水平井完井用可撈式分級注水泥器

朱玉杰,秦金立,馮麗瑩

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100101)

0 引言

分級注水泥器是分級固井工藝的關(guān)鍵工具,采用分級注水泥器進行分級固井,可降低環(huán)空靜液柱壓力,減少注水泥作業(yè)中發(fā)生井漏的可能性,降低施工壓力,縮短一次注水泥施工時間,有利于提高固井質(zhì)量[1-4].常規(guī)分級注水泥器在關(guān)閉循環(huán)孔后,需下入鉆具鉆除內(nèi)部附件,以便于后續(xù)作業(yè)的實施.當分級注水泥器規(guī)格尺寸大于φ177.8 mm時,在固井結(jié)束后鉆井隊一般采用現(xiàn)有的φ127.0 mm鉆具即可進行后續(xù)鉆除作業(yè);而當分級注水泥器規(guī)格尺寸小于φ177.8 mm時,還需再組織φ88.9 mm小鉆具進行后續(xù)鉆除作業(yè).目前,國內(nèi)大多數(shù)油氣井采用φ139.7 mm套管作為油層套管.而當進行分級固井作業(yè)時,固井后需下入小鉆具鉆除φ139.7 mm分級注水泥器的內(nèi)部附件.由于鉆具規(guī)格小,鉆壓和扭矩難以施加,在鉆除過程中,往往出現(xiàn)鉆偏、鉆漏及鉆除時間長等現(xiàn)象,影響分級注水泥器的密封能力.此外,分級注水泥器在附件鉆除后其內(nèi)通徑很難達到套管通徑,進而影響后期通井工具和壓裂工具的下入.這些情況的發(fā)生,不僅延長了完井周期,同時也大大增加了鉆井成本[5-7].

為解決分級注水泥器的附件鉆除問題,國內(nèi)多家公司開發(fā)了免鉆除分級注水泥器,固井結(jié)束后其內(nèi)部附件在可在重力作用下自行滑至井底,無需再下鉆鉆除附件,從而可避免鉆后密封失效和井眼不暢等情況的發(fā)生[8].但該類型分級注水泥器只適用于直井,不能適用于斜井和水平井,具有一定的使用局限性.此外,中石化勝利鉆井院等單位研發(fā)了一種適用于水平井篩管頂部注水泥工藝的可撈式分級注水泥器,但該類型可撈式分級注水泥器由于有內(nèi)部盲板結(jié)構(gòu)的存在,只能適用于下部裸眼完井、上部固井的完井方式,不能用于分級固井作業(yè)[9-12].

隨著各種特殊井況和新型工藝的出現(xiàn),分級注水泥器在水平井中的應(yīng)用越來越多[13-15],且國內(nèi)還未有適用于水平井的無需鉆除附件的分級注水泥器,基于此,本文開發(fā)了一種適用于水平井完井用的φ139.7 mm可撈式分級注水泥器.

1 可撈式分級注水泥器技術(shù)研究

1.1 結(jié)構(gòu)原理

可撈式分級注水泥器工具總成主要由可撈式分級注水泥器單元及配套的重力型打開塞、關(guān)閉塞和打撈爪組成.分級注水泥器單元主要由上接頭、打撈套、滑脫剪釘、關(guān)閉套、本體、內(nèi)套、定位卡簧、打開套、密封圈、滑脫剪釘和下接頭組成,如圖1所示.其中:打撈套上設(shè)計有鋸齒形機構(gòu),用于和打撈爪配合;關(guān)閉套和打開套內(nèi)徑設(shè)計為套管通徑,內(nèi)套與打開套和關(guān)閉套之間設(shè)計有大間隙,并通過大間隙密封圈實現(xiàn)密封,這樣保證了內(nèi)部附件能夠順利提出井口,實現(xiàn)套管串全通徑.

圖1 可撈式分級注水泥器結(jié)構(gòu)

可撈式分級注水泥器的工藝原理:1)注完第1級水泥后,釋放撓性塞,頂替泥漿,當撓性塞碰壓后,釋放井口壓力,并投入重力型打開塞.待重力型打開塞靠自由落體坐入內(nèi)套后開泵加壓,打開循環(huán)孔,建立循環(huán)并循環(huán)出分級注水泥器以上的多余水泥漿.2)注完第2級水泥后,釋放關(guān)閉塞,頂替泥漿,當關(guān)閉塞坐入分級注水泥器的內(nèi)套上后,繼續(xù)加壓,剪斷滑脫剪釘并關(guān)閉循環(huán)孔;同時防退卡簧彈入本體卡簧槽內(nèi),可以有效防止關(guān)閉套退回,確保分級注水泥器關(guān)閉的可靠性,此時關(guān)閉套實現(xiàn)永久關(guān)閉.3)固井結(jié)束后,下入打撈管串連接打撈爪至分級注水泥器位置,當懸重突然下降時說明打撈爪下入到位,打撈爪插入打撈套內(nèi).上提打撈管串,內(nèi)套上移一段距離后,定位卡簧彈入內(nèi)套的卡簧槽內(nèi),通過上提下放判斷內(nèi)部附件是否提脫,打撈狀態(tài)如圖2所示.判斷打撈成功后,起出打撈工具管串,管內(nèi)實現(xiàn)全通徑(見圖3).

固井后分級注水泥器內(nèi)部附件一次性提出井口,減少了修井作業(yè)時間及成本;完井管柱內(nèi)通徑大且內(nèi)表面光滑通暢,保障了后續(xù)作業(yè)的順利實施,改善了作業(yè)效果.

圖2 打撈內(nèi)部附件狀態(tài)

圖3 附件提出后全通徑狀態(tài)

1.2 關(guān)鍵機構(gòu)的設(shè)計

1.2.1 打撈機構(gòu)

打撈爪和打撈套是可撈式分級注水泥器的關(guān)鍵機構(gòu)之一,是承受打撈過程中軸向載荷的主要部件.打撈爪(見圖2)在插入打撈套時,與打撈套形成齒對齒配合,需不斷經(jīng)過先收縮后彈開的過程,直至完全嵌入進打撈套為止,打撈爪與打撈套形成連接,通過齒形嚙合形成軸向抗拉能力.根據(jù)打撈爪的工作原理,打撈爪必須具備2項基本性能:首先,打撈爪插入打撈套過程中,在連續(xù)的收縮、彈開后不會收縮變形;其次,打撈爪與打撈套之間形成拉載荷時,打撈爪具有足夠強度保證嚙合可靠性.因此,采取以下措施提高打撈機構(gòu)的可靠性:

1)打撈爪與打撈套設(shè)計負角度錐形齒形,錐形齒形可保證打撈爪插入時爪肋徑向變形量小,負角度齒形保證軸向受拉時各齒咬合更加可靠.

會后，組織參觀了西虹橋1號能源站分布式供能系統(tǒng)，提升了與會者對因地制宜利用空氣源熱泵與水源熱泵串級技術(shù)、水蓄能技術(shù)互補融合，實現(xiàn)梯級利用，提高能源綜合效率的感性認識。

2)優(yōu)選打撈爪材料及熱處理加工工藝,提高打撈爪的材料強度,保證打撈爪插入時應(yīng)力小于材料屈服極限,不會發(fā)生塑性變形.

1.2.2 大間隙密封裝置

分級注水泥器內(nèi)套與打開套、關(guān)閉套之間設(shè)計有至少4 mm的間隙,如何保證其密封是關(guān)鍵.根據(jù)分級注水泥器工作原理可知,內(nèi)套與打開套、關(guān)閉套之間的密封裝置只需承受來自頂部的壓力,故選擇密封裝置只要求為單向大間隙密封即可.大間隙密封圈的工作原理是依靠其張開的唇邊貼于密封副偶合面 (見圖4).無壓力時,僅僅因唇尖的變形而產(chǎn)生很小的接觸壓力.在壓力作用下,通過密封圈上部的變形,在密封圈唇的周圍產(chǎn)生拉伸-壓縮應(yīng)力,這就使密封唇被推向金屬的表面,產(chǎn)生接觸應(yīng)力.隨著液壓力的增加,密封唇邊形值也隨之增大,接觸壓力也就增大,這樣就產(chǎn)生自封的效果.

圖4 大間隙密封示意

為滿足該分級注水泥器的應(yīng)用條件,對大間隙密封圈和密封槽進行了優(yōu)化設(shè)計,并對密封能力進行了試驗驗證,試驗結(jié)果表明,大間隙密封圈密封能力達到35 MPa,滿足了現(xiàn)場施工要求.大間隙密封技術(shù)既保證了內(nèi)部附件的順利提出,又保證了分級注水泥器處無縮徑,保證了后期作業(yè)的實施.

1.3 技術(shù)參數(shù)

可撈式分級注水泥器主要技術(shù)參數(shù)見表1,適用水平井(φ139.7 mm套管完井).

表1 可撈式分級注水泥器主要技術(shù)參數(shù)

1.4 關(guān)鍵施工工藝及預(yù)案

1.4.1 壓膠塞替漿技術(shù)

可撈式分級注水泥器的施工工藝和常規(guī)工具有所不同,為實現(xiàn)打撈機構(gòu)在套管內(nèi)的順利提出,保證施工成功率,對整個施工工藝進行了優(yōu)化研究,提出了專用的壓膠塞替漿技術(shù),主要對施工過程用的液體進行了研究及調(diào)整.

2)替漿液.可撈式分級注水泥器用于套管完井作業(yè)中,為避免施工結(jié)束后再進行洗井作業(yè),替漿液主要用清水取替了鉆井液.利用清水替漿也為工具提出部分的順利打撈提供了有力條件.

3)內(nèi)置液.一級替漿過程中,在分級注水泥器位置以上1 m3、下3 m3需替入特制的內(nèi)置液,該內(nèi)置液類似壓塞液,內(nèi)部含有一定的黏度、切力和抗高溫穩(wěn)定的材料,避免鉆井液或水泥漿中固相顆粒在靜壓作用下侵入分級注水泥器,堵塞密封件與內(nèi)套之間的間隙.

1.4.2 施工風險及預(yù)案

可撈式分級注水泥器的打開和關(guān)閉動作原理與常規(guī)分級注水泥器相同,當遇到循環(huán)孔打不開或關(guān)不上等問題時,施工預(yù)案與常規(guī)分級注水泥器解決方法相同.除此之外,可撈式分級注水泥器存在的施工風險及預(yù)案為:

1)內(nèi)部附件水泥固結(jié)造成提出困難.首先,固井過程中在分級注水泥器位置替入特制內(nèi)置液,預(yù)防水泥固結(jié),即盡量避免鉆井液或水泥漿中固相顆粒堵塞分級注水泥器內(nèi)部的間隙,造成提出困難.其次,如果發(fā)生水泥固結(jié)現(xiàn)象,則在打撈工具下入到位前,邊下邊循環(huán),盡量循環(huán)出分級注水泥器打撈套內(nèi)部雜質(zhì),保證打撈爪順利插入打撈套.如不能順利插入,則可旋轉(zhuǎn)打撈管柱,磨銑打撈套內(nèi)殘留水泥.

2)附件無法提出.打撈工具下入到位后,如多次上提到允許最大載荷仍不能提出內(nèi)部附件,則可正轉(zhuǎn)起出打撈工具,下入鉆具鉆除內(nèi)部附件,內(nèi)部附件均采用可鉆除材料,具有較好的可鉆性.

2 性能評價及入井試驗

為檢驗可撈式分級注水泥器的各項功能和性能,在樣機試制后,進行了地面性能試驗,包括打開前整體密封試驗、打開試驗、關(guān)閉試驗、內(nèi)部附件打撈試驗以及關(guān)閉后的密封性能試驗.表2為其中2次的試驗結(jié)果.試驗結(jié)果表明,研制的φ139.7 mm可撈式分級注水泥器的整體密封能力達到35 MPa;循環(huán)孔打開、關(guān)閉動作正常;關(guān)閉后密封能力達到35 MPa;內(nèi)部附件可順利提出.可撈式分級注水泥器的各項指標滿足設(shè)計要求.

表2 可撈式分級注水泥器性能試驗結(jié)果

可撈式分級注水泥器完成地面性能試驗后,在中油能源發(fā)展公司JJSY-2H井完成了入井試驗.JJSY-2H井為一口水平井,井深2 200 m,水平段長400 m,φ139.7 mm可撈式分級注水泥器下深1 500 m,下深位置井斜15°.工具順利下到預(yù)定位置后,投入打開塞憋壓8.5 MPa打開循環(huán)孔,關(guān)閉塞泵送到位后憋壓5.7 MPa成功關(guān)閉循環(huán)孔,最后下入φ88.9 mm油管打撈管串,到位后上提35 kN成功打撈出內(nèi)部附件 (見圖5).試驗后分級注水泥器內(nèi)徑達到套管通徑,后續(xù)工具可順利通過.入井試驗結(jié)果較好地驗證了可撈式分級注水泥器的可靠性.

圖5 內(nèi)部附件打撈出井口

3 結(jié)論

1)φ139.7 mm可撈式分級注水泥器通過下入打撈工具將內(nèi)部附件一次性提出井口,解決了水平井固井后附件鉆除存在的隱患,具有管柱內(nèi)通徑大、密封效果好等優(yōu)點,為后續(xù)作業(yè)提供了可靠的井眼條件,可適用于斜井和水平井,具有廣闊的應(yīng)用前景.

2)地面試驗和入井試驗結(jié)果表明,可撈式分級注水泥器的整體密封能力及關(guān)閉后的密封能力達到35 MPa,內(nèi)部附件可順利提出,各項指標滿足設(shè)計要求.

3)建議擴大應(yīng)用規(guī)模,進一步驗證和提高工具的可靠性,早日實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,為國內(nèi)水平井易滲透地層固井及油氣藏開發(fā)的降本增效提供技術(shù)支撐.