謝新華，曾金輝，王建明, 董文強(qiáng), 梁玉斌，張?zhí)m江，冼甲豪，李志達(dá)

1中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2中國(guó)石油川慶鉆探公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院 3中國(guó)石油玉門油田分公司井下作業(yè)公司

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)水平井主要采用管外無(wú)封隔器的篩管完井方式[1]，如圖1所示，地層出水可以在篩管和井壁之間的環(huán)形空間徑向和橫向流動(dòng)，在實(shí)施堵水工藝技術(shù)時(shí)只能選擇化學(xué)方法進(jìn)行堵水，此類水平井實(shí)施堵水措施最困難[2-3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)環(huán)空化學(xué)封隔器(ACP)的化學(xué)凝膠材料在研究上取得了突破性進(jìn)展[4-7]，促進(jìn)了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)各大油田的應(yīng)用，但是擠注管柱外徑一般較大，最小管柱外徑僅為63.5 mm[8]。由于國(guó)外對(duì)過(guò)油管膨脹關(guān)鍵工具的技術(shù)封鎖，如小直徑高膨脹率封隔器服務(wù)費(fèi)用昂貴[9]，國(guó)內(nèi)對(duì)于過(guò)油管封隔器的研究還非常少見(jiàn)，過(guò)?73 mm油管堵水技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)應(yīng)用的案例，因此對(duì)能過(guò)油管封隔大尺寸篩管再回收的小直徑封隔器的國(guó)產(chǎn)化研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 水平井完井示意圖

為了解決以上問(wèn)題，開發(fā)研制了?49 mm的小直徑膨脹封隔器，具有較大膨脹率及較好恢復(fù)率，并配套了過(guò)油管堵水工藝管柱。該管柱具有過(guò)油管帶壓作業(yè)，能實(shí)現(xiàn)過(guò)?73 mm油管封隔?139.7 mm篩管，一趟堵水管柱可完成多次環(huán)空化學(xué)封隔器分段封隔和地層分段化學(xué)封堵工藝，且作業(yè)后可過(guò)油管回收，達(dá)到不動(dòng)管柱情況下實(shí)施堵水作業(yè)，大大提高了堵水作業(yè)時(shí)效。

1 關(guān)鍵工具研制

1.1 K344-49小直徑膨脹封隔器

根據(jù)K344型小直徑膨脹封隔器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中由于膠筒原因?qū)е旅芊馐У那闆r[10]，對(duì)工具設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)：①優(yōu)化膠筒橡膠配方，優(yōu)選出具有較高熱延伸率和剪切強(qiáng)度的彈性橡膠材料，提高了耐溫、耐壓以及膨脹性能；②膠筒總成內(nèi)鋼帶優(yōu)選強(qiáng)度高、抗腐蝕斷裂性好及可熱處理的材料，對(duì)鋼帶結(jié)構(gòu)先進(jìn)行整體硫化處理再進(jìn)行注膠,保證了鋼帶和橡膠的膠結(jié)強(qiáng)度及橡膠在鋼帶上的附著力,避免了膠筒在膨脹過(guò)程中鋼帶和橡膠脫離致密封失效的情況；③原設(shè)計(jì)擴(kuò)張式封隔器膠筒兩端采用固定安裝方式,膨脹過(guò)程中膠筒內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力，因此膨脹率較低，且極易造成膠筒破裂。采用一端固定另一端浮動(dòng)的設(shè)計(jì),膠筒總成膨脹過(guò)程中內(nèi)部拉伸應(yīng)力大大降低,相應(yīng)的膨脹率也顯著提高，同時(shí)由于膠筒總成一端可在中心管上浮動(dòng)，增強(qiáng)了膠筒解封后的恢復(fù)性能。K344-49小直徑膨脹封隔器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.上接頭；2.密封膠圈；3.中心管；4.膠筒總成；5.浮動(dòng)頭；6.密封膠圈。

坐封原理：在堵水工藝管柱連續(xù)擠注時(shí)，節(jié)流器由于開孔小，在一定排量下產(chǎn)生節(jié)流阻力，從而使管柱內(nèi)、外產(chǎn)生壓差,小直徑膨脹封隔器開始膨脹坐封，液體經(jīng)過(guò)封隔器中心管上的注入孔進(jìn)入膠筒總成的內(nèi)部氣囊，最終實(shí)現(xiàn)膠筒總成膨脹后與套管或篩管壁之間的錨定及密封。該封隔器膨脹率超過(guò)2.5倍時(shí)在管柱中的坐封狀態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 K344-49小直徑膨脹封隔器坐封試驗(yàn)

解封原理：停止擠注作業(yè)后，由于無(wú)流體流動(dòng),節(jié)流阻力消失，節(jié)流壓差降為零，封隔器膠筒總成開始收縮，實(shí)現(xiàn)解封。

技術(shù)參數(shù)：封隔器鋼體最大外徑50 mm，膠筒總成外徑49 mm，耐溫140 ℃，起始坐封壓差0.8 MPa，工作壓差7 MPa，封隔外徑為139.7 mm的管柱，最大承壓壓差22 MPa，膠筒恢復(fù)率大于85 %。

1.2 滑套短節(jié)

由于K344-49型小直徑膨脹封隔器起始坐封壓差低(小于1 MPa)，工藝管柱的設(shè)計(jì)上必須提供一個(gè)泄壓通道，使管柱起、下過(guò)程中保持內(nèi)、外壓力平衡，避免封隔器因?yàn)閴翰疃崆白?。滑套短?jié)內(nèi)通過(guò)免投球及擋環(huán)設(shè)計(jì)將鋼球置于擋環(huán)與球座之間，確保管柱下入過(guò)程中內(nèi)、外暢通。擠注作業(yè)過(guò)程時(shí)，鋼球坐落到球座上，通道單向密封，滿足擠注作業(yè)要求。擠注作業(yè)結(jié)束后，作業(yè)管柱緩慢上提至盲管段，憋壓剪切剪釘，球座落入篩管內(nèi)，管柱內(nèi)、外重新保持暢通，則可起出管柱?；锥坦?jié)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.接頭；2.擋環(huán)；3.鋼球；4.剪釘；5.球座；6.防退剪釘；7.泄流孔。

1.3 地面功能性試驗(yàn)

將堵水工具串放入?139.7 mm鋼管中，在保持鋼管上的孔眼與節(jié)流器上的通徑大小一致情況下，對(duì)節(jié)流器噴嘴當(dāng)量直徑分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm時(shí)進(jìn)行擠注工藝模擬試驗(yàn)，證實(shí)了該封隔器在膨脹率達(dá)2.59倍時(shí)在管柱中作業(yè)的可行性與有效性。

通過(guò)試驗(yàn)得到了不同型號(hào)噴嘴下的節(jié)流壓差與排量關(guān)系曲線(圖5),從圖5中可看出，節(jié)流孔徑越小，節(jié)流壓差越大，但是相應(yīng)泵壓會(huì)越大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，考慮沿程管損、泵壓、連續(xù)油管內(nèi)ACP剪切速度之間的影響，?38 mm連續(xù)油管選擇0.15～0.2 m3/min的排量是合適的。因此推薦施工作業(yè)時(shí)節(jié)流器當(dāng)量孔徑為7 mm,排量為0.15～0.2 m3/min，節(jié)流壓差在3～6 MPa之間。

圖5 不同噴嘴當(dāng)量直徑下節(jié)流壓差與排量的關(guān)系圖

2 配套工藝技術(shù)

連續(xù)油管過(guò)油管堵水工藝管柱[11]結(jié)構(gòu)如圖6所示。施工時(shí)，將堵水工藝管柱下至篩管目的段，由連續(xù)油管內(nèi)打壓注入前置液，滑套短節(jié)封閉管柱尾端，封隔器在節(jié)流器的壓差損失作用下膨脹并坐封在篩管基管內(nèi)，前置液經(jīng)節(jié)流器擠注清洗篩管與出水層段井壁的環(huán)形空間，再擠注ACP堵劑，待ACP堵劑達(dá)到施工設(shè)計(jì)量后，擠入后置液頂替連續(xù)油管內(nèi)ACP堵劑，頂替結(jié)束后小直徑膨脹封隔器泄壓解封，可進(jìn)行下一目的段擠注作業(yè)。作業(yè)結(jié)束后將工藝管柱提至盲管內(nèi)，加壓剪切滑套短節(jié)內(nèi)球座，形成向下過(guò)流通道，則提出工藝管柱。

1.連續(xù)油管；2.丟手短節(jié)；3.柔性短節(jié)；4.滾輪扶正器；5.小直徑膨脹封隔器；6.節(jié)流器；7.滑套短節(jié)。

連續(xù)油管過(guò)油管堵水工藝管柱技術(shù)特點(diǎn)：管柱最大外徑50 mm；最小可過(guò)內(nèi)徑為58.75 mm的工作筒，并完成回收作業(yè)；最大封隔外徑139.7 mm篩管;不動(dòng)管柱帶壓作業(yè)，最大限度減少了對(duì)儲(chǔ)層的傷害；一趟堵水工藝管柱可完成多次環(huán)空化學(xué)封隔器分段封隔和地層分段化學(xué)封堵工藝。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

連續(xù)油管過(guò)油管堵水管柱在渤海油田西部區(qū)域開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。JJSY-2H井井深為1 808 m，油管管柱結(jié)構(gòu)自下而上為：浮鞋+?139.7 mm篩管扶正器+?139.7 mm篩管+?139.7 mm盲管+?139.7 mm篩管扶正器+變扣+?73 mm EU油管+工作筒(內(nèi)徑58.75 mm)+?73 mm EU油管+變扣+?88.9 mm EU油管+變扣接頭及三通。井筒灌滿水后采用?38 mm連續(xù)油管將過(guò)油管堵水管柱順利送至1 485 m處?139.7 mm篩管內(nèi)，開始啟泵并緩慢提高排量，封隔器開始坐封，觀察泵排量，當(dāng)排量開始下降，井口壓力上升，封隔器坐封完成；井口泄壓，封隔器解封。將管柱上提至盲管內(nèi)，連續(xù)油管內(nèi)緩慢加壓到3 MPa，封隔器坐封，停泵關(guān)閉旋塞閥，穩(wěn)壓30 min壓力不降，再泄壓解封。依次加壓到5 MPa、7 MPa、9 MPa，每個(gè)階段穩(wěn)壓30 min壓力均不降。繼續(xù)加壓至12 MPa后井口壓力突然下降，滑套短節(jié)內(nèi)球座剪切成功，球座落入篩管內(nèi)，封隔器解封，5次重復(fù)坐封解封試驗(yàn)完成。該管柱起出過(guò)程中，經(jīng)過(guò)內(nèi)徑為58.75 mm工作筒時(shí)懸重增加0.25 t。作業(yè)后封隔器膠筒上端最大直徑56 mm，膠筒中端最大直徑52 mm，膠筒下端最大直徑57 mm，封隔器的恢復(fù)率接近86%。K344-49小直徑膨脹封隔器作業(yè)前后如圖7、圖8所示。

圖7 K344-49小直徑膨脹封隔器作業(yè)前示意圖

圖8 K344-49小直徑膨脹封隔器作業(yè)后示意圖

4 結(jié)論

(1)成功研制出過(guò)油管小直徑膨脹封隔器，能實(shí)現(xiàn)過(guò)?73 mm油管并封隔?139.7 mm篩管，膨脹率達(dá)2.5倍，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，為國(guó)內(nèi)過(guò)油管堵水技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了有效保障，但膠筒的恢復(fù)性能有待進(jìn)一步提高。

(2)優(yōu)化配套了過(guò)油管堵水管柱工具，一趟堵水管柱可完成多次環(huán)空化學(xué)封隔器分段封隔和地層分段化學(xué)封堵作業(yè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)連續(xù)油管過(guò)油管堵水管柱工藝空白。

(3)在使用?38 mm連續(xù)油管施工作業(yè)時(shí)推薦節(jié)流器當(dāng)量孔徑為7 mm、排量為0.15～0.2 m3/min，節(jié)流壓差在3～6 MPa之間。