300%擴張比抗H2S腐蝕堵水橋塞研制及應用

(中原油田分公司石油工程技術研究院 井下工具技術研究中心，河南 濮陽 457000)

普光氣田是目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模的海相整裝高含硫氣田,氣藏埋深5 500～6 000 m，原始地層壓力55 MPa，地層溫度130 ℃；硫化氫體積分數(shù)15.16%，二氧化碳體積分數(shù)8.64%[1]。在普光氣田開發(fā)生產(chǎn)過程中，由于底水的影響，2014年起陸續(xù)發(fā)現(xiàn)氣井產(chǎn)出地層水，其中部分井水淹而停產(chǎn)。氣井一旦出水，一方面導致氣井停噴，影響產(chǎn)量；另一方面造成井網(wǎng)不完善，水侵區(qū)內(nèi)剩余氣無法動用，嚴重影響氣田產(chǎn)能的發(fā)揮，需要實施堵水工藝。

由于普光氣田的硫化氫含量高，氣井全部采用永久式完井管柱，常規(guī)的排液采氣技術難以實施。若實施動管柱堵水，高含硫氣井的作業(yè)風險高，作業(yè)后需要更換氣密封油管及完井工具，作業(yè)成本高。若實施不動管柱化學堵水，由于堵劑用量難以準確預測，完井管柱又無法循環(huán)，氣層堵水效果難以達到預期目標[2]。因此，普光氣田出水井主要采用不動管柱機械堵水工藝[3]，過油管下入堵水橋塞，在出水層頂部的套管內(nèi)卡封，封隔底部水層[4-5]。常規(guī)橋塞的直徑大于油管內(nèi)徑，擴張比小于150%[6]，因此不能滿足普光氣田的工藝要求。為此，研制了高抗硫大擴張比橋塞。本文重點研究了膠筒材料的選擇，并進行試驗研究。

1 技術難點

1) 普光氣田氣井的完井管柱通徑小(最小內(nèi)徑69 mm)。要求過油管下入擴張式橋塞，坐封在177.8 mm(7英寸)套管(內(nèi)徑152.5 mm)內(nèi)。所以，橋塞外徑不超過62 mm，擴張比大于250%。但是，常規(guī)橋塞的擴張比小于150%，且直徑大而無法過油管下井，不能滿足在套管內(nèi)膨脹卡封、堵水要求。

2) 高溫高壓腐蝕。氣井由于長期生產(chǎn)，目前產(chǎn)層段地層壓力約為35 MPa，水層壓力約45 MPa，且高溫、高含硫化氫。采用大擴張比橋塞堵水，要求橋塞耐體積分數(shù)15%硫化氫腐蝕，在130 ℃、177.8 mm(7英寸)套管內(nèi)承壓差超過12 MPa。

2 膠筒材料分析及選擇

2.1 材質(zhì)性能要求

在普光高含硫氣井，完井工具本體主要采用718鎳基合金，其膠筒采用四丙氟橡膠。對于大擴張比抗硫橋塞，本體可以采用718鎳基合金。難點是橋塞膠筒材料的選擇，要求具有較高的伸長率，并且具有耐體積分數(shù)15%硫化氫腐蝕的能力，還要具備密封12 MPa壓力的能力。

四丙氟橡膠的拉斷伸長率低，無法用于制造大擴張比橋塞膠筒。采用常規(guī)氫化丁腈橡膠制造的膠筒，擴張比僅能達到150%，耐體積分數(shù)5%硫化氫腐蝕，也無法滿足普光氣田的需要[7]。

氫化丁腈橡膠的分子由于飽和了分子鏈中的雙鍵，能有效隔絕氧氣、酸性氣體等腐蝕性物質(zhì)對橡膠分子的破壞；同時保留了分子鏈中的腈基(-CN)，具有良好的耐油性。因此，選擇氫化丁腈橡膠作為橋塞膠筒的基體材料[8]。

為了保持橡膠材料具有較高的伸長率，采用補強效果較好填料(例如碳納米管和碳纖維)、超臨界二氧化碳的處理方法，提高填料在橡膠基體內(nèi)的分散程度，使橡膠材料在使用較少填料用量的基礎上獲得較高的強度[9]。減少填料用量，還會減少填料對橡膠材料斷裂伸長率的影響，使橡膠材料保持較高的伸長率。同時，在橡膠材料內(nèi)加入適量的離子聚合物，減少溫度對橡膠材料伸長率的影響，使之在高溫條件也能保持較高的斷裂伸長率，并使橡膠材料在高溫下也具有較高的強度[10]。根據(jù)膠筒擴張比大于250%、承壓12 MPa的要求，考慮橋塞在井筒內(nèi)不同溫度環(huán)境下的安全余量，要求橡膠材料在常溫～130 ℃條件下斷裂伸長率超過400%、拉伸強度超過12 MPa。

2.2 氫化丁腈橡膠材料性能測試

以氫化丁腈橡膠為基體材料，通過引入多官能團交聯(lián)，采用碳納米管補強、蒙托土插層阻隔技術，研制了高膨脹率的抗硫橡膠材料。在室內(nèi)進行性能測試，在130 ℃條件下橡膠材料的斷裂伸長率大于1 100%，耐體積分數(shù)20%硫化氫腐蝕(參照NACE TM0296—2002標準)。橡膠材料性能測試數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 改性氫化丁腈橡膠材料力學性能參數(shù)

表2 改性氫化丁腈橡膠材料腐蝕試驗條件

2)氣體成分(體積分數(shù))為H2S∶20%±2%，CO2：5%±1%，CH4：75%±3%。

3)液體成分(質(zhì)量分數(shù))為n-已烷:25%±1%，n-辛烷:20%±1%，n-癸烷:50%±1%，n-甲苯:5%±0.5%。

表3 改性氫化丁腈橡膠材料耐硫化氫腐蝕試驗數(shù)據(jù)

3 橋塞結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)普光氣田井筒特點，要求小直徑橋塞封堵大直徑井筒環(huán)空。如果采用直接壓縮式結(jié)構(gòu)，不易實現(xiàn)。因此，設計的橋塞為內(nèi)腔充填擴張式結(jié)構(gòu)。為保證橋塞擴張后的長期承壓差效果，采用長密封段結(jié)構(gòu)。不考慮內(nèi)通徑和解封(施工后不再取出)，采用充液單流閥永久密封結(jié)構(gòu)。進液閥采用滑閥式結(jié)構(gòu)，通過進液孔控制流量，防止快速、突然充壓，造成內(nèi)膠囊破裂。為了避免高擴張比情況下膠筒端部突翻，膠筒接頭喇叭口采用橢圓弧形結(jié)構(gòu)，降低膠筒接頭喇叭口處的應力集中。為了提高橋塞的承壓可靠性，膠筒的內(nèi)、外膠層之間設計有增強筋板，采用漸開線結(jié)構(gòu)重疊成圓環(huán)，通過粘合劑熱硫化與內(nèi)、外膠層粘接，具有保護內(nèi)膠層、支撐外膠層及錨定功能。考慮橋塞膨脹過程中膠筒變形量大，膠筒與中心管之間采用浮動密封結(jié)構(gòu)，在膠筒膨脹過程中提供補償位移，減少膠筒軸向受力[11-14]。研制的?62 mm大擴張比抗硫橋塞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—丟撈接頭； 2—閥座； 3—進液短管；4—單向閥；5—彈簧；6—密封管；7—芯軸；8—擴張式膠筒總成；9—浮動頭；10—密封塞；11—坐封剪釘；12—限位環(huán)；13—導向頭。

?62 mm大擴張比抗硫橋塞的主要技術參數(shù)：

最大外徑 ?62 mm

總長度 2.6 m

膠筒長度 1.60 m

膠筒徑向膨脹比 300%

耐溫 130 ℃

耐壓差 139.7 mm套管，28 MPa

177.8 mm套管，16 MPa

耐H2S體積分數(shù) 15%

泵送清水加壓力，液體從進液短管傳壓孔進入，作用在單向閥上，壓縮彈簧、將單向閥推開。液體進入膠筒內(nèi)腔，膠筒開始膨脹。當膠筒膨脹至接觸井壁時，膨脹空間受到限制，擠壓井壁產(chǎn)生接觸應力，并具有密封能力。此時，橋塞卡在套管內(nèi)，封隔套管環(huán)空。液壓膨脹式橋塞的錨定依靠疊層鋼帶、膠筒與套管壁的摩擦力實現(xiàn)卡定。

4 受力分析

橋塞中心管屬于細長桿，當承受壓差時可能導致中心桿彎曲或失穩(wěn)，需要對其工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行校核。采用CATIA軟件對橋塞各部件進行參數(shù)化建模，利用ABAQUS軟件進行有限元分析。為提高模擬分析效率，建立大擴張比橋塞模型時將橋塞芯軸、固定端膠筒接頭、承載環(huán)等部件視作整體[15-16]。簡化后模型結(jié)構(gòu)包括主結(jié)構(gòu)、內(nèi)膠筒、外膠筒、鋼片、浮動頭等幾個主要部件，在橋塞外設置內(nèi)徑為160 mm的套管。

對大擴張比抗硫橋塞進行完整加壓模擬，設置載荷為加載在內(nèi)膠筒內(nèi)部的均布內(nèi)壓力，坐封內(nèi)壓8～12 MPa、壓差16 MPa，模擬計算橋塞主體結(jié)構(gòu)、膠筒總成和浮動接頭等接觸對，均滿足強度要求，模擬計算結(jié)果如圖2、表4所示。

圖2 橋塞整體應力分布示意

表4 橋塞強度校核計算結(jié)果匯總

5 橋塞密封性能測試

5.1 常溫室內(nèi)試驗

橋塞膨脹坐封壓力6～10 MPa，加壓至14.5 MPa實現(xiàn)丟手。在177.8 mm(7英寸)套管(內(nèi)徑152.5 mm)內(nèi)密封承壓可達22 MPa。試驗結(jié)果如表5。

表5 橋塞常溫密封性能試驗結(jié)果

5.2 高溫室內(nèi)試驗

將?62 mm大擴張比抗硫橋塞分別放入88.9 mm(3英寸)油管、139.7 mm(5英寸)套管和177.8 mm(7英寸)套管內(nèi)，溫度設定為130 ℃，恒溫浸泡4 h后進行擴張及密封性能試驗。

橋塞坐封壓力6～10 MPa，丟手壓力14.5 MPa。坐封丟手后，先在下部加壓差至16 MPa、穩(wěn)壓4 h；保持內(nèi)壓不變，將下部壓力緩慢泄至0，在上部加壓差至16 MPa，穩(wěn)壓4 h。通過高溫密封性能試驗，橋塞在130 ℃、177.8 mm(7英寸)套管(內(nèi)徑160 mm)內(nèi)承壓可達16 MPa。試驗結(jié)果如表6所示。

表6 橋塞高溫(130 ℃)密封性能試驗結(jié)果

6 現(xiàn)場試驗

6.1 P105-2井基本情況

P105-2井投產(chǎn)層段6 013.9～6 230 m，出水層段6 086～6 196 m。地層壓力35.6 MPa，水層壓力45.7 MPa，地層溫度132 ℃。產(chǎn)出天然氣中硫化氫體積分數(shù)15%。該井油層套管外徑177.8 mm、內(nèi)徑152.5 mm，采用永久式完井管柱，管柱最小內(nèi)徑69.6 mm，油管鞋井深6 003.3 m。

2014-11，因出水量大而關井停產(chǎn)，關井前日產(chǎn)氣20萬m3、日產(chǎn)水78 m3。在2016—2017年，采用連續(xù)油管氣舉排液、連續(xù)油管拖動注塞堵水等多種措施，均未能成功復產(chǎn)。因此，設計采用大擴張比橋塞堵水，過油管下入橋塞、卡封在出水層頂界6 067 m處(套管內(nèi)徑152.5 mm)。

6.2 大擴張比抗硫橋塞堵水施工情況

2019-06，在P105-2井實施了?62 mm大擴張比抗硫橋塞過油管堵水工藝。采用連續(xù)油管下入橋塞至6 067 m，投坐封球后，清水泵送(泵壓1.9 MPa)坐封球。球到位后泵壓升至10.1 MPa，隨后降至1.9 MPa，顯示橋塞坐封、丟手成功。

橋塞坐封位置(6 067 m)套管內(nèi)徑152.5 mm。施工中橋塞坐封、丟手1次成功，實現(xiàn)P105-2井堵水復產(chǎn)，驗證了大擴張比抗硫橋塞在體積分數(shù)15%硫化氫、130 ℃、擴張比250%的情況下承壓10 MPa，性能可靠。

P105-2井采用大擴張比抗硫橋塞堵水后復產(chǎn)成功，日產(chǎn)氣10萬m3、日產(chǎn)水23 m3，油壓恢復至13 MPa。

7 結(jié)論

1) 普光氣田的氣井由于H2S含量高，采用了永久式完井管柱，不適合采用動管柱堵水工藝和化學堵水工藝。因此，選擇不動管柱過油管下橋塞堵水工藝。技術難點是橋塞的擴張比大，耐腐蝕，密封壓力高。

2) 研制了?62 mm大擴張比抗硫橋塞。本體材料為718鎳基合金。膠筒材料為改性的氫化丁腈橡膠。

3) 試驗證明，該橋塞能耐體積分數(shù)15%硫化氫腐蝕。在130 ℃條件下，在139.7 mm(5英寸)套管內(nèi)的密封壓力為28 MPa，177.8 mm(7英寸)套管內(nèi)的密封壓力為16 MPa。

4) 該橋塞可過油管下井、在生產(chǎn)套管內(nèi)卡封堵水，施工工藝簡單，適用于普光氣田的永久式完井管柱等復雜井況的堵水作業(yè)，具有較好的推廣應用前景。