帶壓作業(yè)工藝在注水井沖砂中的研究與應(yīng)用

聶 偉，張 毅，張 偉，胡偉杰，郭 駿，孫 渤，謝鵬華

（1.中石油渤海鉆探井下作業(yè)分公司，河北任丘062552；2.中石油渤海鉆探國際工程分公司，天津300450；3.中石油冀東油田井下作業(yè)公司，河北曹妃甸063200）

帶壓作業(yè)工藝也叫不壓井作業(yè)工藝，是指在井筒內(nèi)有壓力的情況下，利用特殊修井設(shè)備，封住井內(nèi)壓力，在井口實施起下管桿、井筒修理及增產(chǎn)措施的井下作業(yè)工藝技術(shù)。國外帶壓作業(yè)技術(shù)發(fā)展較早。1929年，美國的赫伯特·奧的斯第一次提出了帶壓作業(yè)這一思想，并利用一靜一動雙反向卡瓦組支撐油管以實現(xiàn)油管的帶壓作業(yè)。1960年，美國的西塞羅·布朗發(fā)明了液壓帶壓作業(yè)設(shè)備用于油管升降，實現(xiàn)真正意義上的帶壓作業(yè)。2000年后，鉆、修、帶壓作業(yè)一體機出現(xiàn)，使作業(yè)設(shè)備工藝覆蓋更加全面，以至于在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域獲得“萬能作業(yè)機”的美譽。我國開展帶壓作業(yè)裝置研究起步較晚。我國最早在20世紀(jì)60年代，曾研制過鋼絲繩式帶壓作業(yè)裝置。21世紀(jì)初，各大油田加大了對帶壓作業(yè)技術(shù)、裝備方面研究支持力度。通過引進(jìn)國外設(shè)備、技術(shù)和自主研發(fā)，經(jīng)過前幾年市場摸索、創(chuàng)新及研究，近年出現(xiàn)了迅猛發(fā)展，目前，國內(nèi)已有十多家企業(yè)研制帶壓作業(yè)裝備，為我國油氣資源規(guī)模開發(fā)提供了安全可靠的裝備支撐。

隨著目前油田生產(chǎn)開采作業(yè)的不斷深入，高壓注水井以及壓力自噴井規(guī)模也在不斷擴大，一些注水井在實際生產(chǎn)過程中井口有壓力，從而導(dǎo)致為實現(xiàn)諸如沖砂等修井作業(yè)時而出現(xiàn)了停產(chǎn)停注的現(xiàn)象。在傳統(tǒng)模式下，為保障作業(yè)安全首先必須要先進(jìn)行壓井作業(yè)，這樣就會導(dǎo)致整個作業(yè)過程成本增加，不僅油氣井的產(chǎn)能不能得到及時恢復(fù)且對地層也會造成污染，對整體區(qū)塊的開發(fā)效果造成嚴(yán)重影響。所以對注水井進(jìn)行帶壓作業(yè)是最好的選擇。

1 帶壓作業(yè)設(shè)備介紹

帶壓作業(yè)設(shè)備按配套方式一般分為輔助式和獨立式兩種。如圖1所示，輔助式帶壓作業(yè)設(shè)備本身不能獨立完成作業(yè)，必須依靠作業(yè)機井架及相關(guān)工具的配合，才能完成帶壓起下管柱作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)的帶壓作業(yè)裝置在現(xiàn)場使用比較普遍，設(shè)備由帶壓作業(yè)主機與遠(yuǎn)程動力源兩部分組成。如圖2所示，獨立式帶壓作業(yè)設(shè)備不再需要配備作業(yè)機，其本身帶有井架（拔桿）、絞車以及油管鉗，能夠獨立完成帶壓起下管柱的作業(yè)。是一種高效率且安全、經(jīng)濟(jì)的作業(yè)裝備。

圖1 輔助式帶壓作業(yè)設(shè)備

圖2 獨立式帶壓作業(yè)設(shè)備

2 注水井沖砂帶壓作業(yè)管柱的受力計算

對注水井沖砂帶壓作業(yè)帶的管柱力學(xué)研究，是為了分析計算有效控制舉升機液壓壓力范圍安全值，從而做到防止因升降機主液壓系統(tǒng)壓力不確定而造成管柱無法推入井內(nèi)或下推力太大造成管柱發(fā)生彎曲變形等事故的發(fā)生，為帶壓起下管柱作業(yè)奠定安全保障。下面就帶壓作業(yè)常用到的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行設(shè)計以及強度校核。

2.1 井內(nèi)管柱強度校核

如某井設(shè)計深度為1500m，再設(shè)計管柱時就需要充分考慮管柱的抗拉能力，保證作業(yè)管柱的作業(yè)安全。如帶壓作業(yè)施工井內(nèi)管柱采用?73mmN80外加厚油管，?73mm油管常用數(shù)據(jù)見表1，起管柱最大凈重為1500×9.8×9.68=136（kN）；預(yù)計大鉤最大載荷為136kN(未考慮摩擦阻力與浮力)。油管的抗拉安全系數(shù)為：P抗拉/P載荷=645/136=4.74。符合SY/T 6268-2017《油井管選用推薦作法》的油管的抗拉安全系數(shù)大于等于1.8規(guī)定。

表1 ?73mm油管常用數(shù)據(jù)

2.2 管柱受力分析

帶壓作業(yè)時，作用在井下管柱上的力包括：井內(nèi)壓力作用在管柱最大密封橫截面上的上頂力，管柱在井內(nèi)流體中的重力，油管通過密封防噴器時所受的摩擦力，帶壓起下作業(yè)裝置所施加管柱的力，管柱在井筒內(nèi)運動時套管對管柱產(chǎn)生的摩擦力，帶壓起下作業(yè)時，帶壓作業(yè)施加的下推力和管串自重之和應(yīng)等于截面力和摩擦力。即：不壓井作業(yè)施加的下推力＋管串自重＝截面力＋摩擦力，受力分析如圖3所示。其中，防噴器和套管產(chǎn)生的摩擦力與管柱運動方向相反，套管對管柱產(chǎn)生的摩擦力在工程計算中忽略不計。

圖3 帶壓作業(yè)管柱受力分析

2.3 管柱截面力計算

管柱截面力通常指井內(nèi)壓力對作業(yè)管柱橫截面產(chǎn)生的作用，計算公式如下：

式中：Fwp——管柱的截面力，kN；

π——圓周率，取3.14，無量綱；

d——防噴器密封油管的外徑，mm；

P——井口壓力，MPa。

2.4 防噴器對管柱的摩擦力

油管通過密封防噴器時所受的摩擦力大小與防噴器類型、井口壓力、防噴器工作壓力有關(guān)，通常取管柱上頂力的20%。

2.5 液壓缸下推力計算

帶壓作業(yè)起下管柱時，其液壓缸能夠提供的下推力是保證作業(yè)安全的重要參數(shù)也是評估帶壓設(shè)備能否正常施工依據(jù)，計算過程如下：

式中：Fsn——液壓缸的下推力，kN；

Fwp——管柱的截面力，kN；

W——管柱在流體中的重力，kN；

Ffr——防噴器對管柱產(chǎn)生的摩擦力，kN；

Fdr——井筒對管柱的摩擦力，kN。

因此，液壓缸的最大下推力等于或大于井內(nèi)壓力作用在管柱最大密封橫截面上的上頂力，即Fsn≥Fwp。

3 管柱內(nèi)堵塞技術(shù)

為了保證帶壓作業(yè)過程中壓力能夠完全密封于井內(nèi)，不僅需要通過利用防噴器組對環(huán)空壓力密封，也必須對油管內(nèi)壓力進(jìn)行密封，這就需要油管內(nèi)堵塞技術(shù)。該技術(shù)涉及起出原井管柱前對管內(nèi)壓力的封堵和下完井管柱時對管柱內(nèi)壓力的封堵。

3.1 管柱堵塞工具

油管堵塞工具在帶壓作業(yè)前，通過水力投送、鋼絲投送等投送方式對油管內(nèi)壓力封堵，解決帶壓作業(yè)技術(shù)中起出原井管柱內(nèi)防噴的核心問題。下文以使用抽油桿起下的可撈式堵塞器進(jìn)行介紹，管柱堵塞工具見圖4。

圖4 可撈式堵塞器

3.1.1 管柱堵塞工具原理

對接頭連接抽油桿接箍，連接堵塞器下井，到位后，上提抽油桿，卡瓦錨定油管，對接頭上行剪斷座封剪釘，座封套、膠筒軸、打撈桿上行壓縮膠筒密封油管，繼續(xù)加力，對接頭與堵塞器脫開；打撈時，下入打撈工具對接打撈桿，打撈桿上行，底部連通通道打開，堵塞器上下壓力平衡，繼續(xù)上提，座封套與膠筒軸分開，卡瓦及膠筒收回，堵塞器解封。

3.1.2 工具特點

該工具通過抽油桿下放、上提抽油桿座封機構(gòu)座封，再上提丟手，封位置可自由設(shè)定，工具使用范圍廣，打撈時，通過抽油桿投送專用打撈工具，先泄壓后解封，可安全順利解封工具，用于帶壓作業(yè)時管柱內(nèi)壓力的封堵。

3.2 可溶式帶壓尾堵工具

尾堵一般置于管柱底部，用于帶壓作業(yè)下完井管柱封堵中，使套管內(nèi)油氣水等物質(zhì)不會在壓力的驅(qū)動下，進(jìn)入油管內(nèi)，是帶壓作業(yè)油氣水井完井管柱封堵中最常用的管柱封堵工具之一。

帶壓尾堵（可溶）是在常規(guī)喇叭口上的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計制作，在本體下端加工臺階，裝入底堵（可溶）配上剪切銷釘，并通過密封圈密封，具有入井防噴功能，從油管內(nèi)部加壓打掉底堵?？梢愿鶕?jù)井底壓力對本體進(jìn)行定制，根據(jù)所需壓差，對底堵（可溶）進(jìn)行定制，底堵工具見圖5。

圖5 可溶式帶壓尾堵工具

3.2.1 帶壓尾堵的原理

本體內(nèi)有加工臺階，加工臺階放置底堵和密封圈，用銷釘進(jìn)行固定，具有入井油管防噴功能。完井管柱下入到指定位置后，使用泵車，根據(jù)所需壓差+油管壓力將底堵打掉，底堵因可以遇水溶解，產(chǎn)生水溶物，不會對井內(nèi)造成落物，對地層不會造成污染。

3.2.2 工具特點

結(jié)構(gòu)原理簡單、實用可靠、可重復(fù)使用、降低成本。能夠?qū)崿F(xiàn)帶壓作業(yè)的油管的起下，以保證帶壓作業(yè)的安全系數(shù)及防止對井場的環(huán)境造成污染。該工具不使用壓井液進(jìn)行作業(yè)，從而消除了壓井液對于產(chǎn)層的潛在破壞。方便下次投堵再次進(jìn)行帶壓作業(yè)。

4 注水井沖砂帶壓作業(yè)工序

4.1 油管投堵

安裝壓力表，觀察油套壓力，做好記錄，安裝防噴管，用小于油管內(nèi)徑2~4mm長度不小于堵塞器長度的油管規(guī)通井內(nèi)油管，下油管堵塞器封堵油管，堵塞器坐封后，放掉油管內(nèi)壓力，觀察30min以上，油管壓力為零，油管封堵合格，堵塞成功后搬家上井。

4.2 立井架

立井架，打好基礎(chǔ)，裝拉力表或指重表，要求指針靈敏。調(diào)整繃?yán)K，使天車、游車、井口達(dá)到三點一線，偏移不大于10mm。

4.3 安裝帶壓作業(yè)裝置

先確定油管內(nèi)無油、氣、水外溢再拆井口，安裝旋塞閥和帶壓作業(yè)裝置，帶壓作業(yè)機安裝完畢并固定后，應(yīng)調(diào)節(jié)固定裝置，使游動卡瓦與井口軸線偏差不大于10mm，帶壓作業(yè)裝置螺栓受力均勻，螺栓兩端倒角底面應(yīng)該高于螺母平面。

對帶壓作業(yè)裝置和管線按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場試壓，試壓合格后進(jìn)行下步施工。

4.4 起原井管柱

試提管柱，起出原井內(nèi)管柱。

4.5 沖砂

下沖砂作業(yè)管柱，底帶筆尖，探砂面，加壓10~20kN，上提管柱1m，連接泵車，開泵，采用清水大排量洗井一周以上，達(dá)到進(jìn)出口液性一致后，停止洗井，起出沖砂管柱。

在進(jìn)行沖砂作業(yè)時，特別注意以下幾點：

（1）在起下沖砂管柱時，要保證工具的長度和外徑滿足帶壓起下管柱的要求。沖砂工具長度能夠滿足倒入或倒出防噴器組的要求；如使用多個工具時，之間使用油管短節(jié)隔離開，以獲得足夠的坐卡瓦或關(guān)防噴器的空間；

（2）起下管柱過程中，必須堅持“帶壓作業(yè)先關(guān)后開”的原則，嚴(yán)防操作失誤，造成井噴污染或油管飛出；

（3）作業(yè)時除應(yīng)做到?jīng)_砂的各項要求外還應(yīng)保證帶壓作業(yè)的防噴器組、旋塞閥等井控設(shè)備各開關(guān)靈活好用，做到能隨時關(guān)閉，使井口始終處于有控狀態(tài)；

（4）施工中隨時注意觀察，如果出現(xiàn)溢流，應(yīng)迅速按照施工井的應(yīng)急預(yù)案采取措施。

4.6 下完井管柱、完井

按照設(shè)計要求下入完井管柱交井。

5 應(yīng)用實例

泉42-19井是華北油田采油四廠的注水井，位于河北省固安縣東，構(gòu)造位置屬于冀中坳陷廊固凹陷柳泉曹家務(wù)構(gòu)造帶泉42斷塊，完井日期為2009年8月，完鉆井深為1447m，井口裝置為350型注水井口。該水井2017年4月28日通井顯示1410m遇阻，有砂樣，砂埋注水井段。7月27日泵壓22.5MPa，油壓21.2MPa，套壓21.2MPa，油壓高欠注，8月2日關(guān)井。施工目的：帶壓作業(yè)沖砂，恢復(fù)注水。作業(yè)要求：起出井內(nèi)管柱，更換不合格油管，沖砂、下完井管柱。

2017年10月對該井進(jìn)行帶壓沖砂作業(yè)，10月19日油壓6MPa，安裝防噴管，用58mm油管規(guī)通井內(nèi)油管，下?42mm堵塞器封堵油管，堵塞器坐封后，放掉油管內(nèi)壓力，觀察30min，油管壓力為零，油管封堵合格，堵塞成功后搬家上井。

10月20~22日拆卸采油樹、安裝帶壓作業(yè)裝置及液壓控制系統(tǒng)、立井架、對帶壓作業(yè)裝置試壓和防頂測試等施工前準(zhǔn)備工作。10月22日帶壓起原井油管。10月23~24日帶壓6MPa沖砂作業(yè)，沖砂管柱為：?73.02mm筆尖+射流沖砂閥+?73.02mm外加厚油管，用清水正循環(huán)洗井沖砂，泵壓8MPa，排量為600L/min，控制出口回壓6MPa，沖砂至人工井底后洗井至進(jìn)出口液性一致，拆洗井管線，帶壓起出管柱帶出筆尖檢查無異常。10月24~25日帶壓下完井管柱底帶可溶底堵，拆帶壓裝置，裝采油樹，地面泵車打壓至8MPa，可溶尾堵脫落，恢復(fù)了正常注水。

6 結(jié)論及認(rèn)識

（1）帶壓作業(yè)工藝在油田生產(chǎn)作業(yè)過程中發(fā)揮出了非常重要的作用，針對油田注水井井下作業(yè)過程充分運用帶壓作業(yè)技術(shù)能夠進(jìn)一步提升注水井下作業(yè)效率，而且也能為油田穩(wěn)產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)；

（2）帶壓作業(yè)時管柱受力比較復(fù)雜，不僅管柱自身重力以及修井液浮力影響，更重要的是要考慮舉升機液壓液缸下推力和防噴器對管柱的摩擦力，在施工前要做好受力分析，保證施工安全；

（3）抽油桿可撈式堵塞器入井應(yīng)緩慢下放，進(jìn)入油管后，可控制下井速度在60m/min以內(nèi)，勻速下放，避免急停，當(dāng)工具斜井端應(yīng)減慢速度，當(dāng)工具接近座封位置60m左右時，緩慢下放到工具座封位置，保證密封可靠，此外，下管柱時應(yīng)及時灌液平衡堵塞器上下壓力，防止堵塞器下壓力過大，造成堵塞器失效；

（4）傳統(tǒng)的帶壓底堵為機械式的，隨著可降解材料等新型材料在油氣田開發(fā)的應(yīng)用，采用帶壓尾堵在帶壓作業(yè)中實現(xiàn)封堵完井管柱的作用，改變了以前的機械打撈尾堵，易出問題，打撈不上的情況，同時也縮短了施工周期，提高了施工效率；

（5）隨著油氣田開發(fā)的深入進(jìn)一步探索帶壓作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用范圍，可以形成比較成熟的帶壓配合壓裂、帶壓配合側(cè)鉆、帶壓配合酸化、帶壓配合連續(xù)油管作業(yè)等工藝技術(shù)，在確保了油氣井的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時也保護(hù)環(huán)境，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。