開井時，從環空加壓打破破裂盤使芯軸下移推動球閥轉動打開通徑實現開井。開井后鎖環鎖定芯軸位置，以防后期作業期間通徑液體流動使芯軸上移，從而帶動球閥旋轉，造成非全通徑狀態;另外如有需要，APDT錨定密封總成回接后仍可通過反轉、錨定爪的左旋螺紋從回接外筒中旋出，完成關井及上部管柱的脫手。

2. 與常用工具對比分析

相比試油一體化工具，該工具主要有以下兩個方面的特點。

2.1 可逐步檢測和恢復

在脫手和關閉管柱通道過程之間新增一個驗封作業，另外也在回插和開啟管柱通道過程之間新增一個驗封作業。一旦關閉或開啟通道出現驗封不合格，就可以把管柱再次恢復原始狀態，而不是盲目地把管柱脫手或回插而造成后續管柱泄漏問題。

2.2 工作操作可靠性高

該工具在開啟和關閉球閥，打開或關閉油管通道采用的是環空加壓的方法進行操作，其推動力依靠壓差進行控制，相比CMQ-22不壓井滑套或解脫封堵測試閥等依靠管柱下放產生的軸向力推動，本文所研制的工具推動力載荷大小穩定可靠，油管通道開關可靠性也相應提高。

3. 詳細設計

根據技術需求，多次試壓脫手-回插-封堵工具具體技術參數如下：外徑138.0 mm；通徑60.0 mm；長度2 496 mm；工作壓差70 MPa；工作溫度177℃；抗拉強度≥1 000 kN。

依據NACE MR0175標準采用SS-110以及Inconel 718、17-4PH等材料，進行符合標準要求的熱處理及表面處理。采用氟橡膠及PE-400的支撐密封按照PEIKE標準系列進行密封設計。密封槽采用雙密封圈加雙支撐的密封形式，芯軸上滑動密封部位采用雙槽形式，其他部位采用單槽形式。

該工具工作狀態進行受力分析，在兩趟管柱作業過程中承受管柱拉伸應力，另外在開井狀態下承受油套壓差，關井后承受關井壓差[7-8]。其中破裂盤外筒、芯軸由于空氣室的存在承受絕對壓差。

最終設計的工具安全系數：抗內壓2.39，外壓2.26,均大于2.0，符合設計要求。抗拉屈服強度2 108 kN滿足要求。

4.樣機試驗

對樣機進行了高溫高壓環境下的功能試驗。具體實驗為脫手工具密封性試驗；球閥關閉動作及密封性試驗；工具回插及密封性試驗；球閥開啟試驗。試驗在工作壓差70 MPa，工作溫度150℃條件下進行。

通過實驗表明,脫手前工具壓差71 MPa，球閥關閉后壓差71 MPa，脫手工具密封性和球閥密封均合格，工具脫手成功；回插后密封性后球閥壓差73 MPa，工具回插成功，開啟前密封性合格，球閥開啟成功。

試驗曲線如圖4～圖5所示。

圖4 脫手關井壓力溫度曲線

圖5 回插開井壓力溫度曲線

三、現場試驗

1.試油完井一體化工藝完整性分析

該工具改變了以往試油完井一體化工具中開啟和關閉均和管柱的回插和脫手同時進行的現狀，將脫手和關閉這兩個過程分開進行，同時也將回插和開啟兩個過程分開。這樣的優點是關閉管柱通道后，試壓合格后再脫手；以及回插后試壓合格再打開油管通道，這樣作業將給后續處理留下充足手段。

其主要工藝過程見圖6。

圖6 試油完井一體化工藝流程

需要脫手時，環空加壓啟動工具關井，通徑加壓檢驗工具密封，環空加壓封隔器密封，換裝井口，正轉管柱倒扣，上提管柱脫手需要回插時，下放回接管柱至工具上部停止，起動泵車沖洗上部沉淀物，繼續沖洗且緩慢下放管柱至下放到位，通徑加壓驗封，合格后換裝井口，環空加壓啟動工具開啟。

2.試驗效果分析

該工具在磨溪某口井進行了現場試驗，該實驗的主要目的是驗證封閉-試壓-脫手-回插-試壓-開井試油完井一體化技術，驗證丟手及封堵功能和回插及開井功能，完成射孔-酸化-測試聯作和完井管柱回插。

試驗中采用了使用APR測試工具+多次試壓脫手和回插工具+?177.8 mm機械雙向卡瓦可回收式封隔器一體化管柱對目的層進行了射孔、酸化、測試等作業，作業期間管柱密封性良好。作業完成后，通過多次試壓脫手和回插工具實現丟手功能，起出上部管柱獲取地層流體資料；同時，多次試壓脫手和回插工具中的開關閥球閥關閉，隔斷地層流體，實現封堵功能。

在測試完成后，通過配備安全閥的回插完井管柱連接回插工具下井，成功回插后試壓合格后，再擇機開啟多次試壓脫手和回插工具中的開關閥，完成試油封堵生產一體化作業。

在該次作業中，避免了壓井帶來的管柱復雜，在回插過程中無需壓井，可以等待采油樹安裝完畢后開啟多次試壓脫手和回插工具，對于避免井下復雜，提高作業安全性具有重要意義。

四、結論

(1)本文圍繞一種基于環空操作的開關閥，討論了封閉-試壓-脫手-回插-試壓-開井試油完井一體化技術，該技術相比常規試油完井一體化技術增加了兩個試壓環節，確保了施工作業中每一步都可檢測和可返回，避免了一旦脫手或回插工具密封不嚴導致井下復雜的問題。通過在磨溪-高石梯區塊的試驗表明，該工具有效提高了試油完井一體化技術在高溫高壓氣井中的可靠性，具備推廣應用前景。

(2)所研制的多次試壓脫手-回插-封堵工具還不具備油套循環功能，一般需要配合專用的液空循環閥處理一些特定狀況，如脫手失效、不能回插等，為此，還需要進一步開展工具研制，將油套循環功能整合到多次試壓脫手-回插-封堵工具，提高多次試壓脫手-回插-封堵工具適應范圍。