新型復合式遇油遇水封隔器的研制與應用*

□ 張秀青 □ 王 玥 □ 李文杰 □ 馮 強 □ 楊文領 □ 泰淑媛

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院 天津 300280

1 研究背景

遇油遇水封隔器是一種可以在油、水環境中持續自膨脹的封隔工具,能夠在任何裸眼井或套管井內密封環空,坐封不需要移動管柱。遇油封隔器可以在油基泥漿、原油、柴油中吸油膨脹,遇水封隔器可以在水基泥漿和地層水中吸水膨脹,兩者膨脹后,介質改變,不影響穩定性,使用方便。由此可見,采用遇油遇水封隔器是一種相比固井和射孔更安全、更簡單的層間分隔方式。

目前,國內外廣泛使用的常規遇油遇水封隔器結構簡單,僅由圓柱形主封膠筒與基管連接組成,在使用中存在兩方面問題。

第一,遇油遇水封隔器要求環空間隙不能過大,但如果間隙小,會導致工具下入困難。

第二,封隔器膠筒在介質中的膨脹率不一致,呈兩端膨脹快、中間膨脹慢的規律,使封隔器膠筒無法與環空建立全段緊密貼合,影響密封能力。

為了更好地發揮遇油遇水封隔器在各油田中的作用,筆者在常規遇油遇水封隔器的基礎上進行優化與改進,研制了新型復合式遇油遇水封隔器。

2 設計

為了解決目前常規遇油遇水封隔器存在的問題,筆者對常規遇油遇水封隔器進行優化與改進,引入壓縮式封隔器組合膠筒思路,添加具有壓縮功能的保護膠筒,建立自膨脹+壓縮膨脹復合式膠筒系統,以提高封隔器的整體密封性能。

新型復合式遇油遇水封隔器結構如圖1所示。在中心管上硫化有自膨脹長膠筒。自膨脹長膠筒采用凹凸結構,凹陷位置用于存儲膨脹介質。自膨脹長膠筒由外及內依次為保護橡膠、自膨脹主封橡膠、快速膨脹橡膠三層。在自膨脹長膠筒兩端和中部裝有壓縮式膠筒。兩端的壓縮式膠筒用于保護自膨脹長膠筒,提高承壓能力。中部壓縮式端膠筒、中部壓縮式主膠筒由自膨脹隔環啟動,起輔助密封的作用。新型復合式遇油遇水封隔器下入井中,在自膨脹長膠筒外層保護橡膠的作用下,下放過程中減緩內部自膨脹主封橡膠膨脹,使封隔器順利下放。下放到目的層后,自膨脹長膠筒在遇油或遇水一段時間后自動膨脹,膠筒凹陷處始終存有膨脹介質,提高耐壓性能。壓縮式膠筒同時起到良好的保護及輔助密封作用。

將新型復合式遇油遇水封隔器工具接入完井管柱中,完井管柱下到位后,自膨脹長膠筒與油或水接觸,經過7～20 d自動膨脹填充密封空間,自膨脹長膠筒緊貼井壁。在自膨脹長膠筒膨脹過程中,膨脹力傳至端部壓縮式上膠筒、端部保護隔環、端部壓縮式下膠筒實現膨脹。兩端的壓縮式膠筒膨脹后,扣覆在自膨脹長膠筒肩部,對自膨脹長膠筒起良好的保護作用,提高自膨脹長膠筒的密封性能。自膨脹長膠筒在油水介質下膨脹的同時,將膨脹力傳遞至中部壓縮式端膠筒和中部壓縮式主膠筒,自膨脹隔環在油水介質下也會發生膨脹。在雙重擠壓作用下,中部壓縮式端膠筒和中部壓縮式主膠筒膨脹展開,起輔助密封作用,并且能夠緩沖壓力對自膨脹長膠筒的損傷,進一步提高封隔器的密封能力,延長使用壽命。

3 特點

新型復合式遇油遇水封隔器主要有兩方面特點。

(1) 自膨脹長膠筒采用凹凸結構,可將油、水等膨脹介質有效存留在自膨脹長膠筒的凹陷部位,使自膨脹長膠筒能夠與油或水充分接觸膨脹。

(2) 在自膨脹長膠筒的兩端設計壓縮式膠筒,可以對自膨脹長膠筒起有效保護作用,進一步提高密封性能。

4 試驗

試驗時,將7 in新型復合式遇水封隔器密封樣機放置于220 mm內徑模擬裸眼試驗臺架中,將5 in新型復合式遇油封隔器密封樣機放置于160 mm內徑模擬裸眼試驗臺架中,向220 mm內徑模擬裸眼試驗胎具中注自來水,向160 mm內徑模擬裸眼試驗胎具中注柴油。

在試驗臺架上連接加溫設備,做好標記,記錄浸泡時間,進行浸泡。連接試壓泵,每隔5 d做一次低壓驗封試驗,試驗壓力不大于5 MPa,穩壓時間為10 min,以壓降小于0.5 MPa為合格。試驗天數為去除環保檢查的有效浸泡天數,試驗季節為冬季,加溫裝置最高加溫至25℃。低壓試驗結果見表1,兩種新型復合式遇油遇水封隔器試驗結果相同。

表1 低壓試驗結果

低壓試驗成功后,開泵打壓,測試密封樣機耐壓能力。以5 MPa為起點,每5 MPa為一個節點分階段打壓,每個節點穩壓5 min,觀察壓降,檢測封隔器的耐壓能力,最高測試壓力不高于35 MPa,并記錄耐壓能力測試結果。

5 in新型復合式遇油封隔器,自膨脹長膠筒平均外徑為149.8 mm,內徑為127 mm,膠層厚度為11.5 mm,長度為2.71 m,25℃下浸泡15～20 d,在平均內徑為160 mm的模擬裸眼試驗胎具內建立密封。經測試,自膨脹長膠筒承壓至30 MPa,穩壓5 min無壓降,最大加壓至35 MPa,5 min后壓降為8 MPa,密封樣機出現滲漏,但并未失效。由此可見,5 in新型復合式遇油封隔器完全可以承受30 MPa壓力。

7 in新型復合式遇水封隔器,自膨脹長膠筒平均外徑為207.1 mm,內徑為180 mm,膠層厚度為13.5 mm,長度為2.71 m,25℃下浸泡15～20 d,在平均內徑為220 mm的模擬裸眼試驗胎具內建立密封。經測試,自膨脹長膠筒承壓至35 MPa,穩壓5 min均無壓降。由此可見,7 in新型復合式遇水封隔器承壓能力至少達到35 MPa。

遇油橡膠與遇水橡膠的機械強度相近,所得到的測試結果適用于對應尺寸的新型復合式遇油或遇水封隔器。

通過試驗確認,7 in復合式遇油遇水封隔器與5 in復合式遇油遇水封隔器耐壓能力均滿足要求,膠層厚度分別為13.5 mm和11.5 mm,相比均常規遇油遇水封隔器膠層厚度減小30%～40%。膠筒膠層變薄后允許采用更大尺寸的基管,使封隔器擁有大通徑特性。

5 現場應用

新型復合式遇水封隔器在冀東油田共試驗應用20口井,現場施工一次性成功率達到100%。

以冀東某井為例,該井設計在8.5 in井眼中下入5.5 in新型復合式遇水封隔器,封隔器的應用深度為2 000～3 000 m,應用井型為水平井,地層水礦化度為低至中度,井下溫度為80～100 ℃。該井通過篩管開發油層,在篩管之間下入新型復合式遇水封隔器封隔水層,篩管和封隔器下入位置處于水平段。

新型復合式遇水封隔器下入位置為2 393 m和2 401 m,處于篩管段之間,用于封隔之間的水層,減少油井出水,現場應用情況如圖2所示。

新型復合式遇水封隔器下入后,與泥漿接觸進入膨脹狀態,整個管柱下入時間為18 h。封隔器下入順利,固井結束后進行侯凝、鉆塞、鉆機搬遷與洗井施工。封隔器靜置周期為14 d,之后投產。

該井應用新型復合式遇水封隔器后,產油含水量明顯低于臨井,最高比開發同層位的臨井低50%,證明新型復合式遇水封隔器封隔有效。

6 結論

筆者所研制的新型復合式遇油遇水封隔器可以很好地實現油水層間分隔,對比國內外同類產品,通過結構與材料優化,在相同耐壓性能與通徑的條件下,封隔器外徑減小14%,有效降低了下入過程中的風險。

新型復合式遇油遇水封隔器安全可靠,滿足了儲層的層間分隔要求,在冀東油田成功應用超過20口井,施工成功率與封隔有效率均達到100%,具有良好的推廣應用前景,為冀東油田油井控水穩產做出了突出貢獻。