超高擴徑不動管柱選層堵水工具及工藝

鄒先雄 李晨泓 何秀萍

(1.中海油能源發展股份有限公司上海工程技術分公司 2.中海石油(中國)有限公司上海分公司)

0 引 言

不動管柱選層堵水工藝是一項通過電纜或連續管穿過油管，將堵水工具下至選定層位，在套管內擴徑封隔層位，再泵注堵劑封堵產層的工藝技術。相比動管柱堵水，該工藝具有成本低、施工周期短等顯著優勢，其關鍵技術是過油管堵水工具。常用的主要過油管堵水工具是可膨脹封隔器和橋塞，只能實現底層堵水，堵水后不具有過流通道[1-4]。目前，可膨脹封隔器最大膨脹率為300%，適用于通過最小內徑75.9 mm油管、在內徑116.0～224.5 mm套管內封隔堵水，工作溫度低于190 ℃，膨脹率300%條件下耐壓差13.8 MPa[5-10]；可膨脹橋塞最大膨脹率為350%，適用于通過最小內徑55.6 mm油管、在內徑177.8～193.8 mm套管內封隔堵水，工作溫度低于150 ℃，最大膨脹率350%條件下耐壓差8.2 MPa[11-18]。然而，在海上油氣生產過程中存在不少井，要求堵水工具穿過?73.0 mm油管封隔?244.5 mm套管，實現最大擴徑比424%條件下耐壓差15 MPa選層堵水，現有工具及工藝技術無法滿足。

為此，研制了超高擴徑不動管柱選層堵水工具及工藝。該工具基于傘形擴徑原理[19]，使用連續管下入，最大擴徑比可達424%，封堵后過流通道內徑25.4 mm，適用于直井、定向井及大斜度井等，可坐封于套管、射孔炮眼等任意位置。該工具具有如下優勢：①擴徑比大，可過油管選層作業，適用范圍廣；②不動管柱，不需要修井機，對儲層無傷害，作業周期短、費用低；③坐封和脫手不使用火工品，避免了火工品使用風險，降低了管理成本；④封堵后具有過流通道，不影響其他生產層位生產。

1 技術分析

1.1 工具結構與工作原理

1.1.1 工具結構

超高擴徑不動管柱選層堵水工具主要由密封筒、心軸、支撐軸、支撐傘、扶正架及扶正桿等部件組成，結構如圖1所示。工具最大外徑53 mm，坐封脫手后內徑25.4 mm，總長1 500 mm，耐溫150 ℃，耐壓35 MPa，最大擴徑比424%，最大擴徑比下耐壓差15 MPa。

1—轉接頭；2—中接頭；3—剪切銷；4—密封筒；5—限位接頭；6—心軸；7—O形圈；8—釋放組件；9—支撐軸；10—支撐傘；11—螺釘；12—剪切銷；13—連桿；14—頂桿；15—扶正架；16—扶正桿1；17—扶正桿2；18—剪切銷；19—尾座。圖1 超高擴徑不動管柱選層堵水工具結構示意圖Fig.1 Schematic structure of ultra-high expansion layer selection and water plugging tool without tripping tubing string

1.1.2 工作原理

連續管傳輸工具至堵水層位目標深度后，從連續管內加壓，剪斷釋放組件與尾座之間的剪切螺釘，解鎖釋放組件。繼續加壓，壓力推動釋放組件向上運動，解鎖承托組件和扶正組件。承托組件和扶正組件在板簧及連續管管內壓力作用下張開，支撐在套管內壁。釋放組件運動到位后卡圈彈出，鎖定釋放組件，防止回落；同時，堵劑泵出口打開。堵劑泵注結束后，泵送泵入塞插入心軸形成密封，加壓剪斷心軸與密封筒之間的剪切螺釘，推動密封筒向下運動，關閉堵劑泵出口。繼續加壓，剪斷心軸與承托組件之間的剪切螺釘，壓力推動下心軸和扶正組件向下運動至脫手，中心孔油氣通道打開。堵劑固化后，上提連續管，剪斷脫手組件上剪切螺釘，起出塞面以上連續管及接頭。

1.2 關鍵部件設計

1.2.1 承托組件

承托組件用于承托堵劑，主要由筒體、板簧、傘面等部件構成，結構如圖2所示。

1—筒體；2—傘面；3—板簧；4—螺釘。圖2 承托組件結構示意圖Fig.2 Schematic structure of supporting component

組件外徑47 mm，內徑25.4 mm，總長266 mm，耐溫150 ℃。組裝時，壓縮板簧和葉片置入釋放組件。工作時，加壓解鎖，葉片在板簧作用下自動彈開，支撐于套管內壁。葉片張開后，組件呈傘狀，傘面支撐堵劑形成段塞。

1.2.2 脫手組件

脫手組件用于脫手連接頭及塞面以下組件，主要由上接頭、剪切銷、下接頭、O形圈組成，結構如圖3所示。組件外徑53 mm，總長269 mm，耐壓35 MPa，耐溫150 ℃，抗拉89 kN。剪切銷連接上接頭、下接頭承受軸向載荷，堵劑候凝結束后上提管串至預定載荷，剪斷剪切銷，上接頭、下接頭分離，上接頭以上部件連同連續管起出，油氣通道打開。

1—上接頭；2—剪切銷；3—下接頭；4—O形圈。圖3 脫手組件結構示意圖Fig.3 Schematic structure of release component

1.2.3 泵入塞

泵入塞用于泵送、推動堵劑，主要由心軸、膠筒、隔環、下接頭、O形圈組成，結構如圖4所示。組件外徑40 mm，總長268 mm，耐壓35 MPa，耐溫150 ℃。泵入塞預置在連續管內，2個串連的膠筒與連續管內壁緊密貼合實現密封。加壓時，壓力推動泵入塞向前移動，從而推動堵劑不斷從堵水工具泵出口擠出。

1—心軸；2—膠筒；3—隔環；4—下接頭；5—O形圈。圖4 泵入塞結構示意圖Fig.4 Schematic structure of pump in plug

2 室內試驗

為驗證工具功能和性能，在地面開展了尺寸檢測，承托、耐壓、承壓、坐放、釋放及脫手試驗。試驗結果表明，工具尺寸符合工程誤差規定要求，承托質量50 kg以上，耐壓35 MPa，承壓差15 MPa，坐放、釋放、脫手順利，堵劑泵出口可有效打開與關閉，工具無損壞、無變形、無泄漏，符合設計要求。詳細情況如表1及圖5所示。

表1 工具室內試驗詳細情況Table 1 Detailed information of laboratory test of tool

圖5 工具坐放、承托試驗照片Fig.5 Photos of tool setting and supporting test

3 工藝設計

工藝通過連續管傳輸堵水工具，起下一趟完成。工藝設計及實施的關鍵在于封堵層位深度準確定位、堵劑用量確定和塞面高度的精確控制。同時，還需考慮井筒最小縮徑、坐封面內徑、防噴管最大長度、封堵層位壓差、地層壓力及溫度等相關因素和條件。

3.1 工藝適用范圍

工藝廣泛適用于直井、斜井、大斜度井的套管內選層堵水、射孔孔眼封堵、擠水泥、全井段上層和中間層封堵、永久性封堵等工況。要求封堵井段固井質量較好，井筒無嚴重變形井段、無積垢，坐封段井筒完好，地層溫度不高于200 ℃，地層壓力不高于55 MPa，油管規格不小于?73.0 mm，套管規格不大于?244.5 mm。

3.2 工藝管柱設計

管柱由連續管、轉換接頭、泵入塞、超高擴徑不動管柱選層堵水工具組成，結構如圖6所示。連續管Ⅱ預置堵劑，泵入塞置放于連續管Ⅱ內推動堵劑擠入環空，脫手組件脫手連接頭Ⅱ及塞面以下組件，連續管Ⅲ加長工具長度延伸塞面高度，密封筒密封堵劑泵出口，釋放組件控制承托和扶正組件，承托組件承托堵劑，扶正組件扶正管柱。

1—連續管Ⅰ；2—連接頭Ⅰ；3—泵入塞；4—連續管Ⅱ；5—脫手組件；6—連接頭Ⅱ；7—連續管Ⅲ；8—密封筒；9—釋放組件；10—承托組件；11—扶正組件；12—尾座；13—剪切銷4；14—剪切銷3；15—剪切銷2；16—剪切銷1；17—套管；18—油管。圖6 工藝管柱結構示意圖Fig.6 Schematic structure of process string

3.3 工藝實施步驟及流程

連續管攜帶工具管柱到達封堵層位位置，通過持續加壓開關堵劑泵出口、釋放承托及扶正組件、擠注堵劑、脫手扶正組件，工藝原理如圖7所示。工藝實施步驟及流程如下：①根據封堵層位深度確定連續管Ⅰ長度，準備連續管Ⅰ；②根據設計套管塞面高度計算所需堵劑用量，確定預置承留堵劑連續管Ⅱ長度，準備連續管Ⅱ；③地面測試超高擴徑不動管柱選層堵水工具；④將堵劑灌注到連續管Ⅱ內，灌注完成后，連續管Ⅱ上端置入泵入塞，通過連接頭與連續管Ⅰ連接，下端連接堵水工具；⑤連續管攜帶工具管柱入井；⑥下放至目標層位深度，從連續管Ⅰ內加壓打開堵劑泵出口，繼續加壓釋放密封筒，撐開扶正組件，打開承托組件傘面；⑦保持一定壓力，將堵劑通過堵劑泵出口灌注到承托傘上部；⑧堵劑灌注結束后，加壓關閉堵劑泵出口，繼續加壓將泵入塞、扶正組件脫手至人工井底；⑨堵劑候凝結束后，上提管柱，剪斷脫手組件，下層油氣通道打開，上提管柱出井，作業結束。

1—油管；2—連續管Ⅰ；3—連接頭；4—連續管Ⅱ；5—脫手組件；6—連續管Ⅲ；7—承托組件；8—扶正組件；9—套管。圖7 工藝原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of process principle

4 結論與建議

(1)工具及工藝可有效通過最小內徑55.6 mm完井管柱，在內徑為217.3 mm的?244.5 mm套管內實現坐放、泵注堵劑、承托、扶正、承壓差、脫手、打開油氣通道，在最大擴徑比424%的情況下塞柱最大耐壓差15 MPa，封堵后過流通道內徑達到25.4 mm。可實現不動管柱情況下，一趟起下完成中間層封隔、選層堵水等工藝作業，成本低、作業周期短、效率高，具有較好的推廣應用前景。

(2)推薦工藝選井標準為井底溫度≤200 ℃，地層壓力≤55 MPa，井深≤5 500 m，層間距5～550 m，油管規格不小于?73.0 mm，套管規格?114.3～?244.5 mm，井筒基本完好、無積垢，套管無嚴重變形井段，坐封段井筒完好。由于連續管規格及作業深度受海上平臺承重和吊裝設備限制，陸地選井可適當擴大范圍。

(3)工藝實施過程中，堵劑需預置于連續管內，堵劑用量和塞面位置精確控制是工藝能否成功的關鍵，應精確設計計算。作業前應優選堵劑，堵劑候凝時間應可調、具有良好的泵入性和穩定性。

(4)為確保安全和塞面深度精確，建議預先對人工井底和油管鞋進行電測校深，實施通井作業，在連續管上做好深度標記，結合油管鞋和機械接箍定位器校深，測算校訂好連續管計數器深度。