氣井帶壓作業(yè)油管內(nèi)密封工具應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

胡旭光 羅 園 劉貴義 王 斌 李紅兵

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井控應(yīng)急救援響應(yīng)中心，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田公司，四川 成都 610051）

0 引言

氣井帶壓作業(yè)技術(shù)是利用特殊設(shè)備控制井筒壓力，在井筒帶壓的情況下實(shí)現(xiàn)完井、修井的特殊作業(yè)方式，有利于氣井優(yōu)化產(chǎn)能，提高施工安全性，具有不壓井、不放噴、不泄壓等突出技術(shù)優(yōu)勢，目前已在中國石化涪陵頁巖氣田、中國石化西南油氣分公司及中國石油長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣等區(qū)塊獲得廣泛的應(yīng)用［1-5］。氣井帶壓作業(yè)的核心技術(shù)之一是油管內(nèi)密封［6-10］。目前，中國用于氣井帶壓作業(yè)的油管內(nèi)密封工具主要有定壓接頭、陶瓷堵塞器、可通過式/不可通過式油管堵塞器、可回收式／不可回收式油管橋塞、過油管橋塞。筆者主要分析和介紹這幾種油管內(nèi)密封工具的規(guī)格參數(shù)、壓力等級、技術(shù)特點(diǎn)、注意事項(xiàng)及應(yīng)用情況，以期為氣井帶壓作業(yè)中選擇安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的油管內(nèi)密封工具提供參考。

1 油管內(nèi)密封工具

1.1 帶壓下油管

1）定壓接頭

定壓接頭由本體、密封短節(jié)、閥芯、銷釘、閥芯密封圈、本體密封圈、銷釘卡槽及臺階組成（圖1）。安裝在管柱尾部最先入井。在帶壓下管柱過程中，通過密封圈密封本體與堵頭之間的間隙，來自堵頭下部的壓力使堵頭與本體緊密接觸，井內(nèi)流體不能從油管內(nèi)噴出，從而密封油管；當(dāng)管柱下入指定深度后，選擇清水、氮?dú)獯驂旱确绞郊魯喽▔航宇^銷釘將其打開，形成油氣通道［11-12］。最大工作壓差為70 MPa，打開壓力可根據(jù)銷釘個數(shù)進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)溫度不高于150℃，適用于Φ60.32 mm、Φ73.02 mm、Φ88.9 mm油管。技術(shù)特點(diǎn)：密封壓力高，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，使用時隨油管一起入井，不需要其他輔助設(shè)備。注意事項(xiàng)：銷釘質(zhì)量穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵，且安裝時嚴(yán)格控制銷釘進(jìn)入銷釘卡槽的深度，防止出現(xiàn)打不掉堵頭的情況。

圖1 定壓接頭圖

2）陶瓷堵塞器

陶瓷堵塞器由堵塞器本體、定位短節(jié)、密封圈、破裂盤組成（圖2）。帶壓下管柱前將陶瓷堵塞器安裝在管串尾部最先入井。陶瓷堵塞器安裝時，破裂盤的凸面朝下，凹面朝上，根據(jù)脆性材料壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉伸強(qiáng)度的特性，實(shí)現(xiàn)下端承壓能力高，上端承壓能力低，以保證作業(yè)期間安全可靠。帶壓作業(yè)完成后，選擇清水、氮?dú)獯驂旱确绞酱蛩槠屏驯P，實(shí)現(xiàn)油套連通。最大工作壓差為70 MPa，打開壓力為7 MPa，適應(yīng)溫度不高于150℃，適用于Φ60.32 mm、Φ73.02 mm、Φ88.9 mm的油管。技術(shù)特點(diǎn)：密封壓力高，密封效果好。注意事項(xiàng)：價(jià)格昂貴；破裂盤為陶瓷，遇碰撞或劇烈起下可能導(dǎo)致破裂盤破碎。

圖2 陶瓷堵塞器圖

1.2 帶壓起油管

1）可通過式油管堵塞器

通過送入工具、堵塞器和工作筒的配合完成坐封（圖3）。在堵塞器通過工作筒后，上提堵塞器，利用工作筒觸動臺階啟動送入工具的卡瓦，使送入工具本體和心軸產(chǎn)生相對移動，將堵塞器卡瓦處于半張開狀態(tài)，然后下放堵塞器，使卡瓦坐放于工作筒內(nèi)，形成堵塞。若不上提堵塞器，則卡瓦不會張開，堵塞器可以繼續(xù)下放，到達(dá)預(yù)定的工作筒后上提堵塞器，完成坐封。

圖3 可通過式堵塞器及送入工具圖

對于Φ60.32 mm油管：最大工作壓差為35 MPa，堵塞器最大外徑為47 mm，密封面直徑為47.65 mm；對于Φ73.02 mm油管：最大工作壓差為50 MPa，堵塞器最大外徑為57.5 mm，密封面直徑為58 mm。技術(shù)特點(diǎn)：能解決斜井、水平井不壓井起管柱作業(yè)過程油管內(nèi)密封問題，可通過鋼絲作業(yè)將堵塞器坐封在任意一個工作筒內(nèi)，堵塞器下端設(shè)有平衡滑套，解決坐封及打撈前后堵塞器的壓力平衡問題。注意事項(xiàng)：必須坐封在工作筒內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)任意位置坐封。

2）不可通過式油管堵塞器

通過鋼絲作業(yè)將工具坐封在預(yù)先下入的工作筒內(nèi)，向下震擊剪切坐封銷釘，上提鋼絲繩，當(dāng)拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值后，表明工具已坐封好，下放鋼絲繩，直至鋼絲繩變軟，然后向上震擊，剪切檢驗(yàn)銷釘，完成坐封（圖4）。最大工作壓差為50 MPa，適應(yīng)溫度不高于120℃，適用于Φ60.32 mm、Φ73.02 mm、Φ 88.9 mm的油管。技術(shù)特點(diǎn)：主要用于直井帶壓起油管作業(yè)中油管內(nèi)密封問題，只能坐封在指定的工作筒內(nèi)。不同井深可靈活設(shè)置開啟壓力，可通過泵注打開，也可通過鋼絲作業(yè)方式強(qiáng)行打開，避免了井筒異物導(dǎo)致堵塞器卡死無法撈出的極端情況。注意事項(xiàng)：①投堵作業(yè)時必須處于關(guān)井穩(wěn)定狀態(tài)。堵塞器在開井狀態(tài)下入井可能造成盤根刺壞或因氣流上頂導(dǎo)致無法坐封；②工作筒內(nèi)不能有雜質(zhì)、落物或沉淀物，否則可能造成鎖芯、下入工具、回收工具在井下軟卡或硬卡；③工作筒上部的管柱不能有較大的變形。

圖4 不可通過式油管堵塞器圖

3）可回收式油管橋塞

利用鋼絲作業(yè)將橋塞下入到油管內(nèi)設(shè)計(jì)位置，上提、下放工具完成J型槽變軌，使橋塞下卡瓦撐開，卡在油管內(nèi)壁，繼續(xù)向下震擊工具，剪斷坐封銷釘，繼續(xù)震擊，通過上椎體壓縮膠筒膨脹密封，同時上下卡瓦牢牢卡在油管內(nèi)壁，完成坐封。作業(yè)完成后可通過專用打撈工具打撈橋塞。該橋塞具有C型荊棘鎖環(huán)，在向下震擊坐封工具時，C型荊棘鎖環(huán)啟動，保持坐封負(fù)荷，膠筒密封更可靠（圖5）。

圖5 可回收式油管橋塞圖

最大工作壓差為52.5 MPa，適應(yīng)溫度不大于120℃，適用于Φ60.32 mm、Φ73.02 mm的油管。技術(shù)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、外徑小，便于操作，具有上下卡瓦，坐封精度及打撈成功率高?？梢栽谥本稳我馕恢脤?shí)施封堵，主要用于氣井井口存在安全隱患，需帶壓更換井口的情況。注意事項(xiàng)：適用于封堵直井段油管，且封堵位置處于氣體環(huán)境。若在斜井段或液面下進(jìn)行投堵，將導(dǎo)致封堵不嚴(yán)或解封困難。

4）不可回收式油管橋塞

利用鋼絲或電纜作業(yè)將橋塞下入到指定位置后，依靠震擊、通電等方式打開卡瓦，使膠筒膨脹，從而實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)任意位置的封堵。該類內(nèi)密封工具應(yīng)用較廣的為四機(jī)賽瓦WBM型橋塞（圖6）。

圖6 四機(jī)賽瓦WBM型橋塞圖

最大工作壓差為70 MPa，適應(yīng)溫度不大于148℃，適用于Φ60.32 mm、Φ73.02 mm、Φ88.9 mm的油管。技術(shù)特點(diǎn)：可在直井段、斜井段任意位置進(jìn)行封堵，適用于多種規(guī)格油管，直徑小，下放速度較快且易于操作，整體式卡瓦避免中途坐封且易鉆除，棘輪鎖環(huán)保持坐封負(fù)荷，保證壓力變化下仍可靠密封。注意事項(xiàng)：該類橋塞為死橋塞，封堵油管后無法起出橋塞，只能隨油管一起出井。

5）過油管橋塞

過油管橋塞是一種可以通過小尺寸管柱在大尺寸油管上實(shí)現(xiàn)壓力封堵的油管橋塞。過油管橋塞可以采用電纜或連續(xù)油管等方式送入，此類產(chǎn)品以貝克休斯過油管橋塞為主（圖7）。

圖7 過油管橋塞圖

最大工作壓差為45 MPa，適應(yīng)溫度不大于149℃，適用于Φ60.32 mm、Φ73.02 mm、Φ88.9 mm、Φ101.6 mm、Φ114.3 mm的油管。技術(shù)特點(diǎn)：最大密封壓力隨管柱內(nèi)徑的增大而降低。Φ54.1 mm過油管橋塞可封堵管柱的最小內(nèi)徑為62 mm，可承受壓差為42 MPa，可封堵最大內(nèi)徑為172 mm，可承受壓差為7 MPa。Φ63.5 mm過油管橋塞可封堵管柱最小內(nèi)徑為76 mm，可承受壓差為45 MPa，可封堵最大內(nèi)徑為221 mm，可承受壓差為9 MPa。注意事項(xiàng)：如果橋塞需要長時間留在井下起封隔的作用，建議在橋塞頂部覆加3m的保護(hù)材料，如碳酸鈣或砂子等，用于保護(hù)橋塞的打撈頭。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 帶壓下油管

頁巖氣井投產(chǎn)后采用套管生產(chǎn)，天然氣攜帶的砂粒易沖蝕套管，存在安全隱患。同時，因井筒積液導(dǎo)致產(chǎn)量偏低，需進(jìn)行帶壓作業(yè)下入生產(chǎn)油管保護(hù)套管，攜帶井筒積液，提高氣井產(chǎn)量。

定壓接頭及陶瓷堵塞器作為此類帶壓作業(yè)最為常用的油管內(nèi)密封工具，已在中石油長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣及中石化涪陵頁巖氣等區(qū)塊累計(jì)應(yīng)用兩百余井次，安裝方便，氣密封性能良好，承壓能力高。入井管柱結(jié)構(gòu)主要有以下兩種：①喇叭口＋篩管＋定壓接頭（陶瓷堵塞器）＋倒角油管1根＋陶瓷堵塞器＋XN型工作筒＋倒角油管＋X型工作筒＋倒角油管＋雙公短接＋油管掛；②引鞋＋篩管＋油管1根＋陶瓷堵塞器＋油管＋內(nèi)涂層油管＋雙公短接＋油管掛。

2.2 帶壓起油管

1）可通過式／不可通過式油管堵塞器。該類油管內(nèi)密封工具在涪陵頁巖氣區(qū)塊使用5井次，因前期入井管柱均已下入預(yù)置工作筒，此類內(nèi)密封工具在該區(qū)塊開發(fā)后期必將廣泛應(yīng)用。涪陵頁巖氣區(qū)塊帶壓作業(yè)入井管柱結(jié)構(gòu)中帶有X型工作筒、XN型工作筒，其中X型工作筒位于直井段，XN型工作筒位于斜井段。作業(yè)采用不可通過式油管堵塞器，先將堵塞器下至X工作筒內(nèi)封堵油管，將堵塞器起至井口以下，利用鋼絲作業(yè)設(shè)備起出堵塞器，重新下入配套的堵塞器至XN型工作筒位置，完成二次封堵，起出井內(nèi)剩余管柱。

2）可回收式油管橋塞。該類油管內(nèi)密封工具在長慶地區(qū)累計(jì)使用10余井次，主要用于對油管進(jìn)行臨時性封堵或帶壓更換存在安全隱患的井口裝置。以X1井為例，X1井在下入油管生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)井口裝置出現(xiàn)泄漏，井口壓力為8 MPa，為解決此安全隱患，采用鋼絲作業(yè)將橋塞下至井深300 m處直井段油管內(nèi)，上提下放橋塞撐開卡瓦，繼續(xù)震擊完成坐封，泄掉橋塞上部油管內(nèi)壓力，觀察24 h，壓力為零，坐封成功。拆除井口裝置，安裝新井口，再下入專用打撈工具打撈出橋塞，解除隱患。

3）不可回收式油管橋塞。該類油管內(nèi)密封工具在川渝及長慶地區(qū)氣井帶壓作業(yè)中應(yīng)用超過20井次，雙向卡瓦錨定，正反向承壓高，封堵效果好。以YS108井為例，該井油壓為12 MPa，套壓為18 MPa，井內(nèi)油管下深為2 440.57 m，需采用帶壓作業(yè)方式起出井內(nèi)Φ73 mm油管，為甲方后續(xù)暫封產(chǎn)層、下入微地震儀器提供條件。由于管柱不含工作筒，只能在油管本體上進(jìn)行封堵。作業(yè)采用不可回收式油管橋塞，油管通徑后在底部油管本體內(nèi)打橋塞，泄掉橋塞上部壓力，觀察24 h，壓力為零，坐封成功，帶壓起出井內(nèi)油管。

4）過油管橋塞。該類油管內(nèi)密封工具以貝克休斯過油管橋塞為主，可通過小尺寸工具在大尺寸油管上實(shí)現(xiàn)壓力封堵。以NC6井為例，為達(dá)到帶壓起管柱條件，內(nèi)密封工具需通過滑套（內(nèi)徑為64 mm）封堵下部油管（內(nèi)徑為97 mm），常規(guī)橋塞或油管堵塞器能通過與油管內(nèi)徑相同或略小于油管內(nèi)徑的工具進(jìn)行油管內(nèi)封堵，但無法通過內(nèi)徑為64mm的滑套封堵內(nèi)徑為97 mm的油管。通過電纜作業(yè)設(shè)備下入Φ54.1 mm過油管橋塞，到達(dá)設(shè)計(jì)位置后坐封橋塞，探塞面確認(rèn)橋塞已坐封，試壓達(dá)10 MPa，試壓合格，起出井內(nèi)管柱。

3 發(fā)展趨勢

通過氣井帶壓作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，在井筒環(huán)境復(fù)雜（如含有H2S及CO2）、油管內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢的情況下油管內(nèi)密封工具封堵效果仍待提高，密封不嚴(yán)或使用一段時間后出現(xiàn)泄漏的情況偶有發(fā)生。隨著氣井帶壓作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展及油氣田開發(fā)需要，油管內(nèi)密封工具必須滿足更深井深、更高井壓、更復(fù)雜入井液體、不影響后期作業(yè)的要求，須著重從以下幾個方面不斷改進(jìn)優(yōu)化。

3.1 提高卡瓦雙向錨定能力

堵塞器或橋塞坐封時卡瓦錨定在油管上實(shí)現(xiàn)限位，但若油管腐蝕、結(jié)垢或變形時可能導(dǎo)致卡瓦錨定強(qiáng)度不夠。同時，帶壓起下管柱引起的油管振動及井內(nèi)壓力波動會導(dǎo)致卡瓦錨定能力下降，出現(xiàn)內(nèi)密封失效的情況。需從內(nèi)密封工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，提高卡瓦雙向錨定能力，兼具正向承壓與反向承壓的能力。

3.2 提高橡膠密封件性能

現(xiàn)場應(yīng)用表明，導(dǎo)致油管內(nèi)密封工具失效的很大一部分原因是橡膠件在井內(nèi)壓力、溫度、井液浸泡下發(fā)生膨脹、變形、變質(zhì)，尤其是在井筒內(nèi)含有酸性氣、液體時［13］，內(nèi)密封效果隨工作時間增加明顯下降。需從橡膠件材質(zhì)入手，提高橡膠件耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、自潤滑性。

3.3 能在斜井段及液體環(huán)境下投撈

對于大斜度井、水平井及液體環(huán)境下油管內(nèi)密封工具的投堵，目前的油管內(nèi)密封工具往往不能一次投放到位，投放到位后密封效果欠佳，且打撈難度較大。對于此類井況需要多次投撈才能完成帶壓起管柱作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及成本增大。因此研制能在斜井段及液體環(huán)境下投撈方便的油管內(nèi)密封工具將成為改進(jìn)優(yōu)化的目標(biāo)之一，有利于降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及成本。

3.4 研制可溶性油管內(nèi)密封工具

目前常用的定壓接頭及陶瓷堵塞器需在管柱下至設(shè)計(jì)深度后通過壓裂車或氣舉車打掉，從而建立生產(chǎn)通道，堵頭或陶瓷片打掉后永久留在井底，給后期生產(chǎn)作業(yè)埋下隱患。目前可溶性材料已在井下工具中成功應(yīng)用，初步探索已見成效［14-15］。若將可溶性材料特性應(yīng)用于油管內(nèi)密封工具，可溶性堵頭或陶瓷片打掉后掉入井底，浸泡在井液中逐漸溶解，徹底消除井下隱患。

4 認(rèn)識與建議

1）定壓接頭或陶瓷堵塞器是氣井帶壓下油管最常用的內(nèi)密封工具，定壓接頭安全可靠，陶瓷堵塞器密封效果好，二者配合使用效果最佳，但因定壓接頭打通后可能會對產(chǎn)層造成影響，目前通常采用雙陶瓷堵塞器的方式進(jìn)行封堵。

2）帶壓起管柱常用的內(nèi)密封工具包括可通過式／不可通過式油管堵塞器、可回收式／不可回收式油管橋塞、過油管橋塞，應(yīng)根據(jù)井下狀況具體分析，選擇合適的內(nèi)密封工具。

3）對于未下入工作筒的管柱，帶壓起油管前推薦使用不可回收式油管橋塞作為油管內(nèi)密封工具；起帶有預(yù)置工作筒的管柱時，若油管壁干凈且工作筒處無結(jié)垢，建議優(yōu)先考慮可通過式／不可通過式油管堵塞器作為內(nèi)密封工具；對于暫時性封堵油管或井口裝置存在安全隱患需進(jìn)行更換、且井內(nèi)含有油管的情況，推薦使用可回收式油管橋塞封堵油管、更換井口。

4）面對更深井深、更高井壓、更復(fù)雜入井液體及更復(fù)雜工況，還需從提高卡瓦錨定能力、橡膠密封件性能、井段適應(yīng)性、可溶材料等方面開展攻關(guān)，研發(fā)形成性能更優(yōu)的油管內(nèi)密封工具。