一種新型井口保護(hù)器的研制與應(yīng)用

王春林， 杜 勛， 劉常清， 張 寧， 劉平禮， 吳 廣

(1中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部 2油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)室驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 3中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司)

為解除近井地帶傷害，恢復(fù)注水井注入能力，中國(guó)海上各油田前期大范圍應(yīng)用酸化解堵措施[1-3]。但常規(guī)酸化作業(yè)有效期越來(lái)越短，增注效果越來(lái)越差，作業(yè)次數(shù)頻繁，措施費(fèi)用居高不下。針對(duì)此問(wèn)題出現(xiàn)了高壓酸化、增壓注水等一系列注水井高壓解堵措施，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了顯著的增注效果，制約這些技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題是海上油田受開(kāi)發(fā)成本限制,井口采油樹(shù)耐壓等級(jí)一般不高，超過(guò)70%采油樹(shù)的額定工作壓力為21 MPa，低于高壓解堵設(shè)計(jì)施工壓力，難以保證措施的有效實(shí)施。高耐壓等級(jí)的采油樹(shù)一般造價(jià)很高，若在完井期間選用高壓力級(jí)別的采油樹(shù)，則生產(chǎn)成本較高。如果在施工前更換耐壓級(jí)別更高的壓裂井口裝置，則會(huì)延長(zhǎng)作業(yè)工期，增加額外作業(yè)費(fèi)用。此外經(jīng)多輪次的酸化作業(yè)后，由于酸液腐蝕、維修保養(yǎng)不當(dāng)?shù)仍?，部分采油?shù)出現(xiàn)本體或閥門(mén)滲漏，造成施工安全隱患。

采油樹(shù)加裝井口保護(hù)器是解決采油樹(shù)承壓能力低，保護(hù)采油樹(shù)不被高壓腐蝕性工作液沖蝕的一種可行方法[4-5]。我國(guó)也曾發(fā)布過(guò)相關(guān)工具行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]，目前使用的井口保護(hù)器多據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。新疆油田公司工程技術(shù)研究院研發(fā)的壓裂井口保護(hù)器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多，效果相對(duì)較好，但使用過(guò)程中出現(xiàn)了諸如井口保護(hù)器與油管之間密封不可靠、密封皮碗易損壞、施工前難以進(jìn)行密封試驗(yàn)等一系列問(wèn)題[7-9]。江漢石油管理局井下測(cè)試公司進(jìn)一步研發(fā)了電液聯(lián)控井口保護(hù)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井口保護(hù)器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但井口保護(hù)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要增加額外的電液控制系統(tǒng)，不利于在海上平臺(tái)狹窄的空間場(chǎng)地實(shí)施[10]。長(zhǎng)城鉆探工程有限公司開(kāi)發(fā)的井口保護(hù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，但使用前需拆卸原采油樹(shù)主閥以上部分，影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)進(jìn)度[11]。

針對(duì)海上采油平臺(tái)實(shí)際情況，借鑒現(xiàn)有井口保護(hù)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研制了一種新型井口保護(hù)裝置，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，能滿足海上施工作業(yè)要求。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)參數(shù)

1. 工具結(jié)構(gòu)

井口保護(hù)器由上至下主要包括轉(zhuǎn)換頭、中心管、外層旋轉(zhuǎn)筒、螺紋管、連接法蘭五大部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，工具安裝示意圖如圖2所示。

圖1 井口保護(hù)器工具結(jié)構(gòu)圖

1“O”型密封圈 2雙頭螺栓 3“O”型密封圈 4螺母 5連接法蘭 6“O”型密封圈 7固定銷(xiāo)釘 8螺紋管 9扭矩桿 10軸銷(xiāo) 11固件 12中心管 13外層旋轉(zhuǎn)筒 14固定銷(xiāo)釘 15“O”型密封圈 16墊片 17固定銷(xiāo)釘 18頭環(huán) 19轉(zhuǎn)換頭

圖2 井口保護(hù)器安裝示意圖

(1)轉(zhuǎn)換頭。轉(zhuǎn)換頭整體為厚壁圓筒，一端加工成EUB扣，以便與高壓立管相連，另一端通過(guò)固定銷(xiāo)釘及“O”型密封圈與井口保護(hù)器中心管相連。

(2)中心管。中心管為井口保護(hù)器的關(guān)鍵部分，通過(guò)中心管隔絕施工液體與采油樹(shù)內(nèi)腔，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)井口采油樹(shù)的目的。中心管整體為厚壁圓筒，一端與轉(zhuǎn)換頭相連，另一端與油管懸掛器相連，油管懸掛器內(nèi)壁帶有BPV螺紋，螺紋段上部具有密封面，該處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原本用于安裝背壓閥(背壓閥的螺紋段上部的密封圈與該處密封面形成密封，必要時(shí)安裝背壓閥后可在不壓井情況下對(duì)采油樹(shù)及其配件進(jìn)行更換維修作業(yè))，考慮到此處連接結(jié)構(gòu)的可靠性，中心管與油管懸掛器的連接方式按照背壓閥與油管懸掛器的連接方式設(shè)計(jì)，即端部加工成BPV螺紋且螺紋上部為“O”型密封圈，螺紋連接到位后，“O”型密封圈起密封作用。

(3)外層旋轉(zhuǎn)筒。外層旋轉(zhuǎn)筒為厚壁圓筒，其一端內(nèi)壁帶有螺紋，另一端限位于轉(zhuǎn)換頭上，外層旋轉(zhuǎn)筒上行或下行通過(guò)轉(zhuǎn)換頭帶動(dòng)中心管上行或下行。

(4)螺紋管。螺紋管外壁均布螺紋，且螺紋形式與外層旋轉(zhuǎn)筒一致，二者相互旋合，可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)外層旋轉(zhuǎn)筒使其沿軸向發(fā)生位移，進(jìn)而達(dá)到通過(guò)改變外層旋轉(zhuǎn)筒行程控制中心管伸縮長(zhǎng)度的目的。

(5)連接法蘭。連接法蘭上部通過(guò)固定銷(xiāo)釘與螺紋管相連，法蘭部分與采油樹(shù)清蠟閥以上的法蘭連接。其內(nèi)腔帶有密封圈槽，通過(guò)“O”型密封圈實(shí)現(xiàn)中心管外壁與連接法蘭內(nèi)腔之間的密封。

2. 主要技術(shù)參數(shù)

井口保護(hù)器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 井口保護(hù)器主要技術(shù)參數(shù)

二、工作原理與操作步驟

1. 工作原理

施工前，井口保護(hù)器轉(zhuǎn)換頭上端與施工管匯相連，井口保護(hù)器下端連接法蘭與采油樹(shù)清蠟閥上部法蘭連接，轉(zhuǎn)動(dòng)外層旋轉(zhuǎn)筒使中心管下行，中心管下行至油管懸掛器BPV螺紋處時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換頭，使中心管下端與油管懸掛器BPV螺紋連接，“O”型密封圈進(jìn)入油管懸掛器密封段坐封。施工過(guò)程中，入井工作液經(jīng)過(guò)施工管匯、井口保護(hù)器轉(zhuǎn)換頭、中心管、油管懸掛器、油管直至井下而不與采油樹(shù)內(nèi)腔接觸，入井工作液與采油樹(shù)完全隔絕，采油樹(shù)不承壓，這樣低耐壓等級(jí)采油樹(shù)可以進(jìn)行高于其額定工作壓力的作業(yè)，同時(shí)酸液等腐蝕性液體不與采油樹(shù)內(nèi)腔接觸，進(jìn)而起到保護(hù)采油樹(shù)的目的。

2. 操作步驟

(1)根據(jù)作業(yè)甲板與采油樹(shù)距離將高壓立管與井口保護(hù)器連接，對(duì)井口保護(hù)器及高壓立管試壓。

(2)關(guān)閉采油樹(shù)主閥，打開(kāi)清蠟閥，拆采油樹(shù)清蠟閥以上法蘭，吊車(chē)配合吊裝井口保護(hù)器，連接井口保護(hù)器連接法蘭與采油樹(shù)法蘭，油管翼閥打壓對(duì)法蘭連接處試壓。

(3)試壓合格后打開(kāi)主閥，轉(zhuǎn)動(dòng)外層旋轉(zhuǎn)筒，使中心管下行，中心管下行到位后旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭帶動(dòng)中心管旋轉(zhuǎn)，使中心管與油管懸掛器連接，連接到位后油管翼閥打壓對(duì)中心管與油管懸掛器連接處試壓。

(4)對(duì)高壓擠注管線試壓，試壓合格后方可進(jìn)行高壓作業(yè)，擠注過(guò)程中，油管翼閥開(kāi)啟且通過(guò)高壓管匯連接至遠(yuǎn)端放空，若擠注過(guò)程中放空端出液，認(rèn)為中心管與油管懸掛器密封失效，施工停止，否則正常進(jìn)行作業(yè)。

(5)擠注完畢停泵，待壓力降至采油樹(shù)耐壓等級(jí)以下，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換頭帶動(dòng)中心管旋轉(zhuǎn)，使中心管與油管懸掛器脫開(kāi)，確認(rèn)脫開(kāi)后轉(zhuǎn)動(dòng)外層旋轉(zhuǎn)筒使中心管上行，當(dāng)中心管上行至主閥以上時(shí)關(guān)閉主閥放壓，吊車(chē)配合拆卸井口保護(hù)器，安裝采油樹(shù)清蠟閥以上法蘭，油管翼閥打壓對(duì)法蘭連接處試壓合格交井。

三、技術(shù)特點(diǎn)

(1)新型井口保護(hù)器針對(duì)海上平臺(tái)特殊作業(yè)環(huán)境研制，工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，純機(jī)械控制，維修保養(yǎng)方便，易損件更換快速便捷。

(2)新型井口保護(hù)器能克服作業(yè)空間狹小限制，吊車(chē)配合與采油樹(shù)法蘭連接完成后，完全為人工操作，無(wú)需動(dòng)用平臺(tái)其他資源，操作簡(jiǎn)便。

(3)正式施工前可進(jìn)行法蘭連接處密封試驗(yàn)、中心管與油管掛連接處密封試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后再進(jìn)行施工，具有安全保障。

(4)井口保護(hù)器中心管伸縮長(zhǎng)度可調(diào)，這樣就可以適用于不同高度的采油樹(shù)，通用性強(qiáng)。

(5)與油管懸掛器通過(guò)BPV螺紋連接，靠“O”型密封圈密封，坐封可靠。

四、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

新型井口保護(hù)器在渤海某油田海上平臺(tái)使用共計(jì)6井次，其中增壓注水5井次，高壓酸化作業(yè)1井次，表2為施工簡(jiǎn)況統(tǒng)計(jì)表。

表2 井口保護(hù)器現(xiàn)場(chǎng)使用情況

6口井采油樹(shù)壓力等級(jí)均為21 MPa，施工時(shí)最高泵壓均超過(guò)采油樹(shù)額定工作壓力，施工過(guò)程中井口保護(hù)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，密封良好，施工結(jié)束恢復(fù)井口后，采油樹(shù)試壓合格。

典型井例：F-8井于2016年9月進(jìn)行增壓注水作業(yè)，采油樹(shù)耐壓等級(jí)21 MPa，安裝井口保護(hù)器后，對(duì)井口保護(hù)器與采油樹(shù)連接法蘭試壓至18 MPa，穩(wěn)壓15 min合格，對(duì)中心管與油管懸掛器連接處試壓，打壓至18 MPa穩(wěn)壓15 min合格，井口保護(hù)器安裝完畢。施工過(guò)程中入井液體類型為平臺(tái)注入水，施工最高壓力為27.6 MPa，最高排量0.37 m3/min，一般泵壓23.5～24.6 MPa，一般排量0.37 m3/min，泵注施工歷時(shí)3 h，累積注入液體80 m3。施工曲線如圖3所示，施工過(guò)程中井口保護(hù)器密封良好，施工完畢后取出井口保護(hù)器，保護(hù)器本體及“O”型密封圈完好，恢復(fù)采油樹(shù)后對(duì)采油樹(shù)整體試壓至18 MPa穩(wěn)壓15 min合格。

圖3 F-8井增壓注水施工曲線

五、結(jié)論

(1)新型井口保護(hù)器能有效保護(hù)采油樹(shù)，通過(guò)將高壓液流與采油樹(shù)隔絕，使得高于采油樹(shù)耐壓等級(jí)作業(yè)得以實(shí)施，同時(shí)也能避免腐蝕性液體對(duì)采油樹(shù)造成腐蝕。

(2)使用新型井口保護(hù)器能有效降低高壓下更換井口裝置、修井等一系列生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(3)考慮到海上采油平臺(tái)作業(yè)空間狹小，物資取用不便，新型井口保護(hù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)操作和維修保養(yǎng)方便，人工操作，幾乎不動(dòng)用平臺(tái)物資，尤其適用于海上油田作業(yè)。

(4)新型井口保護(hù)器使用前可進(jìn)行各項(xiàng)功能試驗(yàn)，且針對(duì)可能存在的問(wèn)題提前采取相應(yīng)的控制措施，為現(xiàn)場(chǎng)順利施工提供安全保障。

(5)根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求，后續(xù)研究可從簡(jiǎn)化井口保護(hù)器結(jié)構(gòu)上做工作，并在密封件的材質(zhì)和密封方式方面提高工具的性能參數(shù)。