完井—采油一體化工藝及關鍵技術分析

朱和明，楊德鍇，李渭亮，張亞洲2，，徐 慧

1 中國石化石油工程技術研究院2 頁巖氣富集機理與有效開發國家重點實驗室3中國石化西北油田分公司工程技術研究院4 中國石油青海油田分公司采油五廠

0 引言

中國石化西北分公司塔河油田碎屑巖和碳酸鹽巖稀油儲層，多分別采用射孔或酸壓方式完井，目前采用的完井方式為，先下入完井管柱至目的層段，進行射孔或酸化壓裂，進行自噴開采。隨著地層能量釋放，自噴期結束，轉為機抽開采，此時需起出原完井管柱，重新下入桿式泵機抽管柱，其自下而上的管串結構為：常規氣液螺旋分離器（約2 500 m處）+油管+桿式泵泵座+油管至井口，在機抽管柱中下入桿式泵及泵桿至桿式泵泵座，進行機抽開采［1-2］。常規氣液螺旋分離器可起到氣液分離的作用，降低產出含氣量。

但隨著油田開發的不斷深入，西北塔河地區油藏能量呈現逐年下降的趨勢，新井射孔或酸壓后自噴期變短，據統計，多數塔河地區碎屑巖油藏自噴期近兩年已降至4 ～ 6個月，碳酸鹽巖油藏甚至有80%以上的油井無自噴期，完井作業后即需轉為桿式泵機抽開采［3-4］，這不僅增加了修完井作業的費用，而且在轉抽與檢泵作業中，需先進行壓井，既增加作業成本，又會延長排液時間，增加壓井液費用，甚至產生儲層傷害風險，造成部分井后期含水上升，影響油井產量［5-7］。

1 完井—采油一體化工藝設計

1. 1 工藝設計要求

設計完井—采油一體化完井工藝的目的在于一趟管柱既可完成前期射孔或酸壓完井作業，又能進行自噴機抽作業，無需更換管柱，即可實現油井自噴開采向機抽開采的轉換，減少起下鉆次數，提高施工效率。同時自噴期后轉抽，或者機采期間需要起出泵桿對采油泵進行檢修時，可不再進行壓井作業，從而在作業時間和原材料兩個方面降低生產費用，并有效降低儲層受傷害的風險。

1. 2 工藝流程

以碎屑巖儲層射孔—采油一體化完井管柱為例，其管串結構自下而上依次為：射孔裝置+打孔油管+油管+完井—采油氣液螺旋分離器+油管（20 m）+自動壓井閥+油管（10 m）+桿式泵支撐接頭+油管+油管掛。相對于常規完井管柱，完井—采油一體化工藝管柱將常規氣液分離器替換為可實現自噴完井—機抽采油自動轉換的氣液螺旋分離器，并在分離器上方增加可自動關閉并反復開關的自動壓井閥，完井—采油一體化工藝管柱見圖1。

圖1 完井—采油一體化工藝管柱及流程

完井—采油一體化工藝的作業流程如下：

（1）將完井管串下入至目標位置，按設計進行酸壓或射孔等作業，自噴求產。

（2）自噴期后進行完井采油轉換，投入轉換塞，泵送至完井—采油氣液螺旋分離器位置，通過控制壓力進行轉換，打開工具側孔，封堵油管內通路，井內產液只能通過側孔由環空進入管內，經過螺旋分離后采至井口。

（3）投入憋壓球至自動壓井閥位置，憋壓啟動密封閥板。

（4）憋壓球下落至氣液分離器位置，閥板自動關閉，形成反向密封。

（5）下入抽油泵至桿式泵支撐接頭位置，抽油泵下端連接機抽延伸管，下放捅開自動壓井閥的密封閥板，建立生產通道。

1. 3 工具設計要求

1. 3. 1 完井—采油氣液螺旋分離器

（1）射孔/酸壓作業時，氣液螺旋分離器為關閉狀態，完井管柱管內連通。

（2）油井自噴期間，氣液螺旋分離器保持關閉狀態，產液可經過管內采至井口。

（3）自噴轉機抽時，氣液螺旋分離器啟動，可將完井管柱管內通道封堵，同時打開氣液螺旋分離器側孔，氣液螺旋分離器轉換為啟動狀態，并在后續生產中永久保持此狀態。

1. 3. 2 自動壓井閥

（1）射孔/酸壓作業及油井自噴期間，自動壓井閥內通道為打開狀態。

（2）自噴轉機抽時，自動壓井閥啟動，開啟自動開關功能。未下桿式泵時，壓井閥關閉；下入桿式泵后，壓井閥可隨之打開，進行機抽開采。

塔河油田需要酸化壓裂與射孔的井，多為在通徑?165 mm或?152 mm的套管中下入完井作業管柱，以保證工具通用性為前提，對工具關鍵尺寸提出如下要求：最大外徑不大于?146 mm，以保證工具安全下入；射孔/酸壓階段工具內通徑不小于?58 mm；射孔/酸壓階段工具整體抗內壓不低于90 MPa。

2 完井—采油一體化工具及其關鍵技術

2. 1 完井—采油氣液螺旋分離器

2. 1. 1 結構及原理

完井—采油氣液螺旋分離器具有功能轉換功能，其結構如圖2所示。在完井階段保持側孔關閉，管內連通；當自噴期結束后進行轉抽時，通過投入轉換塞至轉換機構位置，地面憋壓剪斷剪切銷釘，帶動轉換機構下行，封堵管內主通道的同時打開位于分離器本體上的側孔，啟動螺旋分離功能，使產出液體經過螺旋分離機構的進行氣液分離后由管內采出。

2. 1. 2 主要技術參數

根據現場井身結構、技術需求及作業要求，設計適用于?88.9 mm完井管柱的完井—采油氣液螺旋分離器，其主要技術參數表1所示。

2. 1. 3 關鍵技術

（1）耐高壓滑動密封結構。在酸壓作業階段，完井-采油氣液螺旋分離器需具有高壓密封能力，這就要求此氣液螺旋分離器在進行功能轉換之前，整體須承受不小于90 MPa管內作業壓力。在轉換機構與分離器本體之間設計滑動密封機構，采用“V”形密封圈+“O”形密封圈+高分子支撐環組合的密封方式［8-9］，提高工具整體耐壓能力，工具整體抗內壓可達106 MPa。

圖2 完井—采油氣液螺旋分離器結構組成

表1 完井-采油氣液螺旋分離器主要技術參數

（2）長薄密封件精密加工工藝。完井工藝管柱在下入到位后，下入PVT、產剖工具等多種測井工具和儀器，對產層進行測試，要求完井—采油氣液螺旋分離器在投放轉換塞進行功能轉換之前，必須不小于60 mm的內通徑尺寸。受工具整體設計空間和多層結構特點限制，分離器本體、轉換機構等關鍵零部件采用超大長厚比的薄壁結構設計，最小壁厚僅有3 mm。在加工中設計專用柔性工裝，采用特殊時效處理工藝，提高長薄密封件的加工精度，將加工變形量及公差控制在0.02 mm以內［10-11］，滿足高壓滑動密封要求。

（3）同步封堵轉換控制方法。在自噴結束后的轉抽階段，為保證氣液螺旋分離器的工作效率，封堵管內主通道，并打開分離器側孔通道，使井下流體全部由側孔進入螺旋分離機構，進行氣液分離。設計了轉換塞控制的同步轉換機構，投入轉換塞并泵送、憋壓，完成功能轉換。轉換塞到位與轉換機構形成高壓密封并自動鎖緊；功能轉換后轉換機構與分離器本體自動密封并鎖緊［12］，反向承壓能力可達30 MPa。分離器轉換后狀態可靠，保證機采作業中結構鎖定，永久開啟氣液螺旋分離功能。

2. 2 自動壓井閥

2. 2. 1 結構及原理

自動壓井閥通過內部單向閥板的開合隔離油管管內壓力，實現不壓井作業，見圖3（a）。完井—采油氣液螺旋分離器功能轉換之后，投入可溶憋壓球，自由下落或泵送至自動壓井閥位置后，地面憋壓剪斷剪釘，憋壓球帶動內支撐筒下行讓位，密封閥板失去內支撐筒支撐后，在關閉扭簧的作用下旋轉90°關閉，實現管內單向密封，見圖3（b）。

圖3 自動壓井閥結構組成

2. 2. 2 主要技術參數

根據現場井身結構、技術需求及作業要求，設計適用于?88.9 mm完井管柱的完井—自動壓井閥，其主要技術參數如表2所示。

表2自動壓井閥主要技術參數

2. 2. 3 關鍵技術

（1）雙曲面大通徑密封結構。自動壓井閥同樣需要滿足大通徑要求，保證各種測試工具和儀器順利通過。在限定的設計空間條件下，常規平面閥板密封通徑與閥板厚度是相互矛盾的兩個變量，如圖4（a）所示，如需密封通徑R1增大，則閥板寬度H和占用的徑向空間D0必隨之增大，在設計空間半徑R為定制的前提下，R1反而會隨之減小。為解決這一矛盾問題，設計了雙曲面密封閥板結構，如圖4（b）所示。在閥板寬度H，厚度D均相同的情況下，可大大增加通徑尺寸。以適用于?88.9 mm完井管柱的自動壓井閥為例，使用雙曲面閥板結構的通徑R2比使用平面閥板結構的通徑R1提高近24%，工具打開前內通徑為67 mm，滿足整套工藝管柱的通徑要求。

圖4 大通徑密封結構示意圖

（2）雙曲密封面精密加工工藝。自動壓井閥的雙曲面閥板密封結構采用金屬對金屬密封方式，曲面加工精度是保證密封可靠性的關鍵之一，如圖5所示。為提高曲面加工精度，使用五軸聯動高精度復合臥式加工中心加工，采用CAM三維自動編程，設計專用工裝裝夾，一次裝夾成型，使用針式銑刀精銑密封面，最后對密封面進行精磨，保證雙曲面加工精度［13］。雙曲面配合可實現高壓密封，經地面驗證，最高密封能力可以達到105 MPa。

圖5 雙曲面密封閥板

3 一體化采油工藝現場應用分析

一體化采油工藝及關鍵工具在新疆T油田某斜井進行入井應用。該井完鉆井深4 736 m，在?193.7 mm套管中射孔完井，射孔段為4 654.5 ～4 658.5m，完井管串自下而上依次為：?127 mm射孔裝置（配套超二代射孔彈）+?73 mm油管+變扣短節+?89 mm完井-采油氣液螺旋分離器+?89 mm油管+?89 mm自動壓井閥+?89 mm油管+?89 mm桿式泵支撐接頭+?89 mm油管+油管掛，其中完井—采油螺旋分離器下入深度為2 535.15 m，自動壓井閥下入深度為2 511.86 m。

根據實際生產情況，該井在順利完成射孔作業并自噴開采40 d后進行轉抽。首先投入轉換塞，以0.2 ～ 0.3 m3/min的排量泵送至完井—采油氣液螺旋分離器的轉換機構位置，憋壓14.3 MPa壓力突然下降，環空返出液體，證明順利完成氣液分離器功能轉換。投入自動壓井閥的憋壓球，自由下落后開泵，以0.6 ～ 0.7 m3/min的排量提高泵壓至5.8 MPa時壓力突然下降。為驗證自動壓井閥反向承壓性能，環空反向泵液至10 MPa后穩壓5 min，井口管內未見有液體返出，證明自動壓井閥成功啟動，雙曲面閥板反向封壓效果達到要求。

下入采油泵管串，自下至上依次為：機抽延伸管+桿式泵+泵桿，桿式泵坐落于桿式泵支撐接頭上，此時機抽延伸管可以捅開自動壓井閥內的單向閥板，建立生產通道。經過現場桿式泵試抽作業驗證，單向閥板順利打開。該井轉抽前日產液1.2 t，日產油1.2 t，日產氣738 m3，轉抽后日產液20.4 t，日產油18.3 t，日產氣944 m3，后期均低產氣，氣油比20 ～ 116 m3/t，未發生氣鎖現象，機采生產及油氣分離效果顯著；轉抽作業時間5 d，較常規轉抽作業減少23 d，直接單井降本增效121萬元，體現了該工藝技術的經濟性優勢。

4 結論

（1）完井—采油一體化工藝可以實現單趟管柱完成完井與采油作業，無需壓井作業，減少產層污染，降低作業成本。

（2）完井—采油氣液螺旋分離器和自動壓井閥具有大通徑、耐高壓等特點，滿足完井作業中工具和儀器安全下入及高壓密封要求。

（3）雙曲面閥板密封機構采用金屬對金屬密封，同時滿足大通徑要求，密封能力達到105 MPa。

（4）現場應用表明，完井—采油一體化工藝及工具具有明顯的經濟性優勢。