連續油管過油管堵水工具研制與現場試驗

謝新華，曾金輝，王建明, 董文強, 梁玉斌，張蘭江，冼甲豪，李志達

1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2中國石油川慶鉆探公司安全環保質量監督檢測研究院 3中國石油玉門油田分公司井下作業公司

0 引言

目前國內外生產水平井主要采用管外無封隔器的篩管完井方式[1]，如圖1所示，地層出水可以在篩管和井壁之間的環形空間徑向和橫向流動，在實施堵水工藝技術時只能選擇化學方法進行堵水，此類水平井實施堵水措施最困難[2-3]。近年來國內環空化學封隔器(ACP)的化學凝膠材料在研究上取得了突破性進展[4-7]，促進了該技術在國內各大油田的應用，但是擠注管柱外徑一般較大，最小管柱外徑僅為63.5 mm[8]。由于國外對過油管膨脹關鍵工具的技術封鎖，如小直徑高膨脹率封隔器服務費用昂貴[9]，國內對于過油管封隔器的研究還非常少見，過?73 mm油管堵水技術在國內尚未見應用的案例，因此對能過油管封隔大尺寸篩管再回收的小直徑封隔器的國產化研究具有重要現實意義。

圖1 水平井完井示意圖

為了解決以上問題，開發研制了?49 mm的小直徑膨脹封隔器，具有較大膨脹率及較好恢復率，并配套了過油管堵水工藝管柱。該管柱具有過油管帶壓作業，能實現過?73 mm油管封隔?139.7 mm篩管，一趟堵水管柱可完成多次環空化學封隔器分段封隔和地層分段化學封堵工藝，且作業后可過油管回收，達到不動管柱情況下實施堵水作業，大大提高了堵水作業時效。

1 關鍵工具研制

1.1 K344-49小直徑膨脹封隔器

根據K344型小直徑膨脹封隔器在現場應用中由于膠筒原因導致密封失效的情況[10]，對工具設計進行了優化改進：①優化膠筒橡膠配方，優選出具有較高熱延伸率和剪切強度的彈性橡膠材料，提高了耐溫、耐壓以及膨脹性能；②膠筒總成內鋼帶優選強度高、抗腐蝕斷裂性好及可熱處理的材料，對鋼帶結構先進行整體硫化處理再進行注膠,保證了鋼帶和橡膠的膠結強度及橡膠在鋼帶上的附著力,避免了膠筒在膨脹過程中鋼帶和橡膠脫離致密封失效的情況；③原設計擴張式封隔器膠筒兩端采用固定安裝方式,膨脹過程中膠筒內部產生很大的拉伸應力，因此膨脹率較低，且極易造成膠筒破裂。采用一端固定另一端浮動的設計,膠筒總成膨脹過程中內部拉伸應力大大降低,相應的膨脹率也顯著提高，同時由于膠筒總成一端可在中心管上浮動，增強了膠筒解封后的恢復性能。K344-49小直徑膨脹封隔器結構如圖2所示。

1.上接頭；2.密封膠圈；3.中心管；4.膠筒總成；5.浮動頭；6.密封膠圈。

坐封原理：在堵水工藝管柱連續擠注時，節流器由于開孔小，在一定排量下產生節流阻力，從而使管柱內、外產生壓差,小直徑膨脹封隔器開始膨脹坐封，液體經過封隔器中心管上的注入孔進入膠筒總成的內部氣囊，最終實現膠筒總成膨脹后與套管或篩管壁之間的錨定及密封。該封隔器膨脹率超過2.5倍時在管柱中的坐封狀態見圖3。

圖3 K344-49小直徑膨脹封隔器坐封試驗

解封原理：停止擠注作業后，由于無流體流動,節流阻力消失，節流壓差降為零，封隔器膠筒總成開始收縮，實現解封。

技術參數：封隔器鋼體最大外徑50 mm，膠筒總成外徑49 mm，耐溫140 ℃，起始坐封壓差0.8 MPa，工作壓差7 MPa，封隔外徑為139.7 mm的管柱，最大承壓壓差22 MPa，膠筒恢復率大于85 %。

1.2 滑套短節

由于K344-49型小直徑膨脹封隔器起始坐封壓差低(小于1 MPa)，工藝管柱的設計上必須提供一個泄壓通道，使管柱起、下過程中保持內、外壓力平衡，避免封隔器因為壓差而提前坐封。滑套短節內通過免投球及擋環設計將鋼球置于擋環與球座之間，確保管柱下入過程中內、外暢通。擠注作業過程時，鋼球坐落到球座上，通道單向密封，滿足擠注作業要求。擠注作業結束后，作業管柱緩慢上提至盲管段，憋壓剪切剪釘，球座落入篩管內，管柱內、外重新保持暢通，則可起出管柱。滑套短節結構如圖4所示。

1.接頭；2.擋環；3.鋼球；4.剪釘；5.球座；6.防退剪釘；7.泄流孔。

1.3 地面功能性試驗

將堵水工具串放入?139.7 mm鋼管中，在保持鋼管上的孔眼與節流器上的通徑大小一致情況下，對節流器噴嘴當量直徑分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm時進行擠注工藝模擬試驗，證實了該封隔器在膨脹率達2.59倍時在管柱中作業的可行性與有效性。

通過試驗得到了不同型號噴嘴下的節流壓差與排量關系曲線(圖5),從圖5中可看出，節流孔徑越小，節流壓差越大，但是相應泵壓會越大。根據現場作業經驗，考慮沿程管損、泵壓、連續油管內ACP剪切速度之間的影響，?38 mm連續油管選擇0.15～0.2 m3/min的排量是合適的。因此推薦施工作業時節流器當量孔徑為7 mm,排量為0.15～0.2 m3/min，節流壓差在3～6 MPa之間。

圖5 不同噴嘴當量直徑下節流壓差與排量的關系圖

2 配套工藝技術

連續油管過油管堵水工藝管柱[11]結構如圖6所示。施工時，將堵水工藝管柱下至篩管目的段，由連續油管內打壓注入前置液，滑套短節封閉管柱尾端，封隔器在節流器的壓差損失作用下膨脹并坐封在篩管基管內，前置液經節流器擠注清洗篩管與出水層段井壁的環形空間，再擠注ACP堵劑，待ACP堵劑達到施工設計量后，擠入后置液頂替連續油管內ACP堵劑，頂替結束后小直徑膨脹封隔器泄壓解封，可進行下一目的段擠注作業。作業結束后將工藝管柱提至盲管內，加壓剪切滑套短節內球座，形成向下過流通道，則提出工藝管柱。

1.連續油管；2.丟手短節；3.柔性短節；4.滾輪扶正器；5.小直徑膨脹封隔器；6.節流器；7.滑套短節。

連續油管過油管堵水工藝管柱技術特點：管柱最大外徑50 mm；最小可過內徑為58.75 mm的工作筒，并完成回收作業；最大封隔外徑139.7 mm篩管;不動管柱帶壓作業，最大限度減少了對儲層的傷害；一趟堵水工藝管柱可完成多次環空化學封隔器分段封隔和地層分段化學封堵工藝。

3 現場試驗

連續油管過油管堵水管柱在渤海油田西部區域開展現場實驗。JJSY-2H井井深為1 808 m，油管管柱結構自下而上為：浮鞋+?139.7 mm篩管扶正器+?139.7 mm篩管+?139.7 mm盲管+?139.7 mm篩管扶正器+變扣+?73 mm EU油管+工作筒(內徑58.75 mm)+?73 mm EU油管+變扣+?88.9 mm EU油管+變扣接頭及三通。井筒灌滿水后采用?38 mm連續油管將過油管堵水管柱順利送至1 485 m處?139.7 mm篩管內，開始啟泵并緩慢提高排量，封隔器開始坐封，觀察泵排量，當排量開始下降，井口壓力上升，封隔器坐封完成；井口泄壓，封隔器解封。將管柱上提至盲管內，連續油管內緩慢加壓到3 MPa，封隔器坐封，停泵關閉旋塞閥，穩壓30 min壓力不降，再泄壓解封。依次加壓到5 MPa、7 MPa、9 MPa，每個階段穩壓30 min壓力均不降。繼續加壓至12 MPa后井口壓力突然下降，滑套短節內球座剪切成功，球座落入篩管內，封隔器解封，5次重復坐封解封試驗完成。該管柱起出過程中，經過內徑為58.75 mm工作筒時懸重增加0.25 t。作業后封隔器膠筒上端最大直徑56 mm，膠筒中端最大直徑52 mm，膠筒下端最大直徑57 mm，封隔器的恢復率接近86%。K344-49小直徑膨脹封隔器作業前后如圖7、圖8所示。

圖7 K344-49小直徑膨脹封隔器作業前示意圖

圖8 K344-49小直徑膨脹封隔器作業后示意圖

4 結論

(1)成功研制出過油管小直徑膨脹封隔器，能實現過?73 mm油管并封隔?139.7 mm篩管，膨脹率達2.5倍，打破了國外技術壟斷，為國內過油管堵水技術的推廣應用提供了有效保障，但膠筒的恢復性能有待進一步提高。

(2)優化配套了過油管堵水管柱工具，一趟堵水管柱可完成多次環空化學封隔器分段封隔和地層分段化學封堵作業，填補了國內連續油管過油管堵水管柱工藝空白。

(3)在使用?38 mm連續油管施工作業時推薦節流器當量孔徑為7 mm、排量為0.15～0.2 m3/min，節流壓差在3～6 MPa之間。