自膨脹封隔器技術(shù)在完井作業(yè)中的應(yīng)用

劉 陽(yáng)，馬蘭榮，郭朝輝，楊德鍇

（德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州253005） ＊

自膨脹封隔器技術(shù)在完井作業(yè)中的應(yīng)用

劉 陽(yáng)，馬蘭榮，郭朝輝，楊德鍇

（德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州253005）＊

自膨脹封隔器是近幾年來(lái)分段完井工具的研究熱點(diǎn)，它是以遇油或者遇水膨脹橡膠作密封材料，通過(guò)與井眼內(nèi)液體接觸脹封實(shí)現(xiàn)充填環(huán)空的。通過(guò)分析自膨脹封隔器相對(duì)于常規(guī)裸眼封隔器的技術(shù)特點(diǎn)，論述了其技術(shù)研究過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)水平井小井眼裸眼完井、智能完井以及篩管分段完井中常規(guī)工藝以及技術(shù)的不足，探討了自膨脹封隔器在國(guó)外分段完井作業(yè)中的應(yīng)用效果，為自膨脹封隔器技術(shù)的深入研究和國(guó)內(nèi)的應(yīng)用推廣起到了促進(jìn)作用。

自膨脹封隔器；遇油／遇水膨脹封隔器；分段完井；智能完井；篩管完井

近年來(lái)，國(guó)家重視對(duì)頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等非常規(guī)油氣藏資源的勘探開(kāi)發(fā)，水平井鉆井技術(shù)因其能夠大幅度提升這類油氣藏的開(kāi)發(fā)效率而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］。水平井固井存在質(zhì)量差、頂替效率低、壓裂竄槽嚴(yán)重以及水泥漿對(duì)儲(chǔ)層污染等技術(shù)難題。為了保護(hù)儲(chǔ)層，增加井筒與油層的接觸泄油面積，減少滲流阻力，提高單井產(chǎn)量和最終采收率，通常采用裸眼完井代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固井＋射孔完井作業(yè)。在這種高溫、高壓、出砂等復(fù)雜井眼條件下，如何有效地實(shí)現(xiàn)分段智能完井來(lái)克服水平井篩管完井后的出水問(wèn)題，如何解決魚(yú)骨狀水平分支井等小井眼使用的小尺寸完井工具的下入問(wèn)題，如何解決熱采井出砂造成的篩管損壞停產(chǎn)等縮短有效生產(chǎn)周期的問(wèn)題，都對(duì)常規(guī)封隔器提出了新的挑戰(zhàn)。

自膨脹封隔器以其簡(jiǎn)單、靈活和可靠的性能解決了這些問(wèn)題。在國(guó)外從概念到應(yīng)用僅有10a時(shí)間，技術(shù)主要集中在斯倫貝謝、威德福等幾家公司手中，至今已有超過(guò)20 000多套應(yīng)用于海洋和陸地環(huán)境［2］。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，且以國(guó)外產(chǎn)品為主導(dǎo)。國(guó)內(nèi)研究自膨脹封隔器的機(jī)構(gòu)較少，且存在橡膠種類單一、脹封時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，因此，加強(qiáng)自膨脹封隔器關(guān)鍵技術(shù)研究是非常有必要的。

1 工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 工作原理

自膨脹封隔器是一種以遇油／遇水膨脹的橡膠為密封材料，選用常規(guī)套管或油管作為基管，通過(guò)將橡膠與基管纏繞硫化為一體而制成的封隔器，其整體結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，如圖1所示。自膨脹封隔器隨完井管柱下入井內(nèi)，當(dāng)?shù)竭_(dá)需要隔離的層段時(shí)，遇油或遇水膨脹橡膠接觸井眼內(nèi)液體開(kāi)始持續(xù)膨脹。

圖1 自膨脹封隔器

遇水膨脹橡膠是基于滲透膜原理研制的高分子材料，主要由橡膠本體和親水性物質(zhì)組成。橡膠本體是疏水性材料，但當(dāng)其中親水性物質(zhì)與水接觸后，由于半透膜內(nèi)外有鹽度差，水分子通過(guò)擴(kuò)散、毛細(xì)以及表面吸附等物理作用穿過(guò)半透膜進(jìn)入橡膠內(nèi)，吸水性物質(zhì)被水溶解后，橡膠內(nèi)外滲透壓差增大，促使其進(jìn)一步吸收水分，完成充填環(huán)空的過(guò)程。低礦化度越低、溫度越高，膨脹速度越快，脹封的膠筒如果暴露在干燥或者酸性環(huán)境中，水分子還會(huì)滲透出來(lái)，使膠筒收縮［3］。

遇油膨脹橡膠是基于吸油溶脹原理制備的親油性功能高分子材料。該材料在傳統(tǒng)橡膠基體上引入親油性官能團(tuán)或親油性組分，當(dāng)油浸入橡膠基體，親油性組分迅速與油結(jié)合并溶解膨脹。遇油膨脹橡膠在高溫中比在常溫中膨脹速度快，在輕油中比在重油中膨脹速度快，脹封后即使是暴露在干燥、高礦化度水中或者酸性環(huán)境中，膠筒也不會(huì)收縮［4］。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的裸眼封隔器包括壓縮式和水力擴(kuò)張式2種。壓縮式裸眼封隔器雖然可以在較短的密封長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的封隔壓差，但膨脹率較低，對(duì)井眼規(guī)則程度要求較高，外徑尺寸較大，下入過(guò)程存在遇卡風(fēng)險(xiǎn)。水力擴(kuò)張式封隔器膨脹率大，但壽命短、封隔壓差低，而且膠筒在通過(guò)狗腿度較大井段時(shí)易損壞失效［5－7］。

自膨脹封隔器相對(duì)于上述2種封隔器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 封隔器無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，簡(jiǎn)化了整體結(jié)構(gòu)并可以減小外形尺寸，便于下入，更適用于超深井、大位移井、大斜度井等復(fù)雜油氣井的完井作業(yè)，能夠提供比傳統(tǒng)裸眼封隔器更長(zhǎng)的膠筒密封長(zhǎng)度。

2） 操作簡(jiǎn)捷，無(wú)需單獨(dú)下入坐封工具，簡(jiǎn)化了完井施工工藝，提高了完井作業(yè)效率，降低了成本［8］。

3） 橡膠受井壁尺寸限制不會(huì)達(dá)到膨脹極限，在未達(dá)到內(nèi)外平衡之前，將會(huì)持續(xù)吸收井眼內(nèi)液體，自動(dòng)填充裸眼不規(guī)則井徑。對(duì)不同井況的適應(yīng)能力強(qiáng)，在多種地層條件下，均可實(shí)現(xiàn)層段的有效隔離，封隔壓差高，最高可達(dá)69MPa（10 000psi）。

4） 遇水／遇油膨脹橡膠脹封后，對(duì)井底溫度、礦化度、酸堿度的變化不敏感，密封性能可靠，壽命長(zhǎng)。橡膠具備自修復(fù)功能，即使是下入過(guò)程中輕微損傷，也不影響脹封后的封壓性能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 遇油／遇水膨脹橡膠材料的制備及性能評(píng)價(jià)方法體系

1） 遇油／遇水膨脹橡膠的制備。需要加強(qiáng)對(duì)吸油、吸水聚合物的研制，進(jìn)一步加深對(duì)橡膠在不同溫度、不同激活介質(zhì)中膨脹時(shí)間、膨脹率以及膨脹后穩(wěn)定性控制的研究。研究表明：自膨脹橡膠膨脹率在200%左右時(shí)，硬度和拉伸強(qiáng)度在比較理想的范圍內(nèi)；膨脹率過(guò)大時(shí)，橡膠硬度下降，承壓能力降低；膨脹率過(guò)小時(shí)，達(dá)不到密封效果［9］。

2） 自膨脹橡膠粘結(jié)硫化工藝的研究。膠料先通過(guò)粘結(jié)纏繞固定在基管上，通過(guò)高溫硫化使之成為一體。粘結(jié)硫化工藝的優(yōu)劣直接影響到粘結(jié)處的密封性能。試驗(yàn)表明：在橡膠膨脹過(guò)程中，兩端端環(huán)限制了橡膠的軸向膨脹，膨脹所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力會(huì)迫使膠筒兩端隆起，如果膠筒與基管結(jié)合處出現(xiàn)縫隙，就會(huì)導(dǎo)致井內(nèi)液體的滲入，持續(xù)的膨脹會(huì)促使膠筒與基管脫開(kāi)，降低其密封能力。

3） 通過(guò)對(duì)井下條件的模擬制定完善合理的試驗(yàn)方案。探尋不同膠筒長(zhǎng)度和厚度的樣機(jī)在不同井眼內(nèi)封壓能力的關(guān)系；針對(duì)不同的化學(xué)環(huán)境、溫度及油水比，對(duì)備選橡膠配方進(jìn)行膨脹以及封壓試驗(yàn)，測(cè)試在不規(guī)則井眼中的封壓能力以及膨脹時(shí)間和膨脹率關(guān)系。

2.2 膠筒端部防突保護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)高溫?zé)岵删毫炎鳂I(yè)層段的特殊要求，應(yīng)盡可能提高膠筒單位長(zhǎng)度的密封能力［8］。試驗(yàn)表明：膠筒脹封時(shí)，由于受井壁限制，橡膠會(huì)軸向流動(dòng)，隨著與井內(nèi)液體接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，膠筒會(huì)從端環(huán)撕裂擠出，降低其承壓能力。合理的防突保護(hù)結(jié)構(gòu)能有效防止脹封過(guò)程中端部橡膠的擠出［10－11］。

威德福Fraxsis系列自膨脹封隔器膠筒端環(huán)采用4層防突金屬支撐環(huán)設(shè)計(jì)，如圖2所示。防突環(huán)隨膠筒脹封而脹開(kāi)，防止橡膠擠出。這種防突金屬支撐環(huán)能夠增強(qiáng)膠筒的承壓能力，提高穩(wěn)定性，比無(wú)防突機(jī)構(gòu)的自膨脹膠筒在同樣井徑內(nèi)封隔能力提升1倍。以基管尺寸為?114.3mm（4英寸），膠筒長(zhǎng)度為1.524m（5英尺）的封隔器為例，采用該端環(huán)結(jié)構(gòu)的Fraxsis系列產(chǎn)品封隔壓差可達(dá)41.4MPa（6 000psi），而無(wú)防突保護(hù)裝置的Genisis系列產(chǎn)品只能達(dá)到20.7MPa（3 000psi）。

圖2 威德福Fraxsix系列自膨脹膠筒的防突保護(hù)裝置

3 在完井作業(yè)中的應(yīng)用

3.1 水平井小井眼裸眼完井

在頁(yè)巖氣等低滲油氣藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常會(huì)采用水平井以及分支側(cè)鉆水平井的方式來(lái)提高井眼與油藏接觸面積，以提高單井產(chǎn)量。而在老區(qū)塊老井改造過(guò)程中，會(huì)通過(guò)在原有井眼上開(kāi)窗側(cè)鉆井眼來(lái)重新獲得產(chǎn)能。針對(duì)小井眼的固完井作業(yè)，傳統(tǒng)的固井＋選擇性射孔方式會(huì)遇到固井質(zhì)量差、工具難以下入等技術(shù)難題；同時(shí)，水泥漿可能損害油氣層，將原有的許多地層裂縫封堵，不利于泄油。裸眼完井方式將產(chǎn)層完全裸露，可保護(hù)油氣藏，并對(duì)指定層段進(jìn)行增產(chǎn)改造。由于坐封操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得自膨脹封隔器能夠克服以上技術(shù)難題，更適用于這類復(fù)雜油氣井的裸眼完井作業(yè)［12－13］。

圖3為沙特阿美石油公司某區(qū)塊1口1999年完鉆的水平井，?177.8mm（7英寸）技術(shù)套管下是670m長(zhǎng)的155.58mm（6英寸）裸眼段。6a后，含水量上升至90%，從?177.8mm（7英寸）尾管上開(kāi)窗側(cè)鉆?139.7mm（5英寸）水平井眼，在2 011～2 048m層段時(shí)鉆遇水層，下入?114.3mm（4英寸）尾管固井成功封堵水層。繼續(xù)使用?98.425mm（3英寸）鉆頭鉆至井底，垂深2 682m，在2 312m鉆遇漏失層。下入帶有4個(gè)遇水膨脹封隔器的?60.325mm（2英寸）裸眼完井管串：其中2個(gè)遇水膨脹封隔器放置在2 301m和2 331m位置處封堵漏失層；1個(gè)遇水膨脹封隔器作為尾管頂部封隔器提供?114.3mm（4英寸）尾管和裸眼段之間環(huán)空隔離；另外1個(gè)遇水膨脹封隔器下入2 496m處以防止井底緩慢出水，改善入流剖面。這4個(gè)遇水膨脹封隔器是基于?60.325mm（2英寸）油管制成，膠筒外徑?88.9mm（3英寸），長(zhǎng)度均為5m以保證足夠的密封長(zhǎng)度。該井于2007－11改造完成，日產(chǎn)原油3 400桶，含水量?jī)H為3.9%，較側(cè)鉆之前含水量大幅下降［14］。

3.2 智能完井系統(tǒng)

研究人員利用自膨脹橡膠的自我修復(fù)特性實(shí)現(xiàn)封隔器膠筒割槽電纜穿越技術(shù)，如圖4所示。封隔器過(guò)電纜的方案既保證控制線和傳輸線直達(dá)地面，又簡(jiǎn)化了完井程序，降低成本30%～40%，避免了傳統(tǒng)智能完井過(guò)程中電纜過(guò)封隔器時(shí)的拼接造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定因素。

圖3 自膨脹封隔器實(shí)現(xiàn)層間隔離

圖4 自膨脹封隔器電纜穿越技術(shù)

圖5為中東某口分支井的智能完井系統(tǒng)布置圖。上層為?177.8mm（7英寸）技術(shù)套管，下層水平段采用?165.1mm（6英寸）裸眼完井，水平段的分支井采用Tendeka公司的Swellfix遇油膨脹封隔器進(jìn)行封隔，代替固井；在打開(kāi)油氣層后，地層中的油氣流出后封隔器即可脹封，隔離各分支井段，從而實(shí)現(xiàn)了一趟管柱完井。從儲(chǔ)層延伸到地面的電纜能夠通過(guò)層段控制閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)分支井的遠(yuǎn)程管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，克服下管柱試井分析引起的模糊性和不確定性［15］。該智能完井方案具有以下特點(diǎn)：

1） 自膨脹封隔器對(duì)不同井況的適應(yīng)能力強(qiáng)，適合為裸眼不規(guī)則井徑提供有效的層段隔離。

2） 間隔控制閥控制各層段產(chǎn)／注液情況，能夠控制從特定油藏層段采油，實(shí)現(xiàn)多層合采或單采，適用于油層性質(zhì)差異較大的合采井［13］。

3） 井筒內(nèi)的傳感器監(jiān)測(cè)壓力和溫度，管內(nèi)封隔器封隔下部井眼。

圖5 Swellfix遇油自膨脹封隔器智能完井系統(tǒng)布置

3.3 篩管分段完井

許多水平井層位的非均質(zhì)性較嚴(yán)重，油水夾層、油水同層較多，給篩管分段完井創(chuàng)造了條件。常規(guī)工藝是在水平篩管段需要隔離的層間接入水力擴(kuò)張式管外封隔器，通過(guò)坐封工具依次對(duì)多個(gè)封隔器坐封。但水力擴(kuò)張式管外封隔器易失效，補(bǔ)救操作困難。自膨脹封隔器壽命長(zhǎng)、性能可靠，將自膨脹封隔器下入井內(nèi)，無(wú)需井口加壓或者下內(nèi)管作業(yè)，投產(chǎn)后一旦出油，封隔器自動(dòng)脹封實(shí)現(xiàn)分層段。采用自膨脹封隔器的篩管分段完井方式，配合井下測(cè)量以及調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整水平段產(chǎn)液剖面平緩?fù)七M(jìn)，延緩底水錐近，能有效延長(zhǎng)水平井無(wú)水采油期。

圖6為北海1口多層油藏的復(fù)雜井，采用固井分層的方式失敗。該井油氣比高，出砂嚴(yán)重，4個(gè)儲(chǔ)層被不穩(wěn)定的砂層隔開(kāi)，出水出砂嚴(yán)重，且砂粒膠結(jié)差，油水乳狀液致使篩管堵塞，產(chǎn)量降低。在?215.9mm（8英寸）的裸眼內(nèi)下入?177.8mm（7英寸）防砂篩管＋遇水膨脹封隔器的完井管串，10套Swellpacker遇水膨脹封隔器下入到不同儲(chǔ)層間，實(shí)現(xiàn)了環(huán)空隔離，降低了環(huán)空流速，防止環(huán)空流體帶動(dòng)微小固相沿著防砂篩管表面位移，減小了固體微粒的采出量，保護(hù)了篩管［16］。相對(duì)于傳統(tǒng)礫石充填防砂，降低建井成本30%，減少了作業(yè)時(shí)間，解決了礫石充填層段易竄槽的缺點(diǎn)。

圖6 Swellpacker遇水膨脹封隔器用于篩管分段完井

3.4 多級(jí)壓裂作業(yè)中的環(huán)空隔離

低滲油氣藏需要壓裂增產(chǎn)作業(yè)來(lái)把許多邊界儲(chǔ)量轉(zhuǎn)化為可規(guī)模化開(kāi)采的儲(chǔ)量。帶有防突保護(hù)裝置（如圖7所示）的自膨脹封隔器能夠在多級(jí)壓裂中提供高達(dá)69MPa（10 000psi）的可靠環(huán)空隔離，簡(jiǎn)化了多級(jí)壓裂作業(yè)的管柱結(jié)構(gòu)，確保整個(gè)水平段增產(chǎn)作業(yè)的順利實(shí)施。

圖7 防突端環(huán)

位于美國(guó)蒙大拿州東部Williston盆地的Bakken地層為超高壓地層，壓力113.19～1 652.56 kPa／m（5～73psi／ft）。早期主要采用直井固井＋壓裂增產(chǎn)和水平井固井＋射孔＋壓裂增產(chǎn)的完井方式，這2種方式效率低且單井采收率低，而且壓裂段水泥會(huì)對(duì)產(chǎn)層造成破壞。后期大量采用不固井的尾管和裸眼完井后壓裂增產(chǎn)的完井方式，由于裸眼井沒(méi)有分段環(huán)空隔離，壓裂后投產(chǎn)初期產(chǎn)量提高明顯，但井壁穩(wěn)定性差，產(chǎn)量會(huì)隨著井眼的坍塌而降低；而沒(méi)有分段的尾管則會(huì)造成某些層段不能被完全壓裂的問(wèn)題，增產(chǎn)效果不明顯。近幾年，出現(xiàn)了通過(guò)自膨脹封隔器提供環(huán)空隔離的裸眼完井方式。圖8為1口不采用環(huán)空隔離的不固井尾管完井的三分支水平井，對(duì)三水平段同時(shí)進(jìn)行壓裂改造；圖9為1口采用封隔器＋不固井尾管完井的單水平段井，對(duì)單水平段采用自膨脹封隔器封隔分段隔離并進(jìn)行增產(chǎn)改造［17］。

圖8 三分支水平井

圖9 采用自膨脹封隔器完井的水平井

開(kāi)采半年后對(duì)2口井累計(jì)產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。可見(jiàn)，使用自膨脹封隔器的單水平段井比三分支井產(chǎn)量顯著提高。

圖10 2口井累計(jì)產(chǎn)量對(duì)比

4 結(jié)論

1） 遇油／遇水自膨脹封隔器作為一種新型的封隔器，可以根據(jù)不同地層的油氣含量、井筒條件、作業(yè)要求等，通過(guò)膠筒在井內(nèi)流體中的膨脹來(lái)封隔地層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。

2） 該技術(shù)會(huì)隨著成熟區(qū)塊的增產(chǎn)改造和低滲油氣田的開(kāi)發(fā)力度加大而在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用開(kāi)來(lái)，能夠有效地解決小井眼固井質(zhì)量差、常規(guī)管外封隔器后期失效等問(wèn)題。但該技術(shù)依然存在脹封速度慢（通常在5～7d左右）、短膠筒封壓能力低等問(wèn)題。

3） 為了將自膨脹封隔器技術(shù)的研究體系化、系統(tǒng)化，使之更好地推廣應(yīng)用，需要加強(qiáng)對(duì)自身材料結(jié)構(gòu)和配套工具的優(yōu)化和改進(jìn)，加強(qiáng)對(duì)熱采井、高壓氣井等復(fù)雜井況下自膨脹技術(shù)的研究。

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［17］ Tim Davis，Doug McCrady.Using Swellable Packers to Provide Annular Isolation for Multistage Fracture Treatments［R］.SPE115775，2008.

Researches and Applications on Expandable Packers in Well Completion

LIU Yang，MA Lan－rong，GUO Zhao－h(huán)ui，YANG De－kai
（Shelfoil Petroleum Equipment ＆Services Co.，Ltd.，Dezhou253005，China）

Expandable Packer is a hotspot of segregated completion study for years.Using the oil or water self－expansion rubber as sealing material，the expandable packer can fill the annular by contacting the borehole liquid and setting down.Through analyzing the expandable packer and relative packers’technical characteristics，the key technology during research is discussed.Analyzing the deficiencies of the traditional technology of the horizontal well expandable openhole segregated completion，intelligent completion and screen pipe completion of deficiency of traditional technology and technology，the effects of the expandable packer abroad are discussed.Finally it will help lucubrating this technology and promoting these products at home.

expandable packer；oil／water expandable packer；segregated completion；intelligent completion；screen pipe completion

1001－3482（2012）03－0076－06

TE931.2

A

2011－09－23

中石化科技部項(xiàng)目“自膨脹封隔器技術(shù)研究”（P10039）

劉 陽(yáng)（1985－），男，山東淄博人，主要從事固完井井下工具的研發(fā)工作，E－mail：ly＠shelfoil.com。