套變分注井小直徑可丟可鉆封隔器設計及試驗

劉亞珍

(中國石油天然氣股份有限公司 吉林油田分公司油氣工程研究院,吉林 松原 138000)

隨著吉林油田開發時間的延長,由于地質因素和工程因素的影響,注水井套管變形、井筒結垢縮徑等情況日益嚴重[1-3]。截止2021年底,吉林油田偏/同心分注井年維護修井工作量約1 300井次,大修發生率約12%,大修成功率約70%,90%以上由管柱卡井造成,其中封隔器不解封、套變導致卡井占比約43%。常規分注工藝在復雜井況應用過程中,外徑114 mm偏心分注工具不適用于套變井或井筒結垢縮徑井[4-5],液壓整形后套管內通徑可達108 mm,但114 mm外徑的分注工具無法通過套變段,不能實現分層注水,只能進行合注或者關井,影響水驅開發效果;常規分注井運行一段時間后,因套變、結垢使井筒縮徑,引起卡井或封隔器不解封,導致大修作業或報廢,作業工作量大,運行成本高[6-7]。

目前,套變井或井筒結垢縮徑井一般采用小直徑分注工具,封隔工具多用小直徑Y341型封隔器或機械式小直徑封隔器[8-10],一定程度上可以提高小修成功率。但隨著使用時間延長,套管變徑或井筒結垢縮徑加劇,卡井風險仍較大。為此,筆者設計一種小直徑可丟可鉆封隔器,小直徑設計保證分注管柱順利下入套變井;可丟手設計在上提管柱遇阻時可丟手安全接頭可以與封隔器主體脫開,避免強拔造成井下情況復雜化;膠筒、擋環等主體采用可磨銑的復合材料、耐腐蝕,上部管柱起出后,卡井封隔器部分通過小修鉆撈一體化工具鉆除、打撈,避免大修作業。研發的封隔器對套變、結垢井筒縮徑等復雜井況,提高小修成功率,減少作業工作量,降低運行成本等方面具有重要的意義。

1 封隔器結構設計

1.1 結構組成

小直徑可丟可鉆封隔器為Y341-102型水力機械壓縮式封隔器,主要由封隔結構、鎖緊結構、解封結構及丟手結構組成,如圖1所示。封隔結構主要由上擋環、兩邊膠筒、中間膠筒、膠筒隔環等組成,坐封時膠筒受加壓作用徑向膨脹,封隔油套環形空間。鎖緊結構由卡簧、卡簧座、卡簧外套等組成,保證膠筒不能回彈復位。解封結構由下外套、中心管、解封剪釘、下接頭等組成,用于解封封隔器。丟手結構由可丟手安全接頭、丟手剪釘等組成,下管柱時通過可丟手安全接頭連接于油管底部,用于上提遇阻異常工況。

1—可丟手安全接頭;2—丟手剪釘;3—上擋環;4—兩邊膠筒;5—隔環;6—中間膠筒;7—解封剪釘;8—卡簧座;9—卡簧;10—卡簧外套;11—下液缸;12—下外套;13—下液缸頭;14—中心管;15—護帽;16—下接頭;17—淬火鋼銷;18～20—O型膠圈;21-錐端緊定螺釘;22～24—O型膠圈。圖1 小直徑可丟可鉆封隔器結構示意圖

1.2 關鍵結構設計

1.2.1 可丟手安全接頭設計

可丟手安全接頭是針對上提遇阻工況設計的。當上提力超過丟手剪釘剪斷載荷時,丟手剪釘剪斷,可丟手安全接頭與封隔器下部脫開,上部管柱可正常起出,避免強拔造成井下情況復雜化。為避免多段分注井遇阻工況時上提管柱載荷過大,同時防止正常工況下丟手誤脫開,增加作業工作量,設計3種不同級別安全丟手載荷,最小安全丟手載荷約為封隔器解封載荷的2倍,3種級別丟手剪釘剪斷載荷分別為100、150、200 kN。按照封隔器解封剪釘設計原則[11],剪釘材質選擇為45#鋼,數量8只,布局方式如圖2所示,安全系數取1.1。

圖2 丟手剪釘布局方式

剪釘直徑可根據式(1)～(2)計算:

F=nd2τmax

(1)

τmax=1/2σb

(2)

式中:F為剪釘剪斷載荷,N;n為剪釘個數;d為剪釘直徑,mm;τmax為材質的剪切極限,N/mm2;σb為抗拉強度,N/mm2。

得到3種級別剪釘直徑分別為:7.2 、8.7 、10.2 mm。

1.2.2 密封膠筒設計

小直徑封隔器需要在順利通過套變點后,仍能在139.7 mm套管的內通徑124 mm環形空間內可靠密封。膠筒為封隔器有效密封的關鍵元件,該封隔器膠筒采用上、中、下三膠筒設計。由于小直徑膠筒需具有高膨脹比,上、下膠筒端部設計時考慮防突機構,采用護碗結構(如圖3所示),形成剛性支撐,提高膠筒承壓能力,也可以起到保護膠筒端部的作用。對于膠筒材料的選擇,該封隔器膠筒需在外徑縮小和厚度變小的情況下有效密封,同時考慮到封隔器應用到分注井需滿足高溫、蠕動環境下長效密封,因此膠筒材料選擇應兼顧耐溫、耐壓、高膨脹比、耐油、耐磨等指標。通過對比封隔器常用橡膠的抗拉強度、伸長率、膨脹性、耐溫性、耐油性、耐磨性能等指標[12-13],該封隔器膠筒優選為氫化丁腈橡膠材料,該材料具有高強度、高撕裂性能、高耐磨性能、耐老化性能等優異特點。

圖3 兩邊膠筒護碗結構

1.2.3 可鉆部分設計

卡井異常工況,封隔器安全丟手起出上部管柱后,采用配套鉆撈一體工具將封隔器剩余部分鉆除、打撈,解決管柱卡井問題、避免大修作業。為保證鉆撈成功率,封隔器除中心管外的上擋環、隔環、卡簧外套、下液缸、下外套、下液缸頭、護帽等其他主體部分均采用復合可鉆材料,可鉆結構如圖4所示。按照《丟手可鉆封隔器、橋塞及坐封工具》行業標準[14],對比不同材質可鉆材料的強度、可鉆性、耐溫性、耐蝕性及加工精度等性能指標[15-16],復合可鉆材料優選為非金屬的纖維強化環氧樹脂(玻纖質量分數80%),其抗拉強度為551.6 MPa、抗壓強度為310 MPa、彎曲強度689.5 MPa、熱變形溫度204 ℃、伸長率1.6%,能夠滿足封隔器長期井下工作要求;膨脹系數4×10-4K-1、固化收縮率1%～3%,相對較低,能夠滿足零件精密加工的要求;另外,為非金屬材料,具有輕便、耐腐蝕、易磨銑等特點。

圖4 小直徑可丟可鉆封隔器可鉆除結構示意圖

1.3 技術參數

小直徑可丟可鉆封隔器的主要結構參數和性能指標如表1～2。

表1 小直徑可丟可鉆封隔器主要結構參數

表2 小直徑可丟可鉆封隔器主要性能指標

1.4 技術特點

1) 合理布局、嚴格選材。保證內通徑及工作壓差情況下最大外徑縮小至102 mm,套變井封隔器能順利通過,避免膠筒擦傷影響其密封性能,提高施工成功率,延長密封有效期。

2) 可丟手安全接頭設計。當上提載荷達到設計要求時可丟手安全接頭與下部管柱脫開,避免強拔造成井筒情況復雜化;最小丟手載荷大于正常解封載荷的2倍,防止正常工況下誤脫開,增加作業工作量。

3) 膠筒、擋環、下液缸等主體采用可磨銑復合材料。當上提遇阻工況,可通過小修鉆撈一體工具鉆除、打撈,提高小修成功率。

2 工作原理

2.1 坐封

封隔器按照配管柱下入至預定位置,從中心管內加入高壓液體,高壓液體通過中心管的過流通道進入下液缸頭,剪斷坐封剪釘;下液缸頭在高壓液體作用下上行,進而推動下液缸、下外套向上移,壓縮膠筒徑向膨脹完成封隔油套環空。鎖緊機構的卡簧與卡簧外套鎖緊,卸去壓力后膠筒不能回彈復位,保證膠筒始終保持工作狀態。坐封時從中心管加壓,壓力分別為10、14、16 MPa,分別穩壓3 min,完成坐封。

2.2 解封

適用于無套變或其他原因卡井的正常工況。上提管柱,由于膠筒與井壁之間的摩擦作用,外中心管與膠筒不動,內中心管相對于外中心管上行,剪斷解封剪釘;卡簧座失去支撐而解鎖,膠筒反彈力使下液缸和下外套下行,膠筒回彈恢復原狀,完成解封。解封載荷40～50 kN。

2.3 安全丟手

適用于套變或其他原因卡井導致上提遇阻的異常工況。上提管柱遇阻后,繼續增大上提力至設計載荷,丟手剪釘剪斷,可丟手安全接頭與封隔器主體部分脫開,丟手安全接頭隨上部管柱起出;封隔器主體部分采用配套鉆撈一體工具鉆除、打撈后,可進行下步工作。

3 室內試驗

為保證小直徑可丟可鉆封隔器在井下可靠封隔油層,封隔器完成設計及試制后在模擬井開展了耐溫、耐壓性能檢測室內試驗。

試驗步驟:

1) 封隔器連接油管下入模擬井,井口密封合格;試驗過程井筒溫度保持在120 ℃左右。

2) 坐封。中心管加壓坐封,壓力為8、10、14、16 MPa,分別穩壓3 min,完成坐封。

3) 耐壓差檢測。工作壓力下性能檢測,中心管泄壓,下腔加壓至20 MPa,穩壓15 min;工作壓力上性能檢測,下腔泄壓,上腔加壓至20 MPa,穩壓15 min。

封隔器耐壓性能測試曲線如圖5所示。

圖5 小直徑可丟可鉆封隔器耐溫耐壓性能測試曲線

室內試驗結果表明,研制的封隔器坐封壓力為15～16 MPa,可實現有效坐封;工作壓力上、工作壓力下均為20 MPa,耐溫120 ℃,達到設計要求。

4 現場試驗

室內檢測合格后,2020-04,小直徑可丟可鉆封隔器在吉林油田吉46-014井開展現場試驗。三段偏心分注工藝,封隔器為三種級別安全丟手載荷的小直徑可丟可鉆封隔器。工藝管柱自下至上為底部閥+偏三+三封(丟手剪釘剪斷載荷100 kN)+偏二+二封(丟手剪釘剪斷載荷150 kN))+偏一+一封(丟手剪釘剪斷載荷200 kN),管柱如圖6所示。中心管加壓至10、14、16 MPa,分別穩壓3 min,油套環形空間無返液,初步判定封隔器密封有效。正常注水15 d后,開展驗封測試,驗封曲線出現明顯的壓力臺階(如圖7所示),說明封隔器密封有效。

圖6 吉46-014井分層注水管柱示意圖

圖7 吉46-014井驗封曲線

驗封后正常注水至2022-10。該井二段測試遇阻,檢管作業,小修作業處理,上提管柱載荷增加至320 kN,管柱仍未拔動,認為上提遇阻。繼續增大上提管柱載荷至572 kN,成功起出部分管柱,起出管柱后發現一層封隔器成功解封,二層封隔器可丟手安全接頭處脫開。現場應用效果表明可丟手壓力設計合理,異常工況達到設計載荷丟手能夠成功脫開。下入鉆撈一體化工具,歷時約2 h磨銑,封隔器成功打撈出,說明復合可鉆材料適用于現場應用。

5 結論

1) 研發的小直徑可丟可鉆封隔器,合理布局及嚴格選材,在保證內通徑及層間耐壓性能的情況下最大外徑102 mm,能夠滿足油田大部分套變井分注管柱下入通過的要求。

2) 研發的封隔器可丟手結構,上提遇阻工況能避免強拔造成井筒情況復雜化;可鉆除結構,通過小修鉆撈一體工藝鉆除、打撈解決卡井問題,提高小修成功率,減少作業工作量,降低運行成本。

3) 室內試驗及現場試驗證明,研發的封隔器設計可行,密封有效期可達2.5 a,安全丟手及可鉆除結構的工作性能可靠穩定,在套變分注井中具有很好的應用前景。