分層開采井沖洗驗(yàn)封一體化管柱及關(guān)鍵工具研究

鄭靈蕓, 丁德吉, 沈 瓊, 張倫瑋

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司, 天津 300452; 2.廣東南油服務(wù)有限公司, 廣州 510030)

渤海的海上油田開發(fā)以大斜度井、水平井居多,開發(fā)層數(shù)多,層間物性差異大,采用分層開采方式已經(jīng)成為提高采收率和增儲(chǔ)上產(chǎn)的必要手段。目前,渤海油田開發(fā)生產(chǎn)井和注水井次逐年增多,每年檢泵次數(shù)和更換管柱次數(shù)也不斷增加。

渤海油田分層開采井大部分采用防砂封隔器與防砂篩管組合方式完井[1-5]。海上油田油水井多采用先期防砂開采方式,在現(xiàn)有的油水井的分采分注及相關(guān)措施作業(yè)中,井下層間密封采用封隔器密封筒+插入密封配合的方式,一旦密封失效,分采分注及相關(guān)措施作業(yè)均無法正常實(shí)施。封隔器密封筒的可靠性決定著大部分油、水井能否正常分層生產(chǎn),絕大部分分層開采管柱失效都是由于封隔器密封筒或者膠筒損壞引起的[6-11]。目前,海上油田更換管柱順序?yàn)?起原井生產(chǎn)管柱→下入沖洗管柱→起鉆→下入驗(yàn)封管柱→起鉆→下入新生產(chǎn)管柱。在修井或完井作業(yè)時(shí),生產(chǎn)管柱下入前,需要下入沖洗管柱,進(jìn)行沖洗、探底,保障生產(chǎn)需求。為保障井下層間密封效果,均需要對(duì)井下防砂封隔器的密封筒進(jìn)行驗(yàn)封,從而保障分層開發(fā)效果。

常規(guī)作業(yè)時(shí)沖洗、驗(yàn)封分別下入一趟管柱,導(dǎo)致作業(yè)時(shí)效低。為提高海上油田修井作業(yè)時(shí)效,降低作業(yè)成本,研發(fā)了海上油田沖洗驗(yàn)封一體化管柱。將沖洗工具和驗(yàn)封工具集成在一趟管柱內(nèi),通過預(yù)定的步驟,實(shí)現(xiàn)了沖洗+驗(yàn)封功能。該工藝單井可節(jié)約作業(yè)時(shí)間36 h,極大地提高了作業(yè)效率。

1 油水井沖洗+驗(yàn)封作業(yè)流程

目前,海上油田修井時(shí),將原井管柱起出后,油井出砂會(huì)沉入井底。為保障井筒完整與疏通井筒,需要下入沖洗管柱,管柱組成為:油管+引鞋(如圖1a所示)。管柱下入到防砂段后,井口進(jìn)行正循環(huán)洗井,管柱逐步下探直至洗井到人工井底,完成洗井工作。

圖1 沖洗+驗(yàn)封管柱示意圖

洗井完成后,起出沖洗管柱,下入驗(yàn)封管柱,管柱組成為:油管+驗(yàn)封定位密封+油管+驗(yàn)封插入密封+油管+圓堵。驗(yàn)封管柱下入到位后,定位密封與定位封隔器配合完成驗(yàn)封,如圖1b所示。首先,驗(yàn)證定位封隔器密封性能和定位封隔器上部管柱密封性能。通過油套環(huán)空加壓,按照驗(yàn)封標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行評(píng)價(jià),完成頂部封隔器驗(yàn)封。定位密封驗(yàn)證完成后,上提管柱,驗(yàn)封插入密封分別與隔離封隔器密封筒配合,驗(yàn)證隔離封隔器密封筒的密封性,如圖1c所示,由下至上,依次完成所有密封筒驗(yàn)封。驗(yàn)封完成后,起出驗(yàn)封管柱,完成驗(yàn)封流程,轉(zhuǎn)入生產(chǎn)管柱下入流程。

驗(yàn)封插入密封與常規(guī)插入密封相比,設(shè)置有驗(yàn)封孔,驗(yàn)封孔在軸向位于插入密封的密封環(huán)中間位置,溝通中心通道與環(huán)空。驗(yàn)封時(shí)中心管壓力通過驗(yàn)封孔傳遞到插入密封的密封環(huán)和封隔器密封筒組成的密閉中間,若壓力不降低則說明插入密封與密封筒配合良好,完成驗(yàn)封功能。

2 沖洗驗(yàn)封一體化管柱

為降低作業(yè)時(shí)間,提高沖洗驗(yàn)封效率,在原兩趟式作業(yè)的基礎(chǔ)上,研發(fā)了沖洗驗(yàn)封一體化管柱。為實(shí)現(xiàn)沖洗和驗(yàn)封一趟完成,在配套工具方面做了很多探索。初期設(shè)計(jì)是一體化管柱中安裝球座短節(jié),沖洗作業(yè)時(shí)通過中心管過流,正向沖洗;驗(yàn)封時(shí),向管柱中投球,通過球與球座的配合,完成中心管柱下端的密封,然后依次對(duì)定位封隔器密封筒、隔離封隔器密封筒驗(yàn)封[12-16]。但是,在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),單純依靠球與球座密封面的配合,很難實(shí)現(xiàn)完全的密封。這種情況下,如果驗(yàn)封時(shí)出現(xiàn)壓降,無法準(zhǔn)確獲知是管柱中存在泄露點(diǎn),還是球與球座密封處出現(xiàn)泄露。鑒于此,考慮用V型盤根實(shí)現(xiàn)管柱驗(yàn)封時(shí)的封堵功能。

2.1 工藝原理

沖洗驗(yàn)封一體化管柱主要由油管、驗(yàn)封定位密封、一體管柱式插入密封、滑套式開關(guān)沖洗工具、引鞋等組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。滑套式開關(guān)沖洗工具在初始狀態(tài)時(shí)處于打開狀態(tài),實(shí)現(xiàn)中心管過流,從而實(shí)現(xiàn)沖洗功能。沖洗完成后,通過投球、加壓關(guān)閉中心通道,實(shí)現(xiàn)管柱驗(yàn)封功能。定位密封實(shí)現(xiàn)定位封隔器的驗(yàn)封功能,一體管柱式插入密封實(shí)現(xiàn)由下到上隔離封隔器的驗(yàn)封。

圖2 沖洗驗(yàn)封一體化管柱

2.2 作業(yè)步驟

一體化管柱下入時(shí),由下到上分別連接引鞋、油管短接、滑套式開關(guān)沖洗工具、油管短接、一體管柱式插入密封、油管、驗(yàn)封定位密封、油管等。下入過程中,引鞋到達(dá)定位密封處開始進(jìn)行中心管加壓,沖洗,洗井液由中心管流經(jīng)所有井下工具中心通道至引鞋處,進(jìn)行洗井作業(yè)。逐步下探至人工井底,完成洗井作業(yè)。在探底處定位密封下入到位,通過井口投入剪切球,中心管打壓,剪切球到位后,推動(dòng)滑套式開關(guān)沖洗工具內(nèi)的活塞并剪斷銷釘。活塞向下運(yùn)動(dòng),通過活塞上下設(shè)置的V盤結(jié)構(gòu),將側(cè)向過流通道關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)中心管憋壓。對(duì)油套環(huán)空加液壓,驗(yàn)證定位封隔器密封效果。完成定位封隔器驗(yàn)封后,提高中心管注入壓力至破裂盤的破裂壓力,將一體管柱式插入密封破裂盤打開,實(shí)現(xiàn)插入密封的驗(yàn)封功能,通過逐步上提,從下至上完成驗(yàn)封作業(yè)。

沖洗驗(yàn)封一體化作業(yè)步驟為:井口按順序連接工具→下入沖洗驗(yàn)封一體化管柱→管柱下入到?jīng)_砂位置→井口正循環(huán)沖洗至井底→井口投球→井口加壓關(guān)閉沖洗工具通道→油套環(huán)空加壓,驗(yàn)封定位封隔器→井口加壓至破裂盤破裂壓力→插入密封破裂盤打開→上提管柱逐個(gè)對(duì)隔離封隔器驗(yàn)封。

2.3 技術(shù)參數(shù)

沖洗驗(yàn)封一體化管柱利用1趟管柱,完成了沖洗、驗(yàn)封功能。投球剪切壓力小于插入密封破裂盤破裂壓力,以120.65 mm(4.75 in)防砂完井為例,洗井時(shí)工具內(nèi)通徑可以達(dá)到40 mm,最大沖洗過流量達(dá)到2 000 m3/d,滿足大排量洗井需求。

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

1) 通過一體化管柱實(shí)現(xiàn)沖洗、驗(yàn)封功能,提高修井時(shí)效。

2) 滑套式開關(guān)沖洗工具采用活塞結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)中心管的零泄露,從而保障驗(yàn)證封隔器的密封效果。

3) 開發(fā)的工具最大外徑為116 mm,滿足海上油田大部分120.65 mm(4.75 in)防砂完井管柱的尺寸要求,為工藝推廣奠定基礎(chǔ)。

3 滑套式開關(guān)沖洗工具

3.1 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

滑套式開關(guān)沖洗工具結(jié)構(gòu)如圖3所示,由內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)組成,外層結(jié)構(gòu)由上接頭和下接頭組成,上下接頭采用油管扣連接,實(shí)現(xiàn)了工具外部密封。上接頭內(nèi)部設(shè)置有活塞腔,內(nèi)部設(shè)置有活塞結(jié)構(gòu),活塞結(jié)構(gòu)下部設(shè)置有過流通道與下堵頭。

1-上接頭;2-鋼球;3-活塞;4-下接頭;5-剪切銷釘;6-密封組件;7-密封壓環(huán);8-過流通道;9-下堵頭。

正常沖洗流程時(shí),沖洗液由中心管通過活塞的內(nèi)通道到達(dá)過流通道處,通過過流通道進(jìn)入工具內(nèi)外層組成環(huán)形空間內(nèi),最后通過下接頭流出工具,進(jìn)入引鞋,實(shí)現(xiàn)沖洗功能。

沖洗完成后,井口投入鋼球,鋼球與活塞配合,實(shí)現(xiàn)中心通道的密封,繼續(xù)加壓,鋼球推動(dòng)活塞,將剪切銷釘剪斷,推動(dòng)活塞向下移動(dòng),將過流通道關(guān)閉,從而使管柱中心通道關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)了中心管憋壓。

該工具與常規(guī)球座對(duì)中心管密封相比,采用了活塞+V盤密封方式,實(shí)現(xiàn)了中心通道的零泄漏,從而為驗(yàn)封提供了基礎(chǔ)條件。活塞上部設(shè)置有螺紋,作業(yè)完成后,在工具上部通過專用工具,或活塞螺紋連接,可以將活塞取出,進(jìn)行密封元件的保養(yǎng)及剪切銷釘?shù)母鼡Q,維保簡(jiǎn)單,方便。

滑套式開關(guān)沖洗工具的主要特點(diǎn):

1) 采用活塞+V盤密封方式,實(shí)現(xiàn)了中心管的零泄露,保障驗(yàn)封可靠性。

2) 外部采用油管螺紋直連方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,密封可靠。

3) 活塞上部設(shè)置,便于配合維保工具,實(shí)現(xiàn)活塞動(dòng)作,便于維保。

3.2 技術(shù)參數(shù)

1) 工具外徑116 mm,適用于120.65 mm(4.75 in)防砂完井管柱的沖洗作業(yè)。

2) 通過設(shè)置銷釘數(shù)量與直徑,可實(shí)現(xiàn)銷釘剪斷壓力調(diào)整。

3) 工具長(zhǎng)度 984 mm,下入方便。

4) 工具最小內(nèi)徑40 mm,最大沖洗流量達(dá)到2 000 m3/d。

4 應(yīng)用實(shí)例

沖洗驗(yàn)封一體化管柱研發(fā)成功后,在渤海油田A區(qū)塊X1井中進(jìn)行了應(yīng)用。下入沖洗驗(yàn)封一體化管柱,工具洗井工作正常。投球后,剪切銷釘?shù)臄嗔褖毫?.2 MPa,一體管柱式插入密封破裂盤破裂壓力為12.5 MPa。一趟管柱成功完成洗井和驗(yàn)封工作。與常規(guī)沖洗+驗(yàn)封管柱方案相比,節(jié)約修井時(shí)間約36 h,作業(yè)時(shí)效提高19%。

5 結(jié)論

1) 采用沖洗驗(yàn)封一體化管柱利用一趟管柱實(shí)現(xiàn)了沖洗、驗(yàn)封2種作業(yè),提高了作業(yè)時(shí)效,單井至少節(jié)約修井時(shí)間36 h。

2) 滑套式開關(guān)沖洗工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)了中心管的零泄露,保障驗(yàn)封效果評(píng)價(jià),且內(nèi)通徑設(shè)計(jì)保障沖洗流量達(dá)到2 000 m3/d,有效保障洗井效果。

3) 該工藝可以應(yīng)用于分層采油井、注水井的完井、修井作業(yè)中,年作業(yè)量在400井次以上,應(yīng)用前景廣泛。