新型復(fù)合式遇油遇水封隔器的研制與應(yīng)用*

□ 張秀青 □ 王 玥 □ 李文杰 □ 馮 強(qiáng) □ 楊文領(lǐng) □ 泰淑媛

中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院 天津 300280

1 研究背景

遇油遇水封隔器是一種可以在油、水環(huán)境中持續(xù)自膨脹的封隔工具,能夠在任何裸眼井或套管井內(nèi)密封環(huán)空,坐封不需要移動(dòng)管柱。遇油封隔器可以在油基泥漿、原油、柴油中吸油膨脹,遇水封隔器可以在水基泥漿和地層水中吸水膨脹,兩者膨脹后,介質(zhì)改變,不影響穩(wěn)定性,使用方便。由此可見(jiàn),采用遇油遇水封隔器是一種相比固井和射孔更安全、更簡(jiǎn)單的層間分隔方式。

目前,國(guó)內(nèi)外廣泛使用的常規(guī)遇油遇水封隔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,僅由圓柱形主封膠筒與基管連接組成,在使用中存在兩方面問(wèn)題。

第一,遇油遇水封隔器要求環(huán)空間隙不能過(guò)大,但如果間隙小,會(huì)導(dǎo)致工具下入困難。

第二,封隔器膠筒在介質(zhì)中的膨脹率不一致,呈兩端膨脹快、中間膨脹慢的規(guī)律,使封隔器膠筒無(wú)法與環(huán)空建立全段緊密貼合,影響密封能力。

為了更好地發(fā)揮遇油遇水封隔器在各油田中的作用,筆者在常規(guī)遇油遇水封隔器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn),研制了新型復(fù)合式遇油遇水封隔器。

2 設(shè)計(jì)

為了解決目前常規(guī)遇油遇水封隔器存在的問(wèn)題,筆者對(duì)常規(guī)遇油遇水封隔器進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn),引入壓縮式封隔器組合膠筒思路,添加具有壓縮功能的保護(hù)膠筒,建立自膨脹+壓縮膨脹復(fù)合式膠筒系統(tǒng),以提高封隔器的整體密封性能。

新型復(fù)合式遇油遇水封隔器結(jié)構(gòu)如圖1所示。在中心管上硫化有自膨脹長(zhǎng)膠筒。自膨脹長(zhǎng)膠筒采用凹凸結(jié)構(gòu),凹陷位置用于存儲(chǔ)膨脹介質(zhì)。自膨脹長(zhǎng)膠筒由外及內(nèi)依次為保護(hù)橡膠、自膨脹主封橡膠、快速膨脹橡膠三層。在自膨脹長(zhǎng)膠筒兩端和中部裝有壓縮式膠筒。兩端的壓縮式膠筒用于保護(hù)自膨脹長(zhǎng)膠筒,提高承壓能力。中部壓縮式端膠筒、中部壓縮式主膠筒由自膨脹隔環(huán)啟動(dòng),起輔助密封的作用。新型復(fù)合式遇油遇水封隔器下入井中,在自膨脹長(zhǎng)膠筒外層保護(hù)橡膠的作用下,下放過(guò)程中減緩內(nèi)部自膨脹主封橡膠膨脹,使封隔器順利下放。下放到目的層后,自膨脹長(zhǎng)膠筒在遇油或遇水一段時(shí)間后自動(dòng)膨脹,膠筒凹陷處始終存有膨脹介質(zhì),提高耐壓性能。壓縮式膠筒同時(shí)起到良好的保護(hù)及輔助密封作用。

將新型復(fù)合式遇油遇水封隔器工具接入完井管柱中,完井管柱下到位后,自膨脹長(zhǎng)膠筒與油或水接觸,經(jīng)過(guò)7～20 d自動(dòng)膨脹填充密封空間,自膨脹長(zhǎng)膠筒緊貼井壁。在自膨脹長(zhǎng)膠筒膨脹過(guò)程中,膨脹力傳至端部壓縮式上膠筒、端部保護(hù)隔環(huán)、端部壓縮式下膠筒實(shí)現(xiàn)膨脹。兩端的壓縮式膠筒膨脹后,扣覆在自膨脹長(zhǎng)膠筒肩部,對(duì)自膨脹長(zhǎng)膠筒起良好的保護(hù)作用,提高自膨脹長(zhǎng)膠筒的密封性能。自膨脹長(zhǎng)膠筒在油水介質(zhì)下膨脹的同時(shí),將膨脹力傳遞至中部壓縮式端膠筒和中部壓縮式主膠筒,自膨脹隔環(huán)在油水介質(zhì)下也會(huì)發(fā)生膨脹。在雙重?cái)D壓作用下,中部壓縮式端膠筒和中部壓縮式主膠筒膨脹展開(kāi),起輔助密封作用,并且能夠緩沖壓力對(duì)自膨脹長(zhǎng)膠筒的損傷,進(jìn)一步提高封隔器的密封能力,延長(zhǎng)使用壽命。

3 特點(diǎn)

新型復(fù)合式遇油遇水封隔器主要有兩方面特點(diǎn)。

(1) 自膨脹長(zhǎng)膠筒采用凹凸結(jié)構(gòu),可將油、水等膨脹介質(zhì)有效存留在自膨脹長(zhǎng)膠筒的凹陷部位,使自膨脹長(zhǎng)膠筒能夠與油或水充分接觸膨脹。

(2) 在自膨脹長(zhǎng)膠筒的兩端設(shè)計(jì)壓縮式膠筒,可以對(duì)自膨脹長(zhǎng)膠筒起有效保護(hù)作用,進(jìn)一步提高密封性能。

4 試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí),將7 in新型復(fù)合式遇水封隔器密封樣機(jī)放置于220 mm內(nèi)徑模擬裸眼試驗(yàn)臺(tái)架中,將5 in新型復(fù)合式遇油封隔器密封樣機(jī)放置于160 mm內(nèi)徑模擬裸眼試驗(yàn)臺(tái)架中,向220 mm內(nèi)徑模擬裸眼試驗(yàn)胎具中注自來(lái)水,向160 mm內(nèi)徑模擬裸眼試驗(yàn)胎具中注柴油。

在試驗(yàn)臺(tái)架上連接加溫設(shè)備,做好標(biāo)記,記錄浸泡時(shí)間,進(jìn)行浸泡。連接試壓泵,每隔5 d做一次低壓驗(yàn)封試驗(yàn),試驗(yàn)壓力不大于5 MPa,穩(wěn)壓時(shí)間為10 min,以壓降小于0.5 MPa為合格。試驗(yàn)天數(shù)為去除環(huán)保檢查的有效浸泡天數(shù),試驗(yàn)季節(jié)為冬季,加溫裝置最高加溫至25℃。低壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,兩種新型復(fù)合式遇油遇水封隔器試驗(yàn)結(jié)果相同。

表1 低壓試驗(yàn)結(jié)果

低壓試驗(yàn)成功后,開(kāi)泵打壓,測(cè)試密封樣機(jī)耐壓能力。以5 MPa為起點(diǎn),每5 MPa為一個(gè)節(jié)點(diǎn)分階段打壓,每個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)壓5 min,觀察壓降,檢測(cè)封隔器的耐壓能力,最高測(cè)試壓力不高于35 MPa,并記錄耐壓能力測(cè)試結(jié)果。

5 in新型復(fù)合式遇油封隔器,自膨脹長(zhǎng)膠筒平均外徑為149.8 mm,內(nèi)徑為127 mm,膠層厚度為11.5 mm,長(zhǎng)度為2.71 m,25℃下浸泡15～20 d,在平均內(nèi)徑為160 mm的模擬裸眼試驗(yàn)胎具內(nèi)建立密封。經(jīng)測(cè)試,自膨脹長(zhǎng)膠筒承壓至30 MPa,穩(wěn)壓5 min無(wú)壓降,最大加壓至35 MPa,5 min后壓降為8 MPa,密封樣機(jī)出現(xiàn)滲漏,但并未失效。由此可見(jiàn),5 in新型復(fù)合式遇油封隔器完全可以承受30 MPa壓力。

7 in新型復(fù)合式遇水封隔器,自膨脹長(zhǎng)膠筒平均外徑為207.1 mm,內(nèi)徑為180 mm,膠層厚度為13.5 mm,長(zhǎng)度為2.71 m,25℃下浸泡15～20 d,在平均內(nèi)徑為220 mm的模擬裸眼試驗(yàn)胎具內(nèi)建立密封。經(jīng)測(cè)試,自膨脹長(zhǎng)膠筒承壓至35 MPa,穩(wěn)壓5 min均無(wú)壓降。由此可見(jiàn),7 in新型復(fù)合式遇水封隔器承壓能力至少達(dá)到35 MPa。

遇油橡膠與遇水橡膠的機(jī)械強(qiáng)度相近,所得到的測(cè)試結(jié)果適用于對(duì)應(yīng)尺寸的新型復(fù)合式遇油或遇水封隔器。

通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn),7 in復(fù)合式遇油遇水封隔器與5 in復(fù)合式遇油遇水封隔器耐壓能力均滿足要求,膠層厚度分別為13.5 mm和11.5 mm,相比均常規(guī)遇油遇水封隔器膠層厚度減小30%～40%。膠筒膠層變薄后允許采用更大尺寸的基管,使封隔器擁有大通徑特性。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型復(fù)合式遇水封隔器在冀東油田共試驗(yàn)應(yīng)用20口井,現(xiàn)場(chǎng)施工一次性成功率達(dá)到100%。

以冀東某井為例,該井設(shè)計(jì)在8.5 in井眼中下入5.5 in新型復(fù)合式遇水封隔器,封隔器的應(yīng)用深度為2 000～3 000 m,應(yīng)用井型為水平井,地層水礦化度為低至中度,井下溫度為80～100 ℃。該井通過(guò)篩管開(kāi)發(fā)油層,在篩管之間下入新型復(fù)合式遇水封隔器封隔水層,篩管和封隔器下入位置處于水平段。

新型復(fù)合式遇水封隔器下入位置為2 393 m和2 401 m,處于篩管段之間,用于封隔之間的水層,減少油井出水,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖2所示。

新型復(fù)合式遇水封隔器下入后,與泥漿接觸進(jìn)入膨脹狀態(tài),整個(gè)管柱下入時(shí)間為18 h。封隔器下入順利,固井結(jié)束后進(jìn)行侯凝、鉆塞、鉆機(jī)搬遷與洗井施工。封隔器靜置周期為14 d,之后投產(chǎn)。

該井應(yīng)用新型復(fù)合式遇水封隔器后,產(chǎn)油含水量明顯低于臨井,最高比開(kāi)發(fā)同層位的臨井低50%,證明新型復(fù)合式遇水封隔器封隔有效。

6 結(jié)論

筆者所研制的新型復(fù)合式遇油遇水封隔器可以很好地實(shí)現(xiàn)油水層間分隔,對(duì)比國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品,通過(guò)結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化,在相同耐壓性能與通徑的條件下,封隔器外徑減小14%,有效降低了下入過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。

新型復(fù)合式遇油遇水封隔器安全可靠,滿足了儲(chǔ)層的層間分隔要求,在冀東油田成功應(yīng)用超過(guò)20口井,施工成功率與封隔有效率均達(dá)到100%,具有良好的推廣應(yīng)用前景,為冀東油田油井控水穩(wěn)產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)。