陳建波, 唐凱, 陳華彬, 楊亮, 王海東, 高尊升

(1.中國石油川慶鉆探工程公司測井公司, 重慶 400021; 2.塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

塔里木盆地、四川盆地等地區(qū)三高氣井較多,這些井儲層條件復(fù)雜,油氣埋藏深,地層壓力高。庫車山前克深9區(qū)塊地層壓力接近或超過150 MPa,射孔段地層溫度達到或超過190 ℃,已經(jīng)接近超高壓射孔槍和超高溫火工品的耐溫耐壓極限[1];塔里木迪那區(qū)塊地層壓力高達120 MPa,單井日產(chǎn)量可達100×104m3以上,且富含CO2、H2S等腐蝕性氣體,給施工作業(yè)和管柱安全帶來較大的風險。在這些三高氣井射孔作業(yè)中,大多采用管柱傳輸射孔壓力延時起爆作業(yè)技術(shù)[2]。

壓力延時起爆作業(yè)技術(shù)一般用在油管或鉆桿傳輸射孔作業(yè)管柱中,但在射孔孔眼與地層已連通而再次進行射孔作業(yè)或者井筒存在井漏無法進行環(huán)空加壓起爆的復(fù)雜條件下,只能采用壓力開孔延時起爆作業(yè)技術(shù)。射孔管柱由射孔槍、壓力開孔延時起爆器、鉆桿或油管等組成,射孔管柱下放過程中管柱內(nèi)與環(huán)空未連通,存在一定的井控風險,一旦井口出現(xiàn)復(fù)雜異常情況,不能通過已入井的射孔管柱進行小排量循環(huán)壓井[3]。

在塔里木油田等一些高溫高壓井射孔作業(yè)中,為了降低射孔負壓,實現(xiàn)復(fù)雜條件下的射孔作業(yè),常采用壓力開孔延時起爆技術(shù)。然而,在采用壓力開孔延時起爆工藝進行射孔作業(yè)時,為平衡油管或鉆桿內(nèi)外壓力,在下放射孔管柱時需要時刻進行手動灌液作業(yè),射孔作業(yè)時間、火工器材井下停留時間以及人工勞動強度至少增加一倍以上。對于高溫高壓井,為了降低高溫火工品的晶粒分解速度,確保起爆、傳爆及射孔性能,有必要減少射孔作業(yè)時射孔槍管承壓、射孔作業(yè)時間和火工器材井下停留時間[4]。

斯倫貝謝公司擁有一系列用于超高溫超高壓作業(yè)的油管灌入試壓閥,最高耐壓差105 MPa,最高耐溫218 ℃,可實現(xiàn)下鉆過程中的自動灌液[5]。中國已有的反向灌液洗井閥利用油套壓差解決了下鉆桿或螺桿現(xiàn)場施工存在的問題,但不適用于射孔作業(yè)[6]。針對高溫高壓井井筒無法加壓等一些復(fù)雜情況下的射孔作業(yè),本文設(shè)計了一套以自動進液閥為核心的高溫高壓井射孔自動進液管柱及工藝技術(shù)。

1 自動進液閥研制

1.1 結(jié)構(gòu)及流量設(shè)計

自動進液閥是解決上述難題的一種有效方案,該方案無需人工灌液,在下放射孔管柱過程中,依靠井內(nèi)壓力實現(xiàn)單向自動進液,同時又能實現(xiàn)油管或鉆桿內(nèi)加壓起爆的目的,解決了目前管柱存在的井控風險。

圖1 自動進液閥方案

該方案主要采用單向閥原理實現(xiàn)單向限流的作用,由進液閥本體、閥蓋、球形閥芯、壓縮彈簧和氟橡膠密封圈組成(見圖1)。自動進液閥本體既是單向閥組件的承載體,又需要滿足進液及加壓需求和承受射孔瞬間較大沖擊的能力,因此需要對本體進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對5 in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、5in和7 in套管的射孔作業(yè),為了保持射孔管柱的通用性,外徑擬采用93 mm,上下端扣型采用2in的EU扣,可方便與壓力開孔起爆器和油管連接,本體上單向閥組件數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實際需求設(shè)計。

設(shè)計使用對象為油基泥漿,泥漿密度1.9 g/cm3,黏度150 mPa·s。該方案中的球形徑向密封單向閥的最小過流孔徑6 mm,根據(jù)流量(Q)計算公式,在0.1 MPa壓差下可得

(1)

式中,Q流量,L/mm。

結(jié)合以上計算數(shù)據(jù),自動進液閥本體上應(yīng)至少安裝4個及以上球形徑向密封單向閥組件。設(shè)計采用安裝12個單向閥組件的方案,每組周向3個均勻分布,連續(xù)4組的排布方式。

1.2 數(shù)值分析

按照以上設(shè)計數(shù)據(jù)建立起進液閥本體三維模型,并賦予材料屬性。進入應(yīng)力分析模塊,對進液閥本體上端進行端面約束,下端添加882 kN拉力載荷,并在內(nèi)表面添加70 MPa壓力載荷,進行應(yīng)力分析后其結(jié)果見圖2。

圖2 進液閥本體應(yīng)力分析云圖

如圖2,最大Mises應(yīng)力為344 MPa,出現(xiàn)在本體開孔處,遠小于材料屈服強度,安全系數(shù)較高,本體設(shè)計合理。對球形閥芯的應(yīng)力分析見圖3。如圖3,最大Mises應(yīng)力為329 MPa,遠小于材料屈服強度,部件設(shè)計合理。

圖3 球形閥芯應(yīng)力分析云圖

1.3 材料及制備工藝

進液閥材料及制備工藝是決定最終是否成功的關(guān)鍵,本體材料選用具有較高屈服強度和抗沖擊功的35CrMo高強度合金管材,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后加工制成。

閥芯和閥蓋采用W18Cr4V耐磨軸承鋼制成,經(jīng)過淬火和拋光處理,既有效滿足耐壓差70 MPa需求,又能達到較好的密封效果。由于使用條件復(fù)雜,需要最高耐溫達到200 ℃,因此,加工制作時應(yīng)在250 ℃下進行回火處理,以提高閥芯和閥蓋在高溫條件下硬度、耐磨性、耐沖擊性和尺寸穩(wěn)定性。壓縮彈簧由60Si2MnA或1Cr18Ni19制成,兩者均滿足200 ℃的高溫環(huán)境,1Cr18Ni19彈簧鋼絲具有耐腐蝕的作用。

2 高溫高壓井射孔自動進液工藝研究

2.1 自動進液管柱設(shè)計

針對以上研究的自動進液閥,設(shè)計了如圖4所示的自動進液管柱。射孔管柱分別為槍尾、射孔槍、壓力開孔延時起爆器、球形徑向密封進液閥、3根或3根以上油管、定位短油管、油管或鉆桿等。射孔管柱也可根據(jù)實際作業(yè)需求增加井下工具。

圖4 球形徑向密封進液閥管柱

2.2 現(xiàn)場作業(yè)工藝及要求

采用壓力開孔延時自動進液管柱的射孔作業(yè)中,組裝射孔槍、射孔彈及火工品;組裝壓力開孔延時起爆器,起爆器的銷釘數(shù)量設(shè)計按照常規(guī)射孔作業(yè)要求根據(jù)具體井況計算;井口連接射孔槍、安裝壓力開孔延時起爆器。在壓力開孔延時起爆器里面倒入一定量硅脂,并在扣上面涂抹鉆桿用密封脂;在球形徑向密封進液閥上端連接油管或鉆桿,并均勻涂抹鉆桿用密封脂;在球形徑向密封進液閥下端涂抹鉆桿用密封脂,連接在壓力開孔延時起爆器上端并緊固。下放射孔管柱,管柱下放速度不超過300 m/h;記錄鉆桿或油管下鉆過程中的返排量,若返排量超過正常返排量1.5 m3,需從環(huán)空向鉆桿或油管內(nèi)補充灌液,直到灌滿為止。射孔管柱下到目的層位后,從環(huán)空往鉆桿里面灌滿液體并校深、調(diào)整管柱,管柱調(diào)整到位后準備采取鉆桿內(nèi)加壓起爆。采用泵車或井隊用泥漿泵向鉆桿內(nèi)加壓,根據(jù)起壓時間合理調(diào)整排量,同時觀察環(huán)空壓力,環(huán)空壓力為零或者較小為正常情況。加壓至壓力突降,鉆桿與油管內(nèi)外連通時立即停泵,并觀察環(huán)空返液情況和鉆桿內(nèi)壓力。延時等待射孔;射孔完成后,按作業(yè)程序進入下步作業(yè)。若在射孔管柱下放過程中井口出現(xiàn)溢流等復(fù)雜工程情況,可通過高溫高壓射孔自動進液管柱中的進液孔進行小排量反循環(huán)壓井作業(yè),施工壓力不超過壓力起爆器的安全起爆最低壓力。

3 現(xiàn)場實踐

高溫高壓射孔自動進液管柱及技術(shù)自成功研發(fā)以來,截至目前為止,已在塔里木油氣田進行了3井次的現(xiàn)場實踐(見表1)。

3.1 ××602井基本井況、施工過程及效果

××602井人工井底6 120 m,射孔工藝采用鉆桿傳輸射孔作業(yè),設(shè)計的射孔管串見表2。

為檢驗自動進液閥在下鉆過程中是否完全按照設(shè)計要求自動進液,通過觀察下鉆過程的返排量與油管或鉆桿的開排或閉排量進行對比確認。2in外加厚油管外徑73 mm,壁厚7.82 mm,內(nèi)徑57.38 mm,平均每根長度9.5 m,單位開排量1.6 L/m,單位內(nèi)容積2.58 L/m,單位閉排量4.181 L/m。記錄的油管反排數(shù)據(jù)見表3。

表1 試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表2 ××602井射孔管柱

表3 ××602井油管下鉆試驗反排數(shù)據(jù)

下鉆完成后,校深調(diào)整管柱,采用泥漿泵向鉆桿內(nèi)加壓,加壓至28 MPa,壓力起爆器開孔,環(huán)空與鉆桿連通,延時7 min射孔完成。加壓過程中,環(huán)空未見返排液,從而證明自動進液閥單向加壓功能良好。整個下鉆過程耗時20 h,對比相同條件需要手動灌液的時效至少節(jié)約20%以上。

3.2 ××10井基本井況、施工過程及效果

××10井人工井底6 385 m,射孔工藝采用鉆桿傳輸射孔作業(yè)。前期已對6 315.00～6 365.00 m進行射孔作業(yè),計劃對6 180.00～6 186.00 m、6 196.00～6 206.00 m、6 210.00～6 220.00 m、6 242.00～6 258.00 m、6 268.00～6 275.00 m進行鉆桿傳輸射孔。射孔作業(yè)層段預(yù)測溫度153 ℃,地層壓力為104 MPa,射孔時泥漿密度1.95 g/cm3。射孔參數(shù)及性能要求:槍型為SQ89;彈型為SDP35 HNS25-4,相位60°、孔密16孔/m,工作壓差175 MPa,耐溫200 ℃/100 h,設(shè)計的射孔管串見表4。

表4 ××10井射孔管柱

表5 ××10井油管下鉆試驗反排數(shù)據(jù)

下鉆完成后,校深調(diào)整管柱,采用泥漿泵向鉆桿內(nèi)加壓,壓力起爆器開孔,環(huán)空與鉆桿連通,延時7 min射孔完成。加壓過程中,環(huán)空未見返排液,從而證明自動進液閥單向加壓功能良好。整個下鉆過程耗時24 h,現(xiàn)場下鉆速度與進液流量相匹配,理論反排量與實際反排量基本吻合。

4 結(jié) 論

(1) 高溫高壓射孔自動進液管柱及技術(shù)的成功研制及現(xiàn)場實踐,解決了目前射孔作業(yè)中存在的一些難題,必將會得到進一步的推廣和應(yīng)用。該技術(shù)尤其適用于高溫高壓井、油氣井套管壓力操作窗口較小井、井漏無法進行環(huán)空加壓井等一些復(fù)雜情況下的射孔作業(yè)。

(2) 解決了目前油管傳輸壓力開孔延時射孔管柱中存在的井控風險,提高了油氣井試油完井作業(yè)的安全性和可靠性。一旦井口出現(xiàn)復(fù)雜異常情況,可以通過高溫高壓射孔自動進液管柱中的進液孔進行小排量反循環(huán)壓井作業(yè),施工壓力不超過壓力起爆器的安全起爆最低壓力即可。

(3) 高溫高壓射孔自動進液管柱及作業(yè)方法能實現(xiàn)下放射孔管柱過程中,依靠井內(nèi)壓力實現(xiàn)單向自動進液,同時又能實現(xiàn)油管或鉆桿內(nèi)加壓起爆的目的,提高了作業(yè)時效。

(4) 減少了射孔作業(yè)時間,可以有效降低高溫火工品在高溫長時間條件下的晶粒分解速度,確保起爆、傳爆及射孔性能。降低了射孔作業(yè)時的施工壓力,可以有效保護油氣井套管,保障射孔作業(yè)時的井筒完整性。

參考文獻:

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