水平井可撈可鉆橋塞的設計

□ 彭 沖 □ 王曉飛 □ 劉讓龍 □ 張 桓□ 郭開龍 □ 豆志權 □ 魯延瑞

1.長慶油田分公司第十二采油廠 西安 7102002.金湖縣支點石油科技有限責任公司 江蘇淮安 211616

1 設計背景

水平井開發(fā)技術在新油田開發(fā)和老油田挖潛方面成效顯著。水平井采油的一個突出問題是邊底水突進較快,導致原油含水率迅速提高。橋塞作為一種高效的井筒封層工具,廣泛應用于油層找水封堵。目前現(xiàn)場應用的橋塞分為電纜輸送式和機械式兩種。電動液壓式橋塞及重復智能坐封橋塞屬于電纜輸送式橋塞,采用電纜輸送工作信號,但往往在井筒中容易遇阻,電纜在作業(yè)中易受磨損破壞,導致信號傳輸失敗,同時在高溫高壓井筒中封層性能也不理想。機械式可撈橋塞及機械式可磨鉆橋塞功能性單一,且在井筒中遇阻卡鉆風險高,解封打撈丟手能力欠缺。筆者設計了水平井可撈可鉆橋塞,具備工具撈出及磨鉆功能,撈出管柱遇阻卡鉆時可投球丟手,并且可以克服水平井井筒特殊工作軌跡帶來的遇阻提前坐封現(xiàn)象。

2 結構設計

水平井可撈可鉆橋塞兼容可撈橋塞與可鉆橋塞的作用功能,基本結構由抗遇阻機構、坐封丟手機構、鎖緊解封機構、壓縮密封錨定機構四個部件組成。水平井可撈可鉆橋塞如圖1所示。

▲圖1 水平井可撈可鉆橋塞

抗遇阻機構可確保橋塞入井過程中順利通過水平井大斜度拐點及井筒變形處,由橋塞中心管中嵌合的兩個抗阻卡塊克服管柱遭遇的載荷,避免橋塞在非設計位置提前坐封封層。坐封丟手機構是作業(yè)管柱泵注高壓流體后橋塞啟動運行的表征部件,坐封丟手機構內部的坐封活塞在高壓流體的作用下將四個M8銅制坐封銷釘剪斷,失去機械控制的活塞啟動坐封程序。鎖緊解封機構由倒齒零件與鎖環(huán)相互嚙合受力鎖緊,確保擠壓封層的膠筒物理變形恒定,形成承壓封堵空間。壓縮密封錨定機構由φ112 mm丁腈膠筒、上錐體、下錐體、卡瓦等組成。在丁腈膠筒中間位置設有隔環(huán),擠壓成型的膠筒在上下錐體和隔環(huán)軸向推動作用下呈鼓狀膨脹。膠筒的有效密封直徑達126 mm,上下承壓35 MPa?？ㄍ呒吧舷洛F體軸向壓縮膠筒后,具有錨定功能。整體成型制造的筒狀卡瓦克服分散性、易損性等缺點,強度高,錨定力大,井筒錨定機械特性的保持時間長。

3 橋塞管柱組合形式

應用水平井可撈可鉆橋塞時,橋塞管柱的組合形式一般分為四種。第一種為封下采上。橋塞底部連接高壓盲堵,直接封下層。待橋塞工藝成熟后,可以通過過泵傳壓工具實現(xiàn)送封、生產(chǎn)管柱一體化。第二種為封上采下。橋塞底部連接單流閥,將中心管插入橋塞內腔中,封上層,下層生產(chǎn)。 第三種為封中間采兩端。橋塞底部可以連接Y341封隔器或其它具有封堵功能的封隔器及單流閥,將橋塞中心管抽出,封堵中間層,上下油層生產(chǎn)。第四種為封兩端采中間。橋塞連接分流開關及Y341封隔器,正常生產(chǎn)時將中心管插入橋塞,基于分流開關形成原油流動通道,保證了對中間油層的正常開采。

4 工作原理

(1) 橋塞坐封。在油管流體打壓條件下,外活塞啟動滑動。在滑動過程中內活塞失去對外活塞的約束,外活塞推動鎖套、密封機構及上錐體向右側滑動,先迫使卡瓦伸張錨定套管,再軸向壓縮丁腈膠筒形成密封。當坐封丟手機構從水平井可撈可鉆橋塞主體處分離后,橋塞中的鎖套和鎖環(huán)形成自鎖,使橋塞的錨定與密封得以恒定。

(2) 橋塞撈出。進行水平井可撈可鉆橋塞撈出作業(yè)時,由地面下入專用打撈解封工具。打撈工具與橋塞留井中的打撈頭通過螺紋方式對接,且對接螺紋為左旋,而常規(guī)油管及工具均為右旋螺紋。當打撈遇阻需要退出打撈工具時,將地面管柱負載提高15 kN,右向旋轉管柱,退出打撈工具,在如此狀態(tài)下退出打撈工具,不會增加留井工具零件。若旋轉解卡不能實現(xiàn),則可通過液力釋放方式來打撈工具。

(3) 橋塞磨鉆。水平井可撈可鉆橋塞在井中的撈出作業(yè)難度相比定向井大,水平井井筒工作軌跡特殊,若井筒拐點和斜度測量不夠準確,則將造成橋塞撈出解封困難,橋塞留井部分無法撈出。所設計的水平井可撈可鉆橋塞可最大限度減少留井工具零件,縮短磨鉆時間,減小磨鉆工具損耗,提高磨鉆效率。橋塞磨鉆零件的材料為丁腈橡膠、球墨鑄鐵、合成碳纖維,上述材料的可磨削性好,球墨鑄鐵及碳纖維材料制造的零件強度高,同時也能夠滿足橋塞的封層錨定功能。

5 技術參數(shù)

水平井可撈可鉆橋塞最大外徑為114 mm,內徑為24 mm,適用溫度為120 ℃,啟動壓力為8 MPa～10 MPa,坐封壓力為22 MPa～24 MPa,工作壓力為25 MPa，總長為1 300 mm。這一橋塞適用于井筒規(guī)格為121.36～124.26 mm的水平井,最大入井斜度為75°,解封拉力為68 kN～82 kN,磨鉆進尺為40 mm/min。

6 技術特點

水平井可撈可鉆橋塞具有解封打撈和鉆銑磨削功能,可以克服水平井井筒工作軌跡特殊及井筒變形縮徑造成的橋塞遇阻坐封問題。

設計抗遇阻機構,防止橋塞因套管結構變形而提前坐封。抗遇阻機構中的內活塞、外活塞、推筒、中心管等零部件整體總裝,當套管機械卡阻時,外活塞及鎖塊處于受控狀態(tài),橋塞不會因機械卡阻而啟動,抗卡阻強度可達200 kN。

橋塞坐封撈出作業(yè)無法實現(xiàn)時,可對留井部分進行磨鉆處理。留井部分的工具零件主要為上錐體、下錐體、卡瓦,上錐體、卡瓦為球墨鑄鐵材料,下錐體為碳纖維復合材料。

橋塞配套撈出工具為可退撈矛結構形式,撈出工具可在撈出作業(yè)遇阻過程中打壓丟手。撈出作業(yè)中地面負載提高至設備提升極限負載時,撈矛遇阻無法完成解封和右旋退扣,對此,向井筒內投球打壓,橋塞配套撈出工具承壓分解,打撈管柱提出地面。

7 地面試驗

7.1 抗機械遇阻測試

設計全環(huán)境模擬測試裝置,按實際尺寸加工抗遇阻機構、內活塞、外活塞,用拉伸試驗機強行拉伸抗遇阻機構,測試抗遇阻機構的最大剪切力。經(jīng)四組鎖塊測試,折算抗剪切力分別為220 kN、190 kN、210 kN、210 kN,由此換算出水平井可撈可鉆橋塞抗機械遇阻能力約為20 t。

7.2 啟動壓力、丟手壓力測試

將橋塞下接頭連接盲堵,置于全環(huán)境模擬測試裝置中,泵注高壓流體由中心管處打壓坐封、丟手,測得四次啟動壓力分別為8 MPa、9 MPa、9 MPa、7 MPa,對應丟手壓力依次為24 MPa、22 MPa、24 MPa、23 MPa?；究梢源_定橋塞的啟動壓力為7 MPa～9 MPa,丟手壓力為22 MPa～24 MPa。

7.3 承壓測試

橋塞下接頭連接盲堵,置于全環(huán)境模擬測試裝置中,從中心管處打壓坐封、丟手。從下泵入口泵入37 MPa高壓,從上觀察口觀察,觀察時間10 min,未見溢流,下壓降低至36.5 MPa。從上泵入口泵入37 MPa高壓,從下觀察口觀察,觀察時間10 min,未見溢流,上壓降低至36 MPa。試壓壓降為,觀察時間10 min內0.5～1 MPa。在測試過程中未見溢流,對于壓降的原因判斷為橋塞丁腈膠筒變形壓縮。

7.4 橋塞解封測試

橋塞下接頭連接盲堵,置于全環(huán)境模擬測試裝置中,從中心管處打壓坐封、丟手。耐壓測試完畢后,用提升設備連接配套打撈工具,捕獲橋塞打撈管,上提橋塞解封。最大解封力分別為70 kN、65 kN、70 kN、80 kN,解封力接近解封銷釘材料的剪切應力。

8 現(xiàn)場應用

水平井可撈可鉆橋塞在長慶油田第十二采油廠莊平28-1井、固平125-1井、固平27-2井共三口油井進行現(xiàn)場應用,橋塞封堵形式均為封下采上。經(jīng)過三口油井的現(xiàn)場應用,證明橋塞的坐封、密封功能均可正常實現(xiàn)。橋塞下井過程中遇阻,但沒有提前坐封封層,克服了普通橋塞遇阻提前坐封的問題。從現(xiàn)場應用的結果來看,橋塞滿足水平井的封堵技術要求,三口油井的試驗數(shù)據(jù)及效果評價見表1。由于目前現(xiàn)場應用橋塞的水平井均處于正常生產(chǎn)狀態(tài),因此撈出性能及磨鉆性能需根據(jù)后續(xù)現(xiàn)場作業(yè)情況來進行驗證。

表1 現(xiàn)場應用試驗數(shù)據(jù)及效果評價

9 結束語

筆者設計的水平井可撈可鉆橋塞具備工具撈出、磨鉆雙重機械功能,有效提升橋塞的解封容錯性能。

橋塞具有良好的井筒封層性能,可承載井筒流體壓力達25 MPa,能夠適應水平井井筒特殊工作軌跡,提高工具通過性。橋塞在現(xiàn)場應用中,對降低油井含水率產(chǎn)生明顯效果,應用的三口油井含水率分別下降50.6%、8.9%、53.2%。

橋塞配套的打撈工具兼具正常撈出及管柱遇阻液力釋放功能,可以避免管柱遇阻卡鉆。

橋塞的內部結構設計提高了在遇阻條件下的抗阻能力,有效規(guī)避了在井筒中提前坐封的現(xiàn)象,抗遇阻能力約為20 t。