不壓井工藝在海洋油田不同管柱的應用分析

劉東明中海油田服務股份有限公司油田生產事業部

不壓井工藝在海洋油田不同管柱的應用分析

劉東明
中海油田服務股份有限公司油田生產事業部

不壓井技術設備對其所起下的管柱結構的要求嚴格，首先對海洋油田目前常見的各種生產管柱與該項工藝的適用性和受力情況進行了分析，其次分別對帶電纜的生產管柱、帶射孔槍的管柱、氣舉生產管柱、射流泵生產管柱、壓裂管柱、自噴管柱、帶封隔器的完井管柱等在模擬海上油氣田井下環境的情況下進行了起下作業。模擬實驗表明：不壓井工藝可以在海上進行試驗應用，但從井控角度考慮，對管柱上不帶有電纜等管線的生產管柱，要對其防噴器系統的密封性進行改進，以確保防噴器組的壓降控制在2%以內。

不壓井；儲層保護；生產管柱；模擬實驗

能量衰竭和保護儲層不被污染是油氣田開發中必須面臨的2個問題，而氣層和低滲油氣田對儲層的污染反應更為敏感。同時，井下作業也是確保油氣田正常開發生產的重要手段之一。但常規的井下作業由于有外來液進入儲層，因此，往往會伴隨著或多或少儲層的污染。不壓井作業技術，由于其在作業過程中沒有外來液進入井筒，也就不會導致儲層的污染，因此是解決這一問題的有效手段［1］。然而，對海洋油田而言，其緊湊、集約式的生產、工作環境，以及嚴格的安全和環保要求又使得當前不壓井作業中使用的設施和工藝要求難以滿足。因此，改進當前的不壓井設施和工藝成為其能否應用到到海上油氣田勢在必行的道路。

1 不壓井作業技術簡介Brief introduction to snubbing operations

不壓井作業是指在井筒內有壓力存在的情況下，不放噴、不壓井，利用專門的管柱起下設備，并通過油管堵塞器與不壓井作業設備的配合使用，克服井筒上頂力，進而完成生產或作業管柱的帶壓起出或者下入的一種作業方法［2］。不壓井作業時，油、套環空處于封閉狀態，油管內用堵塞器，環空用防噴器來確保起下鉆期間，井筒內壓力不會噴出到地面。

不壓井作業在我國的遼河油田、大慶油田、吐哈油田都有一定規模的應用。國外諸如美國、加拿大等國的陸地油田也有應用的報道。但在海上油氣田還未見相關報道，或者還處在試驗性階段。

2 海上不壓井作業適用性分析Applicability of snubbing operations in offshore fields

2.1海洋油田常見生產管柱類型

Conventional production strings in offshore oilfields

目前，海洋油氣田開發中常見的生產管柱比較多，總體分兩大類：一類是用來采油、采水或采氣的生產管柱，另一類是用以維持儲層能量的注水、注氣等生產管柱。

一般而言，注水、注氣等管柱的結構比較簡單，整個管柱組合除了直徑不同的油管外，基本沒有像電纜、控制管線等。但生產管柱則相對要復雜的多。總體上，生產管柱可分為2種，即自噴生產管柱和具有人工舉升功能的生產管柱。不管是哪一種生產管柱，管柱組合上基本都有電纜、控制管線等，用以提供動力、控制管柱上的相關工具、諸如藥劑、或者測試生產參數等。

2.2不同生產管柱下不壓井作業工藝適用性分析

Applicability analysis of non pressure well operation in different prodution pipe column

由于不壓井作業是帶壓作業，因此，井控是作業中最重要的一環。眾所周知，管柱內的壓力可通過下入堵塞器來隔離，油套環空則需要通過防噴器來控制。就當前油田常用的防噴器組而言，不規則的管柱外壁結構，或管柱外攀附有電纜、控制管線時，井控通常比較困難，或者難以實現非常有效、且長期的控制。而不壓井起下管柱作業，就是在關閉防噴器的情況下來實施。井控的難度就會較大一些。

表1是國內目前海上油氣田常見的生產管柱，結合不壓井作業的技術和裝備特點進行了不壓井作業可行性分析。

表1　海上油氣田常見的生產井進行劃分［3］Table 1 Classification of conventional producers in offshore fields

2.3井內管柱對不壓井設備的作用力分析

Forces of wellbore string on snubbing equipment

以垂直井深不超過3 000 m的氣井生產管柱的不壓井起下管柱作業為例來進行分析。生產管柱選取有代表性的?73 mm、?88.9 mm和?114.3 mm等3種類型，井筒內壓力值取常見的20 MPa。起下鉆作業時，不壓井設備來自管柱的作用力情況見表2。

實際上，在油氣田現場井下作業中，設備所承受的作用力還受到井斜、摩阻、井內流體對管柱產生的浮力等因素的影響。因此，在實際工作時，要充分考慮全部影響因素。并通過專門的軟件進行受力計算。

2.4井下管柱最大外徑分析

Maximum OD of downhole pipe strings

國內海上油氣田的生產套管主要有?244.48 mm和?177.8 mm 2種，其對應的最小內徑分別在205.74 mm和154.94 mm左右。因此，生產管柱的最大外徑不能超過這2種生產套管的最小內徑。若是用不壓井設備完成管柱起下，那設備的內通徑應大于244.48 mm和177.8 mm（海上油田常用的BOP組的內通徑一般都是279.4 mm）。根據目前常規的工作要求，并便于管柱的起下，避免卡鉆，通常入井工具的最大外徑應小于199.90 mm和152.4 mm。

表2　不壓井設備受力分析Table 2 Stress distribution on snubbing equipment

3 不壓井作業模擬試驗Simulation of snubbing operations

為獲取較為詳細的資料，并更好地進行分析，利用陸地油田的實驗井進行了模擬實驗。實驗模擬不壓井作業下的井口裝置和防噴系統，以及井下油氣、壓力環境，并對不同的管柱帶壓起下。因實驗在陸地完成，所以未考慮海上氣候環境。

3.1實驗基礎數據

Basic data

實驗井井深150 m，套管外徑為244.48 mm（N80鋼級、 69.94 kg/m）的套管固井后試壓35 MPa；井筒介質為自來水與氮氣的混合液，混合比例為3∶1；實驗壓力設計為0～20 MPa。

3.2實驗裝備和井下工具

Experimental equipment and downhole tools

3.2.1實驗裝備 不壓井作業系統由防噴器組、過渡管、強行起下裝置、編程傳感記錄系統、電/液動力控制系統、打壓設備、遠程控制臺等設施組成［4］。

3.2.2實驗井下管柱和工具 為充分驗證不壓井作業的可行性，實驗選擇了7種具有代表性的管柱，分別為：壓裂管柱、帶電纜生產管柱、氣舉管柱和射孔管柱、射流泵生產管柱、自噴管柱、帶封隔器的完井管柱。根據管柱的功能不同，這些管柱上面分別連接有封隔器、射孔槍、座落接頭、變扣、震擊器、滑套、電潛泵機組、電纜、射流泵等工具。工具間用外徑為73 mm （N80、 9.67 kg/m）的油管或油管短節連接。工具最大外徑不大于199.90 mm，內徑不小于58.75 mm。

3.3模擬實驗

Simulation test

實驗目的是求證不同生產管柱下，采用不壓井作業技術和裝備進行起下作業（包括解封封隔器）等的可行性，并測試起下管柱期間，管柱上不同外徑工具和油管截面力的變化情況。

實驗開始，首先通過試壓確保井筒和防噴器組的壓降控制在2%以內。起下管柱時，安裝于井口的壓力傳感器采集井筒壓力并傳遞到數據采集系統。在經過數據分析整理后，在顯示器上顯示出壓力隨時間變化曲線和相應的數值。井筒壓力實時監測曲線如圖1所示。

圖1　井筒壓力實時監測曲線Fig.1 Curves for real-time monitoring of wellbore pressures

3.4試驗結果分析

Analysis of test results

圖1數據曲線是不同管柱下是壓力隨時間的變化曲線。壓力波動的原因主要與井筒內介質的氣液比變化、管柱上起下入時與井壁產生的摩擦力、不壓井設備對管柱的上提力和下壓力，以及管柱起下時對井筒內介質產生的激動力等有關。

由于海上平臺作業時，不壓井設備要坐在井口，與常規作業時使用的BOP組相連接。而套管頭又是套管與防噴裝置之間的重要連接件。油氣井無井下作業時，套管頭不僅要承受除表層套管以外的其他套管的重量，還起著密封各層套管環空，承受套管環空壓力的作用［5-7］，對油氣井的安全起著關鍵的作用。

在井下作業時，套管頭除了承受BOP組的重量外，還將承受其他的重量。這些重量包括：管柱自身重量和不壓井設備的重量（G1+G2）、 管柱起下時對介質產生的激動力F激、管柱下入時不壓井設備對作用在管柱上的下壓力F壓、管柱上提時不壓井設備對管柱的上提力F提、管柱起下時與井壁產生的摩擦力F摩等。因此，有必要對套管頭的承載進行分析和計算。

以下入帶有封隔器的完井管柱為例來分析、計算管柱起下時井口套管頭需要額外承受的載荷。相應的數據見表3。

從表3 可以看出，取井筒壓力值的平均值為18 MPa，計算得到起下完井管柱時，套管頭額外增加的最大重量F為19.6 t，是發生在封隔器解封時。

通過實驗數據可以看出：

（1）管柱和工具在起下時所受的截面力與管柱和工具的外徑無關。

（2）管柱上的封隔器在解封和通過不壓井設備的防噴器時，其受到的作用力會有明顯的升高。但其反作用在井口套管頭的最大作用力是在其解封時。其原因是，為封隔器解封所提供的作用力是由不壓井設備上的液壓系統來提供，因此會在數據監測曲線上顯示出來。這也與油田現場作業時相符。

（3）在對其他管柱的起下時也得到相似的結果。各種管柱的起下也十分順利。

表3　試驗數據分析Table 3 Analysis of test data

4 結論及建議Conclusions and suggestions

（1） 不壓井作業模擬實驗表明，可以在海上油田進行不壓井作業的可行性實驗研究。

（2） 對井型和管柱結構適用性研究、分析表明，海上油田開展不壓井作業的實驗時，建議先在注氣井、注水井等低風險的井上進行試用，在取得大量的實驗數據后，再進行深入研究。

（3） 海上油田的管柱類型較多，管柱結構也較為復雜，建議在使用不壓井作業技術時，要充分考慮管柱的結構，對不壓井設備進行必要的改進，尤其是其防噴系統方面。

（4） 海洋油氣田環境的特殊性，以及對安全、環保的要求，防噴和井控是下一步對該項工藝能否切實應用的重要研究對象。

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（修改稿收到日期 2016-02-11）

〔編輯 薛改珍〕

Application of snubbing process in different pipe strings in offshore oilfields

LIU Dongming
Oilfield Production Department， CNOOC Energy Technology & Services Limited， Tianjin 300450， China

Snubbing process and equipment present strict requirements for structures of pipe strings. In this study， analysis was made on commonly used production strings in offshore oilfields， together with suitability and forces of snubbing process. Then，tripping operations were conducted for production string with cables， pipe string with perforation guns， production string for gas-lifting operations， production string with jet pumps， pipe string for fracturing operations， pipe string for open flow development， completion pipe string with packer and other pipe strings in simulated dowehole conditions of offshore oil/gas fields. Results of simulation tests show that snubbing process can be tested and deployed in offshore oilfields. Sealing capacity of BOP system in production string with no cable shall be enhanced to ensure safety of relevant operations.

snubbing process； reservoir protection； production string； simulation test； BOP System

LIU Dongming. Application of snubbing process in different pipe strings in offshore oilfields［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 191-194.

TE931

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0191-04

10.13639/j.odpt.2016.02.012

劉東明（1974-），1999年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，現從事鉆修井作業技術相關工作，碩士，高級工程師。通訊地址：（300452）天津市濱海新區塘沽區營口道938號。E-mail：liudm5@cosl.com.cn

引用格式：劉東明.不壓井工藝在海洋油田不同管柱的應用分析［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：191-194.