分層開采井沖洗驗封一體化管柱及關鍵工具研究

鄭靈蕓, 丁德吉, 沈 瓊, 張倫瑋

(1.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司, 天津 300452; 2.廣東南油服務有限公司, 廣州 510030)

渤海的海上油田開發以大斜度井、水平井居多,開發層數多,層間物性差異大,采用分層開采方式已經成為提高采收率和增儲上產的必要手段。目前,渤海油田開發生產井和注水井次逐年增多,每年檢泵次數和更換管柱次數也不斷增加。

渤海油田分層開采井大部分采用防砂封隔器與防砂篩管組合方式完井[1-5]。海上油田油水井多采用先期防砂開采方式,在現有的油水井的分采分注及相關措施作業中,井下層間密封采用封隔器密封筒+插入密封配合的方式,一旦密封失效,分采分注及相關措施作業均無法正常實施。封隔器密封筒的可靠性決定著大部分油、水井能否正常分層生產,絕大部分分層開采管柱失效都是由于封隔器密封筒或者膠筒損壞引起的[6-11]。目前,海上油田更換管柱順序為:起原井生產管柱→下入沖洗管柱→起鉆→下入驗封管柱→起鉆→下入新生產管柱。在修井或完井作業時,生產管柱下入前,需要下入沖洗管柱,進行沖洗、探底,保障生產需求。為保障井下層間密封效果,均需要對井下防砂封隔器的密封筒進行驗封,從而保障分層開發效果。

常規作業時沖洗、驗封分別下入一趟管柱,導致作業時效低。為提高海上油田修井作業時效,降低作業成本,研發了海上油田沖洗驗封一體化管柱。將沖洗工具和驗封工具集成在一趟管柱內,通過預定的步驟,實現了沖洗+驗封功能。該工藝單井可節約作業時間36 h,極大地提高了作業效率。

1 油水井沖洗+驗封作業流程

目前,海上油田修井時,將原井管柱起出后,油井出砂會沉入井底。為保障井筒完整與疏通井筒,需要下入沖洗管柱,管柱組成為:油管+引鞋(如圖1a所示)。管柱下入到防砂段后,井口進行正循環洗井,管柱逐步下探直至洗井到人工井底,完成洗井工作。

圖1 沖洗+驗封管柱示意圖

洗井完成后,起出沖洗管柱,下入驗封管柱,管柱組成為:油管+驗封定位密封+油管+驗封插入密封+油管+圓堵。驗封管柱下入到位后,定位密封與定位封隔器配合完成驗封,如圖1b所示。首先,驗證定位封隔器密封性能和定位封隔器上部管柱密封性能。通過油套環空加壓,按照驗封標準程序進行評價,完成頂部封隔器驗封。定位密封驗證完成后,上提管柱,驗封插入密封分別與隔離封隔器密封筒配合,驗證隔離封隔器密封筒的密封性,如圖1c所示,由下至上,依次完成所有密封筒驗封。驗封完成后,起出驗封管柱,完成驗封流程,轉入生產管柱下入流程。

驗封插入密封與常規插入密封相比,設置有驗封孔,驗封孔在軸向位于插入密封的密封環中間位置,溝通中心通道與環空。驗封時中心管壓力通過驗封孔傳遞到插入密封的密封環和封隔器密封筒組成的密閉中間,若壓力不降低則說明插入密封與密封筒配合良好,完成驗封功能。

2 沖洗驗封一體化管柱

為降低作業時間,提高沖洗驗封效率,在原兩趟式作業的基礎上,研發了沖洗驗封一體化管柱。為實現沖洗和驗封一趟完成,在配套工具方面做了很多探索。初期設計是一體化管柱中安裝球座短節,沖洗作業時通過中心管過流,正向沖洗;驗封時,向管柱中投球,通過球與球座的配合,完成中心管柱下端的密封,然后依次對定位封隔器密封筒、隔離封隔器密封筒驗封[12-16]。但是,在試驗過程中發現,單純依靠球與球座密封面的配合,很難實現完全的密封。這種情況下,如果驗封時出現壓降,無法準確獲知是管柱中存在泄露點,還是球與球座密封處出現泄露。鑒于此,考慮用V型盤根實現管柱驗封時的封堵功能。

2.1 工藝原理

沖洗驗封一體化管柱主要由油管、驗封定位密封、一體管柱式插入密封、滑套式開關沖洗工具、引鞋等組成,結構如圖2所示。滑套式開關沖洗工具在初始狀態時處于打開狀態,實現中心管過流,從而實現沖洗功能。沖洗完成后,通過投球、加壓關閉中心通道,實現管柱驗封功能。定位密封實現定位封隔器的驗封功能,一體管柱式插入密封實現由下到上隔離封隔器的驗封。

圖2 沖洗驗封一體化管柱

2.2 作業步驟

一體化管柱下入時,由下到上分別連接引鞋、油管短接、滑套式開關沖洗工具、油管短接、一體管柱式插入密封、油管、驗封定位密封、油管等。下入過程中,引鞋到達定位密封處開始進行中心管加壓,沖洗,洗井液由中心管流經所有井下工具中心通道至引鞋處,進行洗井作業。逐步下探至人工井底,完成洗井作業。在探底處定位密封下入到位,通過井口投入剪切球,中心管打壓,剪切球到位后,推動滑套式開關沖洗工具內的活塞并剪斷銷釘。活塞向下運動,通過活塞上下設置的V盤結構,將側向過流通道關閉,實現中心管憋壓。對油套環空加液壓,驗證定位封隔器密封效果。完成定位封隔器驗封后,提高中心管注入壓力至破裂盤的破裂壓力,將一體管柱式插入密封破裂盤打開,實現插入密封的驗封功能,通過逐步上提,從下至上完成驗封作業。

沖洗驗封一體化作業步驟為:井口按順序連接工具→下入沖洗驗封一體化管柱→管柱下入到沖砂位置→井口正循環沖洗至井底→井口投球→井口加壓關閉沖洗工具通道→油套環空加壓,驗封定位封隔器→井口加壓至破裂盤破裂壓力→插入密封破裂盤打開→上提管柱逐個對隔離封隔器驗封。

2.3 技術參數

沖洗驗封一體化管柱利用1趟管柱,完成了沖洗、驗封功能。投球剪切壓力小于插入密封破裂盤破裂壓力,以120.65 mm(4.75 in)防砂完井為例,洗井時工具內通徑可以達到40 mm,最大沖洗過流量達到2 000 m3/d,滿足大排量洗井需求。

2.4 技術特點

1) 通過一體化管柱實現沖洗、驗封功能,提高修井時效。

2) 滑套式開關沖洗工具采用活塞結構,實現中心管的零泄露,從而保障驗證封隔器的密封效果。

3) 開發的工具最大外徑為116 mm,滿足海上油田大部分120.65 mm(4.75 in)防砂完井管柱的尺寸要求,為工藝推廣奠定基礎。

3 滑套式開關沖洗工具

3.1 結構及特點

滑套式開關沖洗工具結構如圖3所示,由內外兩層結構組成,外層結構由上接頭和下接頭組成,上下接頭采用油管扣連接,實現了工具外部密封。上接頭內部設置有活塞腔,內部設置有活塞結構,活塞結構下部設置有過流通道與下堵頭。

1-上接頭;2-鋼球;3-活塞;4-下接頭;5-剪切銷釘;6-密封組件;7-密封壓環;8-過流通道;9-下堵頭。

正常沖洗流程時,沖洗液由中心管通過活塞的內通道到達過流通道處,通過過流通道進入工具內外層組成環形空間內,最后通過下接頭流出工具,進入引鞋,實現沖洗功能。

沖洗完成后,井口投入鋼球,鋼球與活塞配合,實現中心通道的密封,繼續加壓,鋼球推動活塞,將剪切銷釘剪斷,推動活塞向下移動,將過流通道關閉,從而使管柱中心通道關閉,實現了中心管憋壓。

該工具與常規球座對中心管密封相比,采用了活塞+V盤密封方式,實現了中心通道的零泄漏,從而為驗封提供了基礎條件。活塞上部設置有螺紋,作業完成后,在工具上部通過專用工具,或活塞螺紋連接,可以將活塞取出,進行密封元件的保養及剪切銷釘的更換,維保簡單,方便。

滑套式開關沖洗工具的主要特點:

1) 采用活塞+V盤密封方式,實現了中心管的零泄露,保障驗封可靠性。

2) 外部采用油管螺紋直連方式,結構簡單,密封可靠。

3) 活塞上部設置,便于配合維保工具,實現活塞動作,便于維保。

3.2 技術參數

1) 工具外徑116 mm,適用于120.65 mm(4.75 in)防砂完井管柱的沖洗作業。

2) 通過設置銷釘數量與直徑,可實現銷釘剪斷壓力調整。

3) 工具長度 984 mm,下入方便。

4) 工具最小內徑40 mm,最大沖洗流量達到2 000 m3/d。

4 應用實例

沖洗驗封一體化管柱研發成功后,在渤海油田A區塊X1井中進行了應用。下入沖洗驗封一體化管柱,工具洗井工作正常。投球后,剪切銷釘的斷裂壓力為8.2 MPa,一體管柱式插入密封破裂盤破裂壓力為12.5 MPa。一趟管柱成功完成洗井和驗封工作。與常規沖洗+驗封管柱方案相比,節約修井時間約36 h,作業時效提高19%。

5 結論

1) 采用沖洗驗封一體化管柱利用一趟管柱實現了沖洗、驗封2種作業,提高了作業時效,單井至少節約修井時間36 h。

2) 滑套式開關沖洗工具結構簡單,實現了中心管的零泄露,保障驗封效果評價,且內通徑設計保障沖洗流量達到2 000 m3/d,有效保障洗井效果。

3) 該工藝可以應用于分層采油井、注水井的完井、修井作業中,年作業量在400井次以上,應用前景廣泛。