油井儲層保護工具研制

丁英楠 黃利波

1. 中海石油中國有限公司上海分公司 上海 200030

2. 托普威爾石油技術股份公司 北京 100012

油田鉆井和開發過程中，各種工作液極易侵入儲層 ，從而造成對儲層的傷害。國內許多陸地油田都具有根據自身特點開發和應用的防污染措施，且方法多樣，包含：防污染閥/滑套/下入堵塞器/皮碗式洗井閥等，針對多種生產管柱，均滿足儲層防護功能。考慮海上油田開發需求與陸地油田多有不同，部分儲層防護技術可借鑒用于海上油田，但無法直接使用[1-2]。

目前海上油田常用的儲層保護技術主要有化學儲層保護技術和機械儲層保護技術。化學儲層保護技術采用不間斷注入化學藥劑方式對儲層進行保護，作業周期長、成本較高[3-6]。機械式儲層保護技術主要通過將機械式儲層保護工具下入井筒，在非開采時軸向封堵整體井筒的方式，實現油井儲層保護，多適用于籠統開采工藝管柱井筒，無法實現分層開采工藝管柱井筒的分層開采及防護，且采用軸向封堵的儲層保護工具在洗壓井作業期間防護儲層時易出現沉積堵塞的風險，造成意外封堵失效[7-11]。

因此，針對海上油田儲層防護需求和現有技術難題，開發了活塞式儲層防護工具，可實現儲層徑向封堵，避免上部井筒作業時的固液體污染儲層，同時在正常開采時，可實現選擇式分層開采。該油井儲層保護工具的研制為增強油井儲層防護效果和多層段選擇行分層開采提供了可靠的技術支撐，對于生產井井筒清潔和有效開發具有推廣意義。

1 結構設計與分析

油井儲層防護工具整體采用活塞式結構設計，主要包含保護筒和開關工具組成，防護筒隨防砂完井管柱下入，開關工具隨生產管柱下入。開關工具入井后與井下防護筒對接，打開防護筒生產通道；生產管柱提出后，防護筒生產通道關閉，實現儲層防護。

1.1 結構組成

油井儲層防護工具包含保護筒和開關工具。保護筒整體結構如圖1所示，內部設置的可移動活塞可上下移動，實現生產通道開啟與關閉，限位塊用于生產通道打開后限位移動活塞，防止復位彈簧將移動活塞上頂。

圖1 油井儲層防護工具保護筒結構示意圖

開關工具整體結構如圖2所示，其導流短節推動防護筒打開生產通道，儲層流體由導流孔進入生產管柱，洗井球用于生產過程中井筒清洗。

圖2 油井儲層防護工具開關工具結構

1.2 工作原理

1.2.1 儲層保護原理

防護筒隨完井管柱下入后，防護筒的可移動活塞在復位彈簧作用下，與外筒內部生產通道兩側密封結構共同實現對儲層生產通道的封堵，內外壓差無法造成可移動活塞移動。

1.2.2 儲層生產原理

開關工具隨生產管柱下入井下，與井下防護筒對接，推動防護筒可移動活塞向下移動，生產通道打開，限位塊位移至限位槽實現對可移動活塞的限位。

1.2.3 活塞回移動原理

完成生產作業后，開關工具隨生產管柱從防護筒內取出，在彈簧力作用下，限位塊從限位槽內脫離，隨可移動活塞一同向上移動，實現儲層防護。

1.3 保護筒密封性能校核

可移動活塞為油井儲層防護工具的關鍵承壓部件，在受限制可能，需要計算校核承壓性能，可移動活塞尺寸：內徑φ29mm，外徑φ36mm，采用35CrMo材質，根據GB/T3077—2015執行標準，取屈服強度σs為540MPa，抗拉強度σb為735MPa。

1.3.1 抗外擠計算

根據圓筒抗外擠計算辦法，外徑與壁厚的比值如下：

其中，D—外筒外徑，mm；

d—外筒內徑，mm；

δ—壁厚，mm；

K—系數。

按照厚壁公式計算可移動活塞抗外擠，按照按第三強度理論計算應力：

其中，P—抗外擠壓力，MPa；

σIII—實際應力，MPa。

[σ]—許用應力，MPa；

σb—抗拉強度，MPa；

n—安全系數，一般取值4/3。

計算可得， 可移動活塞最大抗外擠71.09MPa，滿足井下儲層防護需求。

1.3.2 抗內壓強度校核

根據圓筒抗內壓計算辦法，外徑與內徑的比值如下：

因此，可移動活塞抗內壓計算公式按厚薄壁公式進行計算。

抗內壓P1計算公式如下：

其中：P1—油管承受內壓差，單位：MPa；

n—安全系數，取1.2；

D—最薄弱處外徑，單位：mm；

d—最薄弱處內徑，單位：mm；

σs—材料屈服強度，單位：MPa。

通過理論計算和分析，可移動活塞抗內壓和抗外擠能力滿足大于35MPa需求。

1.3.3 技術特點

（1）可在生產管柱下入時生產，管柱提出時防護儲層；（2）徑向封堵防護儲層，不容易出現堆積及儲層意外開啟風險；（3）可實現儲層保護工具內外35MPa封堵。

2 技術參數

防護筒技術參數見表1。

3 實施方法

油井儲層防護工具可用于合采井和分層開采井，能夠實現油井籠統防護和油井多層段選擇性防護和開采。分采管柱相較于合采管柱，需要在完井階段下入多個防護筒，根據后期開發生產需求，生產管柱攜開關工具下入，逐層開采。

施工過程中通過開關工具與防護筒的配合實現儲層防護性開采：（1）油井儲層防護筒隨完井管柱下入，設置在頂部封隔器下部，實現各儲層徑向防護，頂部封隔器坐封、丟手；（2）根據需要儲層開采需求，將開關工具隨管柱下入儲層與防護筒配合，實現儲層正常生產；（3）完成儲層生產后，將生產管柱取出，實現儲層防護。

具備以下特點：（1）可實現全井筒儲層隔離防護；（2）不受井斜限制，滿足大斜度井儲層防護和開采需求；（3）滿足帶壓作業井生產需求。

4 結束語

活塞式油井儲層防護工具由防護筒和開關工具兩部分組成，可實現儲層徑防護，防護壓力≥35MPa，避免活塞處堆積堵塞及生產通道意外開啟，對于多層段開采井，可實現各儲層獨立防護各層，滿足籠統開采井、分層開采井儲層防護和生產需求，該工具的研制對于油井儲層分層段防護和開采具有意義。