水平井管柱液壓扶正器的研制與初步應用

張 勇

(中油吉林油田公司，吉林 松原 138000)

水平井管柱液壓扶正器的研制與初步應用

張 勇

(中油吉林油田公司，吉林 松原 138000)

針對水平井管柱受重力效應影響，導致封隔器膠筒受力不均，密封性能下降，不能長期有效分隔水平井層段的問題，開展工藝技術研究，研制出了水平井管柱液壓扶正器。通過地面模擬試驗，對工具設計思路、加工材質、裝配工藝及性能進行了驗證。經現場試驗及應用，該工具坐封扶正時能夠確保水平井管柱處于居中位置，保證了封隔器的密封性能，滿足有效分隔目的層段的要求;在釋放扶正力時，可安全可靠撤回扶正機構，減少了修井作業時的安全隱患。適用于水平井、斜井及大位移井的分段壓裂、堵水、注水等工藝施工，具有較高的推廣應用價值。關鍵詞:水平井管柱;液壓扶正器;結構;原理;應用

引 言

水平井技術［1－3］起源于20 世紀30 年代，發展于80年代，成熟于90年代。進入新世紀，為了提高單井產量和原油采收率，降低開發生產成本，水平井技術更加廣泛的用于開發各種油氣藏，并先后取得了顯著的經濟效益，應用規模迅速擴大。水平井技術已成為開發“三低”油田，提高采收率的重要技術手段。目前吉林油田水平井鉆井技術［4］已日趨完善，并以此為基礎發展了包括水平井采油［5］、分段壓裂［6］、找水堵水、分段注水［7－9］、大修打撈［10－12］等在內的多項配套工藝技術。但現場應用中，還存在工藝技術配套性差，工具不匹配，性能不穩定等問題。水平井管柱在水平段因受重力效應影響，管柱在徑向分力的作用下，引起封隔器膠筒受力不均，使封隔器的密封性能下降，導致目的層段不能有效分隔，分段注水、分段壓裂、機械找水堵水等工藝管柱不能實現設計目的。水平井液壓扶正器就是為此研制的一種水平井管柱配套工具。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

水平井液壓扶正器主要由液壓機構、鎖緊機構、扶正機構和釋放機構組成。液壓機構主要由上接頭、中心管、錐體活塞、缸套、啟動剪釘以及密封圈組成。扶正機構由錐體活塞、扶正塊、彈簧和扶正套等組成。鎖緊機構由中心管、鎖簧和錐體活塞等組成。釋放機構由上接頭、中心管、釋放銷釘、釋放卡簧、釋放剪釘、剪釘環以及擋環等組成。

1.2 工作原理

(1)啟動扶正機構。將水平井液壓扶正器連接在封隔器上端或下端，下入水平井內設計位置。在油管內施液壓時，水平井液壓扶正器的液壓機構啟動，扶正水平井管柱。當油管內壓力大于8 MPa時，啟動剪釘被剪斷，錐體活塞在液壓力作用下下移，推動鎖簧下行，將扶正塊推出扶正在套管之上。同時扶正塊與扶正套之間的壓簧被壓縮而儲存能量，當釋放扶正力時，起到復位的作用。這時鎖簧與中心管上的細螺紋進行斜面鎖緊。當液壓力消除后錐體活塞與扶正塊都無法收回，起到長期有效扶正居中水平井管柱的目的。

(2)撤回扶正機構。修井作業時上提水平井管柱，釋放剪釘被剪斷，上接頭和中心管上行帶動鎖簧上行，鎖簧帶動錐體活塞撤出錐面扶正，同時中心管上的釋放卡簧和錐體活塞上的釋放銷釘也帶動錐體活塞撤出錐面扶正，迫使扶正塊在壓縮彈簧儲存彈力作用下收回扶正塊。同時水平井管柱上的重力效應也迫使扶正塊在重力作用下收回扶正塊，有效地減少了水平井作業的安全隱患。

2 設計要點及主要技術參數

2.1 液壓扶正機構設計

徑向圓周均勻布置6個扶正塊，確保水平井管柱在水平井段上始終處于居中位置，減少了重力效應的影響。

2.2 鎖緊機構設計

設計螺紋與斜面配合的鎖緊機構，在中心管和鎖簧上設計細螺紋，當液壓啟動錐體活塞時，鎖簧隨其向下移動，錐體活塞推起扶正塊，鎖簧在錐體活塞的斜面作用下鎖緊，防止扶正塊因泄壓而回位，提高了扶正效果。

2.3 儲能彈簧設計

在扶正塊上設計了儲能彈簧，液壓啟動扶正時儲存能量，并輔助鎖緊扶正。泄掉液壓后，扶正塊無法收回，保持扶正居中狀態。在上提管柱時儲存的彈性能量幫助扶正塊復位。

2.4 徑向溝槽設計

扶正塊上的橡膠采用徑向溝槽設計，增大了相互間的摩擦力，同時也減少了水平井管柱蠕動，為上提釋放扶正器提供足夠的摩擦力。

2.5 釋放撤回機構設計

修井作業上提管柱時，鎖簧、釋放卡簧和釋放螺釘在中心管帶動下強制撤回扶正力，減少了水平井修井作業安全隱患。

2.6 主要技術參數

水平井液壓扶正器主要技術參數包括:總長度為600 mm，最大外徑為?114 mm，最小通徑為?62 mm，啟動扶正壓力為8 MPa，釋放力為20 kN。

3 現場試驗

3.1 地面試驗情況

為盡快投入到現場應用中，工具研制成功后，進行了地面試驗。首先從油管內施液壓約為8 MPa，然后上提油管觀察水平井液壓扶正器的撤回扶正力。進行多次地面試驗成功后定型。地面試驗的情況數據見表1。可以看出，水平井液壓扶正器的工作性能良好，啟動扶正機構后無滲漏，密封性能良好，上提油管的撤回扶正力達到了設計的技術指標，滿足現場試驗的參數要求，認為該工具可以進行先導性現場應用。

表1 水平井液壓扶正器的地面試驗數據

3.2 現場應用情況

水平井液壓扶正器自2010年10月至今在扶余采油廠的水平井井下分注工藝管柱中配合水平井封隔器應用了2井次。

現場實例:扶平201井油井轉注。該井射孔完井，人工井底為720.89 m;管外水泥返高至地面;套管深度為732.28 m，外徑為139.7 mm，內徑為124.26 mm;固井質量合格。2008年7月28日投產，2010年10月15日地質要求轉注，4段注水。2010年11月2日上大修，起出井下桿管及配件;探砂面，沖砂至人工井底，刮套至射孔底界;用2個SPK344－110封隔器夾1個2 m短接代替通井規通井至人工井底，未遇阻;從410 m至井口驗竄查套，無漏點;按射孔通知單要求對1～4號解釋層進行補孔，數據見表2。按設計要求配下分段注水管柱。2010年11月3日連接好井口，用泵車打壓至9 MPa，啟動液壓扶正塊，停泵30 min，緩慢釋放掉壓力。試注水，井口不刺、不漏、不滲，管柱不漏，施工作業結束。

表2 扶平201井補孔參數

井下配件型號包括:水平井封隔器(SPK344－110)+水平井井下配水器;高壓分注井口，最大承受壓力為21 MPa;水平井管柱液壓扶正器，納米涂料油N80(其公稱直徑約為73 mm)。

扶平84井轉注，作業工序類同于扶平201井，差別為只對2～4號解釋層進行了補孔。

3.3 效果評價

2010年12月對上述2口轉注井注水情況進行了測調試，各段封隔器、配水器工作正常，注水量滿足配注計劃 (表3)，達到了地質分4段注水的目的。這證明水平井液壓扶正器在封隔器坐封時，液壓扶正功能正常，實現了配水管柱位置居中，保障了水平井注水管柱封隔器在井下的密封性能。

表3 水平井井下分注實注情況

4 施工要點及注意事項

(1)下入水平井管柱液壓扶正器前應通井、沖砂和刮削套管。

(2)將水平井液壓扶正器連接在封隔器上下端部，或者按封隔器間距，只安裝在封隔器的上端或下端。

(3)扶正點應盡可能地避開套管接箍。

(4)采用液壓啟動扶正功能時，應在水平井液壓扶正器的工作范圍內，即液壓力低于70 MPa。

(5)修井作業時上提水平井管柱達到釋放力即可釋放扶正機構。

5 結論

(1)保持扶正塊對套管的扶正居中功能，同時在上提管柱時安全方便地撤回扶正塊是水平井液壓扶正器的技術關鍵。

(2)水平井液壓扶正器使水平井管柱不受重力效應影響，保證封隔器在井下密封工作性能良好，實現有效分隔目的層段。

(3)水平井液壓扶正器適用于水平井、斜井及大位移井的分段壓裂、分段注水、機械找水堵水等工藝施工。

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Development and application of hydraulic centralizer for horizontal well

ZHANG Yong
(Jilin Oilfield Company，PetroChina，Songyuan，Jilin138000，China)

The pipe string in horizontal well is affected by gravitational force，resulting in uneven stress on packer rubber，thus reduced its sealing property and made it incapable of long－term isolation for horizontal intervals．To solve this problem，hydraulic centralizer has been developed for horizontal well．The centralizer has been tested for design concept，material，assembly process and performance through model tests．Field test and application have shown that this tool can centralize the pipe string in horizontal well，ensure packer sealing property and effectively isolate target intervals．When the centralizing force is released，the centralizing mechanism can be withdrawn safely，thereby reduced risks in workover operation．This centralizer can be applied to multistage fracturing，water shutoff and water injection in horizontal well，deviated well and extended reach well，and is highly worth popularizing．

horizontal well pipestring;hydraulic centralizer;structure;principle;application

TE358

A

1006－6535(2011)05－0111－03

20110325;改回日期20110615

吉林油田公司“水平井低滲透改造攻關”項目部分內容(JY07A－2－4－1)

張勇(1970－)，男，工程師，1999年畢業于大慶石油學院采油工程專業，現從事石油工程、油氣開采的研究及管理工作。

編輯 王 昱