射孔防卡堵帶壓下泵聯(lián)作一體化技術(shù)研究

鄭瑞波

（中國(guó)石化江漢油田分公司 江漢采油廠，湖北 潛江433123）①

高壓區(qū)塊以及厚油層長(zhǎng)射孔段油井投產(chǎn)需要采用油管傳輸式射孔方式［1］。由于該方式在爆破后整個(gè)下井管柱即成為全通徑結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生油管溢流冒噴，將影響下一步帶壓下泵轉(zhuǎn)機(jī)抽作業(yè)的實(shí)施。若采取壓井液循環(huán)壓井措施后再下泵抽管柱，則將會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成一定程度的污染傷害［2-3］。如果采取帶壓下泵措施則需要?jiǎng)佑脦鹤鳂I(yè)整套設(shè)備，從而造成工序繁瑣、占井時(shí)長(zhǎng)、作業(yè)費(fèi)用高等問題。相關(guān)文獻(xiàn)介紹的“射孔下泵一體化”技術(shù)具有一定先進(jìn)性，但主要基于具有全通徑特點(diǎn)的兩種特殊泵型的應(yīng)用，即桿式抽油泵［1］和特制的“射采聯(lián)作泵”。一方面，桿式泵在國(guó)內(nèi)有桿泵采油井中應(yīng)用比例很小，例如江漢油區(qū)目前約1 100口生產(chǎn)井中只有3口井采用了桿式泵舉升。另一方面，特制的具有可投撈固定閥功能的“射采聯(lián)作泵”，由于其固定閥皮碗支承座受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制內(nèi)通徑較小，為了使校深儀器順利通過，還需要專門配套特制的“小直徑過泵定位儀”，相應(yīng)地增加了整套工藝的投用成本，使其推廣適用范圍受到一定的局限性［4-5］。由于國(guó)內(nèi)各油田應(yīng)用常規(guī)管式抽油泵舉升管柱的比例高達(dá)95%，為此，筆者設(shè)計(jì)了一種可以適用于各種管式泵通用的“射孔后防炮渣卡堵可帶壓轉(zhuǎn)抽”的集成采油管柱，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯，與桿式泵和射采聯(lián)作泵并列使用，使“射孔下泵聯(lián)合作業(yè)”（簡(jiǎn)稱“聯(lián)作”［6］）技術(shù)具有更廣泛的推廣前景。

將管式泵與射孔槍串聯(lián)實(shí)施聯(lián)作最大的難點(diǎn)在于，射孔爆破后產(chǎn)生的大量炮渣雜質(zhì)會(huì)瞬間涌入尾管，直至將管式泵固定閥或者防噴工具卡住或堵死［7-8］。為該新型集成采油管柱，研發(fā)了可與各種管式泵配套使用的通用工具，解決了炮渣卡堵的問題，實(shí)現(xiàn)了將油井射孔和下泵兩趟管柱合二為一，射孔后可不動(dòng)管柱帶壓防噴轉(zhuǎn)機(jī)抽完井。在江漢油區(qū)應(yīng)用表明，該工藝平均縮短單井起下?lián)Q管占井時(shí)間26 h，平均減少單井作業(yè)費(fèi)用￥1.8萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯，為同類型油井射孔后下泵作業(yè)提供了聯(lián)作新模式。

1 管柱結(jié)構(gòu)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

該射孔后防卡堵可帶壓轉(zhuǎn)抽的集成采油管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。由上至下依次為油管串、油管校深短節(jié)、抽油泵泵筒、抽油泵固定閥總成、炮彈式泵下堵塞器［9］、油管短節(jié)、炮渣攔截器、油管串、炮彈攔截器、射孔槍串。

圖1 射孔后防卡堵可帶壓轉(zhuǎn)抽的集成采油管柱結(jié)構(gòu)示意

該工藝組合應(yīng)用常規(guī)管式泵及篩管+普通射孔槍串（或全通徑射孔槍串），將起下兩趟射孔管柱和一趟下泵管柱整合為一趟完井管柱。通用型的炮彈式泵下堵塞器起到射孔后防噴及擊穿炮渣攔截器打開進(jìn)液通道的作用；炮渣攔截器攔阻射孔后上返的炮渣，防止炮渣堵塞卡阻泵下堵塞器及泵固定閥組的作用；大通徑炮彈攔截器承接擊穿炮渣攔截器后落下的堵塞器的炮彈芯子（活塞），防止炮彈芯子落井或堵塞射孔槍爆破后形成的進(jìn)液通道。射孔后，在炮轟壓力作用下，炮渣上涌可以通過大通徑的炮彈攔截器，直至被炮渣攔截器阻擋無法繼續(xù)上返至泵下堵塞器位置。然后通過增壓泵車在地面對(duì)油管加壓，直至液壓打開泵下堵塞器的瞬間，利用“崩出”的炮彈芯子的高速動(dòng)能再把炮渣攔截器擊穿（最終落在炮彈攔截器上），從而打開整個(gè)尾管的進(jìn)液通道，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱開抽完井。該工藝適用于所有采用油管傳輸式射孔后直接下泵生產(chǎn)的油井進(jìn)行射孔后帶壓轉(zhuǎn)抽聯(lián)合作業(yè)。

1.2 集成管柱主要技術(shù)參數(shù)

1） 管柱最大外徑：射孔槍處，?139.7 mm 規(guī)格套管內(nèi)一般采用?102 mm 槍型。

2） 配套工具（炮彈式泵下堵塞器、炮渣攔截器、炮彈攔截器）通用外徑：根據(jù)?57 mm 及以下規(guī)格泵徑的通用型，采油管柱標(biāo)準(zhǔn)最大外徑為?90 mm，配套工具設(shè)計(jì)的外徑也均為?90 mm（?70 mm及以上規(guī)格泵徑的管柱外徑≥?107 mm，一般不用于該聯(lián)作工藝）。

3） 炮渣攔截器與炮彈式堵塞器之間安裝距離（油管短節(jié)長(zhǎng)度）：為了充分利用炮彈芯子的高速動(dòng)能，一般在0.5 m 范圍內(nèi)。

4） 炮彈式泵下堵塞器最大防噴壓力：30 MPa。

5） 炮彈式泵下堵塞器最高工作耐溫：160 ℃。

6） 炮彈式泵下堵塞器（炮彈芯子）射出動(dòng)能：875 J。

7） 炮彈攔截器過流截面積等效水眼直徑：?60 mm。

8） 配套工具連接扣型：?73.03 mm 規(guī)格平式油管扣。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1） 在油管傳輸射孔管柱上集成防噴帶壓轉(zhuǎn)抽功能，減少起下?lián)Q管作業(yè)工序、縮短作業(yè)占井時(shí)間、降低作業(yè)費(fèi)用。

2） 可以避免高壓油井射孔、循環(huán)壓井后下泵造成的儲(chǔ)層傷害，以及帶壓下泵造成的作業(yè)繁瑣、占井時(shí)長(zhǎng)、冒噴污染等問題。

3） 可防止射孔彈爆炸后產(chǎn)生的大量炮渣在炮轟壓力作用下沿尾管上涌，造成卡堵泵抽管柱的故障發(fā)生，保證該集成管柱工藝設(shè)計(jì)及施工作業(yè)的可靠性。

4） 組裝操作簡(jiǎn)單，管柱通用性強(qiáng)，設(shè)計(jì)的配套工具（炮彈式泵下堵塞器、炮渣攔截器、炮彈攔截器）適用于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的常規(guī)管式泵和普通射孔槍串。

2 配套工具

2.1 炮彈式泵下堵塞器

2.1.1 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

炮彈式泵下堵塞器是在原泵下堵塞器［9］的結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 炮彈式泵下堵塞器結(jié)構(gòu)示意

主要由頂桿、壓帽、剪斷銷釘、密封圈、彈簧、炮彈芯子（活塞）、堵塞器殼體、剪釘座圈等組成。與原堵塞器相比，主要改進(jìn)的結(jié)構(gòu)是將活塞底端的平底螺帽設(shè)計(jì)為子彈頭狀，成為一種炮彈芯子，用于實(shí)現(xiàn)射出后順利擊穿下部炮渣攔截器的功能。炮彈芯子結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 炮彈芯子結(jié)構(gòu)示意

2.1.2 工作原理

組裝好的炮彈式泵下堵塞器是一套獨(dú)立的井下工具，將其直接安裝在管式泵固定閥下部。頂桿在內(nèi)部彈簧彈力作用下始終可以將閥球頂離閥座，這樣便使下井后的抽油泵固定閥處于常開狀態(tài)。炮彈芯子（活塞）上的密封圈保證其與堵塞器殼體之間達(dá)到密封狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)防噴功能。由于在頂桿作用下閥球與閥座處于分離（常開）狀態(tài)，當(dāng)油管內(nèi)施加液壓時(shí)，液壓力即可越過固定閥向下作用于炮彈芯子（活塞）頂平面上。當(dāng)推動(dòng)炮彈芯子向下的推力達(dá)到其剪釘槽內(nèi)均布的銷釘?shù)目偧魯嗔?，銷釘被剪斷，炮彈芯子瞬間從堵塞器腔室中被高速射出，直至擊穿下部炮渣攔截器，進(jìn)而打開整個(gè)管柱的進(jìn)液通道。

炮彈式泵下堵塞器在原內(nèi)防噴功能基礎(chǔ)上增加了“動(dòng)能擊穿”新功能，使其適用范圍更廣，可替代原堵塞器使用。

2.2 炮渣攔截器

炮渣攔截器用以阻擋攔截射孔彈爆炸后形成的炮渣瞬間上涌進(jìn)入尾管，避免炮渣卡堵泵下堵塞器及泵閥。射孔后待壓力擴(kuò)散后，攔阻在炮渣攔截器下部的炮渣會(huì)自然沉降，之后再擊穿攔截器時(shí)炮渣不會(huì)再產(chǎn)生影響。

炮渣攔截器結(jié)構(gòu)如圖4所示，由上接頭、擋板、下接頭組成。擋板由具有一定厚度的銅板制成，具有較強(qiáng)塑性，當(dāng)被炮彈芯子擊穿后可順勢(shì)翻邊定型，從而形成較大通徑的過流通道。銅板上呈“十”字狀均布細(xì)小通孔（如圖5），通孔主要有2個(gè)作用：①類似郵票的易拉口，使炮彈芯子更容易擊穿并撕裂擋板，形成大通徑的過流通道（如圖6）；②保證炮渣攔截器上下液壓平衡，防止深井處較高的靜液柱壓力將擋板漲破。

圖4 炮渣攔截器結(jié)構(gòu)示意

圖5 炮渣攔截器擋板結(jié)構(gòu)

圖6 炮彈芯子擊穿炮渣攔截器時(shí)狀態(tài)

2.3 炮彈攔截器的設(shè)計(jì)

炮彈攔截器結(jié)構(gòu)如圖7所示，其具有“十”字形及半月形過流通道，主要作用是用以承接落下的炮彈芯子，避免炮彈芯子落入并堵塞射孔槍中心過流通道。

圖7 炮彈攔截器結(jié)構(gòu)示意

2.4 炮彈式泵下堵塞器擊穿動(dòng)能計(jì)算

炮渣攔截器擋板上的細(xì)小通孔不足以滿足過流通道需要，必須將其撕裂擊穿。其原理是依靠液壓打開炮彈式泵下堵塞器的瞬間，利用炮彈芯子射出時(shí)具有的高速動(dòng)能將銅板擊穿，從而完全打開尾管進(jìn)液通道。

根據(jù)動(dòng)能定理，炮彈芯子射出的初始動(dòng)能（式中忽略炮彈芯子射出瞬間所受的摩擦阻力）：

式中：Wg為炮彈芯子射出的初始動(dòng)能，J；F 為液壓作用于活塞（炮彈芯子）頂平面上折算的推力，N；S為堵塞器腔室長(zhǎng)度（出膛位移），m；m 為炮彈芯子整體質(zhì)量，kg；v為炮彈芯子射出時(shí)的初速度，m／s。

炮彈芯子在液壓作用下的射出過程與普通手槍子彈的射擊出膛效果類似，為了直觀反映其對(duì)炮渣攔截器銅板的擊穿效果，對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表1。

由表1可知，炮彈芯子的射出動(dòng)能相當(dāng)于普通手槍子彈的約81%，擊穿能力很強(qiáng)。在模擬井下液壓推力等受力工況參數(shù)下，所做的地面打壓擊穿試驗(yàn)中，炮彈芯子達(dá)到了順利擊穿炮渣攔截器的理想效果，如圖8所示。

表1 炮彈式泵下堵塞器與普通手槍子彈擊穿動(dòng)能對(duì)比

圖8 炮彈芯子擊穿炮渣攔截器地面試驗(yàn)

3 射孔帶壓轉(zhuǎn)抽集成管柱作業(yè)方法

第1 步，下組合管柱：地面丈量管柱及工具長(zhǎng)度。參照施工工藝（如圖1）及施工步驟，依次連接工具串并下入井筒。

第2步，伽瑪+磁定位組合校深：當(dāng)射孔槍下至目的層附近深度后，油管內(nèi)下入伽瑪+磁定位組合校深儀［10］，通過專業(yè)測(cè)試方法［11］比對(duì)測(cè)定出油管校深短節(jié)精確深度。

第3步，調(diào)整射孔槍深度：根據(jù)校深測(cè)定的油管校深短節(jié)精確深度以及事先丈量出的總零長(zhǎng)（油管校深短節(jié)至射孔槍距離），通過在井口下入或上提油管來精確調(diào)整以使射孔槍正對(duì)待射孔的目的層位。

第4步，下抽油桿柱：井口依次下入抽油泵柱塞和抽油桿柱，當(dāng)柱塞下至泵筒上部10～20 m 深度時(shí)，井口懸吊抽油桿柱。

第5步，套管反打壓射孔：通過井口液壓泵車在套管中施加液壓，使液力傳導(dǎo)至射孔槍處，靠液力起爆射孔槍，完成對(duì)目的層的射孔。

第6步，交替起桿管：井口交替起出1～3根抽油桿和油管，將射孔槍向上提出目的層上邊界10～20 m。

第7步，柱塞提出泵筒：將柱塞提出泵筒10～20 m 后在井口懸掛桿柱。

第8步，正加壓打掉堵塞器：通過井口液壓泵車在油管中施加液壓，使液力傳導(dǎo)至抽油泵固定閥下部的炮彈式泵下堵塞器處，靠液力打掉炮彈芯子，并擊穿炮渣攔截器。

第9步，連光桿探泵試抽完井：井口倒換連接光桿，將柱塞導(dǎo)入泵筒內(nèi)重新探泵，調(diào)整好防沖距，試抽出液正常后完井開抽。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在使用該炮彈式泵下堵塞器+炮渣攔截器+炮彈攔截器組合工具之前，集成采油管柱上采用的普通的堵塞器和接球座的組合，發(fā)生了2井次的炮渣卡堵故障，導(dǎo)致返工作業(yè)。自2017-09，在T761X-2等井改用炮彈式泵下堵塞器+炮渣攔截器+炮彈攔截器組合工具，在江漢油區(qū)累計(jì)應(yīng)用23井次，新工藝一次完井成功率100%。部分井次應(yīng)用效果如表2。

表2 部分油井采用集成采油管柱技術(shù)應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用該集成管柱聯(lián)作完井平均縮短單井起下?lián)Q管占井時(shí)間26 h，平均減少單井作業(yè)費(fèi)用￥1.8 萬元，累計(jì)增產(chǎn)及減少原油損失約800 t，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)論

1） 射孔后防卡堵帶壓下泵聯(lián)作一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將油井射孔和下泵兩趟管柱合二為一，射孔后不動(dòng)管柱帶壓防噴轉(zhuǎn)抽一體化聯(lián)合作業(yè)功能，既可避免高壓井射孔壓井后下泵造成的儲(chǔ)層傷害，又能避免帶壓下泵造成的作業(yè)繁瑣、占井時(shí)長(zhǎng)、冒噴污染等問題。

2） 炮彈式泵下堵塞器和炮渣攔截器組合工具對(duì)各型管式抽油泵采油管柱通用性強(qiáng)，可以防止射孔后產(chǎn)生的炮渣上涌，造成卡堵泵抽管柱的故障發(fā)生，保證了該集成管柱現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可靠性。

3） 在工藝適應(yīng)性、選井條件、技術(shù)優(yōu)勢(shì)方面，該集成管柱擴(kuò)展了傳統(tǒng)的油管傳輸射孔管柱功能，為同類型油井射孔后下泵作業(yè)提供了聯(lián)作新模式。