長慶油管故障致密氣水平井帶壓修井技術(shù)研究*

王思凡 張安康 胡東鋒

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室3.中國石油長慶油田分公司千口氣井評(píng)價(jià)挖潛工程項(xiàng)目組4.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院)

王思凡,張安康,胡東鋒.長慶油管故障致密氣水平井帶壓修井技術(shù)研究.石油機(jī)械,2022,50(11):23-29.

0 引言

近年來,長慶油田開發(fā)的無阻流量上百萬立方米的高產(chǎn)致密氣水平井?dāng)?shù)量不斷增加,成為長慶非常規(guī)油氣穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的主力之一。然而由于長慶致密氣水平井采用井下節(jié)流生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行低成本開采,針對(duì)井口壓力在20 MPa以上、配產(chǎn)在8×104m3/d以上的致密氣水平井,其井下節(jié)流器易失效,導(dǎo)致生產(chǎn)管柱故障而氣井關(guān)停,后續(xù)需要更換井下節(jié)流器。在更換井下節(jié)流器時(shí)出現(xiàn)了部分節(jié)流器打撈失敗或投放新的節(jié)流器之后依然節(jié)流失效的情況,不得不通過起管柱修井來處理[1-3]。致密氣藏易因壓井作業(yè)導(dǎo)致老層漏失、儲(chǔ)層傷害、排液困難等問題,所以帶壓作業(yè)成為首要選擇[4-5]。然而部分氣井壓力高達(dá)20 MPa,在不放套壓的要求下,給氣井帶壓處理管柱故障帶來了很大挑戰(zhàn)[6],常因技術(shù)探索不足、工具可靠性差、認(rèn)識(shí)不到位及突發(fā)復(fù)雜工況而導(dǎo)致帶壓作業(yè)失敗,甚至造成安全風(fēng)險(xiǎn)[7-10]。為此,筆者通過對(duì)長慶(20±4)MPa致密氣水平井的生產(chǎn)管柱故障進(jìn)行分析,充分評(píng)估(20±4)MPa致密氣水平井帶壓修井存在的管柱穿孔、堵塞等多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn),提出了對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施。通過現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用,排除了10余口(20±4)MPa致密氣水平井生產(chǎn)管柱的故障難題,作業(yè)成功率100%。該技術(shù)的成功應(yīng)用標(biāo)志著長慶氣田油管堵塞+穿孔致密氣水平井帶壓修井關(guān)鍵工藝技術(shù)已形成。

1 管柱故障分析

目前存在管柱故障的致密氣水平井均為上古水平井,不含H2S,其采用?114.30 mm氣層套管進(jìn)行固井,而后采用橋塞進(jìn)行高砂比、大砂量、大排量分段壓裂[11-13]。橋塞主要為全可溶橋塞,壓裂后帶壓下生產(chǎn)管柱至水平段以上。生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)自上而下為:油管掛+?60.3 mm(N80 EUE)油管+預(yù)置式節(jié)流器工作筒+1根?60.3 mm(N80 EUE)油管+可溶式堵塞器+喇叭口。致密氣水平井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 致密氣井水平井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Wellbore structure of tight gas horizontal well

無阻流量上百萬立方米的致密氣水平井采用投放井下卡瓦式節(jié)流器進(jìn)行節(jié)流生產(chǎn),其投放深度一般位于1 500～1 800 m,配產(chǎn)(8～10)×104m3/d。?60.3 mm油管卡瓦式節(jié)流器主要由打撈頸、上卡瓦座、卡瓦、節(jié)流中心管、下卡瓦座、膠筒、防砂機(jī)構(gòu)和引鞋組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般通過鋼絲作業(yè)進(jìn)行卡瓦坐封及丟手,迫使膠筒壓縮膨脹,實(shí)現(xiàn)密封節(jié)流器本體與油管環(huán)空,使氣流只能從防砂機(jī)構(gòu)進(jìn)入,通過節(jié)流中心管到達(dá)節(jié)流器上部,達(dá)到節(jié)流、降壓生產(chǎn)的目的。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)多口致密氣水平井節(jié)流失效前的有效生產(chǎn)周期均不超過1 a。失效主要是壓裂砂沖蝕導(dǎo)致,后更換節(jié)流器時(shí),出現(xiàn)多口井節(jié)流器打撈失敗,甚至部分井節(jié)流器從上卡瓦座和下卡瓦座之間被撈斷(見圖2),導(dǎo)致徹底無法打撈的情況;還有部分水平井節(jié)流器成功打撈后重新投放新的節(jié)流器依然出現(xiàn)節(jié)流失效的現(xiàn)象。在排除新投節(jié)流器失效的前提下,考慮可能存在油管穿孔的問題,均需要起出生產(chǎn)管柱進(jìn)行處理。壓井起管柱之后發(fā)現(xiàn),致密氣水平井油管穿孔、斷裂位置均在節(jié)流器以上60 m范圍內(nèi),分析認(rèn)為是節(jié)流后的高速攜砂氣流沖蝕導(dǎo)致。

圖2 ?60.3 mm油管卡瓦式節(jié)流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of slip throttle for?60.3 mm tubing

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 油管柱內(nèi)封堵失效

致密氣水平井帶壓修井過程中,在井口壓力20 MPa以上時(shí),由于部分?60.3 mm油管內(nèi)封堵橋塞本身的坐封可靠性問題,容易在起管柱過程中坐封失效,嚴(yán)重的甚至直接飛出井口造成安全事故。這主要是部分橋塞卡瓦坐封后,油管柱不斷撞擊套管過程中出現(xiàn)松動(dòng)引起的,這在氣井帶壓修井中必須杜絕。

2.2 油管穿孔

井口壓力20 MPa以上的致密氣水平井如果出現(xiàn)油管穿孔,會(huì)對(duì)帶壓投放油管橋塞進(jìn)行油管內(nèi)封堵提出更高的要求。因?yàn)榇┛字旅軞馑骄當(dāng)?shù)量較少,無必要在每口井投油管橋塞前進(jìn)行穿孔檢測;如果投放油管橋塞在油管穿孔以下,那么油壓無法泄至0,這時(shí)首先需要排除油管橋塞本身的坐封可靠性,這一點(diǎn)通常比較困難?？筛鶕?jù)油管橋塞的種類和型號(hào),采用重復(fù)坐封或投放多個(gè)油管橋塞來排除內(nèi)封堵失效,也可直接通過測井手段進(jìn)行油管穿孔檢測及位置判斷。

2.3 多根油管帶壓倒扣

致密氣水平井帶壓修井的目的是取出節(jié)流器和穿孔油管,以排除生產(chǎn)管柱故障。理想情況下,之前投放的油管內(nèi)封堵橋塞正好與節(jié)流器位于同一根油管中,那么用卡瓦防噴器固定懸掛井內(nèi)管柱,然后從操作臺(tái)帶壓倒扣1根油管,這在做好油管防頂?shù)那疤嵯率前踩煽氐摹Ｈ欢Ч?jié)流器更多是卡在上下油管之間的接箍上,而投放的油管橋塞只能位于上部油管中,此時(shí)就需要同時(shí)倒扣2根油管。如果再加上油管穿孔位于油管橋塞之上,那么穿孔位置之上必然還需要投放新的油管橋塞,可能需要同時(shí)帶壓倒扣3根油管柱來排除橋塞、穿孔油管和節(jié)流器。多根油管帶壓倒扣存在不確定性,正常情況下難以判斷從哪個(gè)位置倒開,易發(fā)生安全事故。

2.4 帶壓對(duì)扣

當(dāng)帶壓倒扣導(dǎo)出含內(nèi)封堵橋塞和失效節(jié)流器的油管后,井內(nèi)剩余油管柱未內(nèi)封堵,需要從操作臺(tái)下入帶有內(nèi)封堵的油管進(jìn)行帶壓對(duì)扣。然而在井口壓力高達(dá)20 MPa以上時(shí),如何在不傷接箍螺紋的情況下進(jìn)行帶壓對(duì)扣,這一項(xiàng)技術(shù)操作要求較高。

3 帶壓關(guān)鍵技術(shù)

3.1 帶壓作業(yè)裝置優(yōu)化

帶壓修井起下管柱排除油管故障比常規(guī)帶壓下完井管柱工藝更為復(fù)雜,與之配套的帶壓作業(yè)裝置也有更高的要求[14-16]。因此推薦帶壓作業(yè)裝置的防噴器組合從下至上為:卡瓦防噴器+半封防噴器+井口穩(wěn)定器+試壓四通+剪切防噴器+半封防噴器+全封防噴器+工作半封防噴器+工作半封防噴器+環(huán)形防噴器(見圖3),并在舉升機(jī)的通孔中加裝管柱防彎曲支撐導(dǎo)向裝置。這種配置主要有以下優(yōu)點(diǎn):

圖3 帶壓修井裝置安裝示意Fig.3 Installation diagram of snubbing unit

(1)滿足防噴器組內(nèi)的帶壓作業(yè)腔進(jìn)行帶壓倒扣、帶壓對(duì)扣的技術(shù)需要。進(jìn)行防噴器組內(nèi)帶壓倒扣,首先需要確定倒開的上部油管中含有油管內(nèi)封堵工具(橋塞),然后采用卡瓦防噴器固定井內(nèi)管柱,之后從操作臺(tái)進(jìn)行倒扣。倒扣前需要確定預(yù)倒開的接箍位于全封防噴器與卡瓦防噴器之間,倒開后將上部油管上提至全封以上,并將全封以上的壓力卸掉,正常取出油管即可。

當(dāng)帶壓倒扣導(dǎo)出故障油管后,下一步需要進(jìn)行防噴器組內(nèi)帶壓對(duì)扣,與井內(nèi)管柱進(jìn)行連接。此時(shí)首先需要采用全通徑的旋塞閥連接油管上端,然后將油管下入帶壓作業(yè)腔室內(nèi)進(jìn)行帶壓對(duì)扣。對(duì)扣前需要確保井內(nèi)管柱的上接箍居中,通?？梢酝ㄟ^調(diào)整全封下面緊鄰的半封閘板來保證,也可采用對(duì)扣器罩住井內(nèi)管柱上接箍進(jìn)行居中對(duì)扣,后續(xù)導(dǎo)出對(duì)扣器即可。

(2)設(shè)置的卡瓦防噴器緊鄰井口油管四通,可在生產(chǎn)管柱遇卡情況下,上提出油管懸掛器后采用卡瓦防噴器抱住管柱進(jìn)行懸吊解卡。

(3)緊鄰卡瓦防噴器上部設(shè)置有半封防噴器。當(dāng)起下管柱過程中出現(xiàn)上部防噴器存在密封失效漏氣時(shí),在管柱內(nèi)投有內(nèi)封堵工具的條件下,可以直接關(guān)閉此半封防噴器,控制油管與帶壓作業(yè)腔室環(huán)空,無需將油管懸掛器連接旋塞閥回坐到油管掛中,避免作業(yè)復(fù)雜。

(4)按照不放套壓的作業(yè)要求,除了需要采用工作防噴器進(jìn)行帶壓導(dǎo)接箍以外,加裝的管柱防彎曲支撐導(dǎo)向裝置,能夠防止輕管柱情況下油管過度彎曲造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 關(guān)鍵工藝

3.2.1 節(jié)流器失效

致密氣水平井帶壓起下管柱處理節(jié)流器造成油管故障的主要施工工藝如下。

步驟1:通過鋼絲作業(yè)進(jìn)行通油管,并探失效節(jié)流器的位置,然后投放可撈式油管橋塞于節(jié)流器上方,通過油管放壓對(duì)橋塞坐封進(jìn)行驗(yàn)封,逐級(jí)放壓至0,油管壓力不回升,說明坐封有效。

步驟2:拆卸采氣樹,將全通徑旋塞閥安裝于油管懸掛器之上,然后安裝帶壓作業(yè)裝置(見圖3),并進(jìn)行壓井、放噴等地面流程連接,同時(shí)進(jìn)行帶壓裝置及管匯試壓,之后下入試提短節(jié)進(jìn)行管柱試提,試提解卡后,帶壓導(dǎo)出油管懸掛器。

步驟3:帶壓采用環(huán)形和工作防噴器倒換油管接箍,起出橋塞以上的油管柱,然后在防噴器組內(nèi)帶壓倒扣起出含橋塞和節(jié)流器的油管,之后采用上端裝有全通徑旋塞閥或平板閥的油管與井內(nèi)管柱進(jìn)行帶壓對(duì)扣。

步驟4:采用鋼絲作業(yè)通油管,探井內(nèi)管柱是否有其他遇阻物。如果還存在另一個(gè)節(jié)流器或者檢查起出的節(jié)流器已散架,有膠筒、卡瓦等落物下落,則繼續(xù)投可撈式橋塞于下部節(jié)流器之上,然后帶壓起出橋塞以上的油管柱,再進(jìn)行帶壓倒扣導(dǎo)出含橋塞和節(jié)流器的油管。如果節(jié)流器下落至預(yù)制節(jié)流器工作筒,則無需再次帶壓倒扣,直接將尾管起至全封以上,之后關(guān)閉全封,并泄壓,起出尾管即可。

步驟5:帶壓下入帶有堵塞器的完井管柱,導(dǎo)入油管掛,換裝采氣井口并試壓,貫通堵塞器,完井。3.2.2節(jié)流器失效和油管穿孔

高產(chǎn)致密氣水平井生產(chǎn)管柱穿孔難以預(yù)知,本文針對(duì)可能出現(xiàn)油管穿孔的失效節(jié)流器水平井,優(yōu)化了帶壓作業(yè)工藝工序(見圖4)。

圖4 帶壓修井工藝優(yōu)化Fig.4 Optimization of snubbing operation technology

(1)油管橋塞投放后進(jìn)行驗(yàn)封時(shí),如果出現(xiàn)油放油壓回升,則首先對(duì)投放的橋塞進(jìn)行坐封可靠性檢測。常規(guī)做法是在已投橋塞上部再投一個(gè)橋塞或更換橋塞再投一次,如果依然存在油壓回升,那么進(jìn)行油管穿孔檢測;如果橋塞本身的坐封可靠性極高,那么可以直接進(jìn)行油管穿孔檢測,并確定穿孔位置,后續(xù)再投橋塞于穿孔位置之上。確保油管內(nèi)封堵可靠的情況下,正常安裝及試壓帶壓作業(yè)裝置及管線。

(2)試提管柱解卡后,帶壓起油管至最上部橋塞,然后將穿孔油管起至防噴器組帶壓腔內(nèi)進(jìn)行泄壓,之后倒扣起出含橋塞和有穿孔的油管。

(3)由于節(jié)流器上部可能存在2～3個(gè)橋塞,帶壓倒扣起節(jié)流器時(shí),可能需要同時(shí)帶壓倒扣2～3根油管;則倒扣前,需要將含節(jié)流器油管下接箍作為預(yù)倒扣位置,起至操作臺(tái)制造扭矩弱點(diǎn),之后再將預(yù)倒扣位置放回全封以下,采用卡瓦防噴器固定懸掛井內(nèi)管柱,然后在防噴器組內(nèi)進(jìn)行帶壓倒扣。預(yù)倒扣接箍倒開后,上提至全封以上,泄壓起出含橋塞和節(jié)流器油管,后續(xù)正常操作即可。

3.3 管柱內(nèi)堵塞工具推薦

3.3.1 可撈式油管橋塞

AVALON可撈式橋塞具有較高的坐封可靠性,打撈成功率高,推薦在?60.3 mm油管內(nèi)使用。可撈式油管橋塞主要由打撈丟手機(jī)構(gòu)、卡瓦錨定機(jī)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)組成,具體包含內(nèi)撈頸、外筒、固定銷釘、上卡瓦、下卡瓦、卡瓦座、限位槽、限位銷釘、剪切銷釘、密封膠筒和引鞋等(見圖5)。

圖5 AVALON可撈式橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic structure of AVALON retrievable bridge plug

投堵作業(yè)時(shí)含送封工具在內(nèi)主要由電控倉、液動(dòng)倉、橋塞3部分組成。整體采用電控液的方式實(shí)現(xiàn)雙向卡瓦錨定和多個(gè)密封膠筒坐封,其較長的坐封時(shí)間和較大的坐封力確保雙向卡瓦牙均勻受力,緊緊咬住油管內(nèi)壁,并保證多個(gè)膠筒壓縮膨脹緊緊擠貼在油管內(nèi)壁上,能夠有效避免起管柱過程中,油管柱與套管頻繁碰撞造成的錨定松動(dòng)和坐封失效風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2 破裂盤

破裂盤主要應(yīng)用于下完井管柱時(shí)的油管內(nèi)封堵作業(yè),其結(jié)構(gòu)簡單,主要由外接頭、密封、陶瓷和內(nèi)接頭組成,如圖6所示。其外接頭一端朝下,內(nèi)接頭朝上,凸面陶瓷向下的封堵壓力可以達(dá)到70 MPa,凹面封堵壓力遠(yuǎn)小于此。因此正?？刹捎糜凸芗訅旱姆绞狡扑樘沾?也可采用鋼絲作業(yè)敲擊破碎內(nèi)封堵的陶瓷。

圖6 破裂盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic structure of rupture disc

4 現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場概況

采用帶壓修井技術(shù)在長慶油氣田10余口致密氣水平井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用,氣井壓力主要分布在16～24 MPa之間,均成功排除了生產(chǎn)管柱故障,應(yīng)用概況如表1所示。其中存在油管穿孔的3口井,具體通過油管橋塞坐封有效的可靠判斷,進(jìn)行了油管穿孔檢測,確定了穿孔位置;之后再投橋塞于穿孔之上,并在防噴器組內(nèi)進(jìn)行了帶壓倒扣和帶壓對(duì)扣,成功起出穿孔油管及失效節(jié)流器?，F(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用結(jié)果表明,帶壓修井技術(shù)成熟、安全、可靠,施工時(shí)間7～13 d,比試驗(yàn)初期有效縮短近20 d之多,大幅提高了(20±4)MPa致密氣水平井的帶壓作業(yè)效率。

表1 典型管柱故障致密氣水平井帶壓修井概況Table 1 Overview of snubbing operation for tight gas horizontal wells with typical string failures

4.2 典型井例

X1致密氣水平井生產(chǎn)時(shí)于井下1 599 m投放卡瓦式節(jié)流器進(jìn)行生產(chǎn)。節(jié)流器失效后采用鋼絲作業(yè),從上卡瓦座下端面拽斷節(jié)流器,導(dǎo)致節(jié)流器下半截落井。現(xiàn)場帶壓施工時(shí),套壓高達(dá)22.3 MPa,探節(jié)流器下半截位于2 110 m;于2 105 m處投放可撈式油管橋塞,帶壓倒油管接箍起至橋塞以上油管后,判斷橋塞和節(jié)流器下半截位于同一根油管;直接在防噴器組內(nèi)進(jìn)行帶壓倒扣,順利起出含橋塞和部分節(jié)流器油管。發(fā)現(xiàn)只有斷裂的卡瓦片和下卡瓦座,考慮到膠筒會(huì)膨脹和預(yù)置式節(jié)流器工作筒最小內(nèi)徑為44 mm的因素,認(rèn)為節(jié)流器膠筒與其他部件應(yīng)落于預(yù)置節(jié)流器工作筒之上。因此進(jìn)行帶壓對(duì)扣后繼續(xù)探落物位置,確定其落在預(yù)置式節(jié)流器工作筒之上;然后再次投放可撈式油管橋塞于落物位置上方,直接帶壓起出含橋塞和節(jié)流器落物的尾管,最后帶壓下帶破裂盤的完井管柱,貫通破裂盤完井。

X4氣井水平井帶壓修井時(shí),其套壓高達(dá)21.4 MPa,鋼絲作業(yè)于1 590 m探到失效節(jié)流器位置,于節(jié)流器上部6 m處投放可撈式橋塞。油放泄壓時(shí)泄不掉,懷疑橋塞坐封失效,撈出后重新投放在原位置進(jìn)行坐封。坐封后,油壓依然泄不掉,判斷橋塞坐封以上存在油管穿孔,于是進(jìn)行油管穿孔檢測,分析穿孔在1 569.4 m處。之后繼續(xù)投放橋塞于穿孔位置之上5 m,帶壓起管柱于最上部橋塞位置之上,后將穿孔油管放置防噴器帶壓腔室內(nèi)進(jìn)行泄壓,再起至操作臺(tái)倒扣起出含橋塞油管與穿孔油管。之后正常帶壓起至含下部橋塞的油管之上,判斷節(jié)流器可能位于下部第2根與第3根油管之間的接箍內(nèi),因此先對(duì)第3根油管下接箍制造扭矩弱點(diǎn),然后同時(shí)帶壓倒扣3根油管起出了節(jié)流器。后續(xù)進(jìn)行帶壓對(duì)扣,采用鋼絲作業(yè)通井內(nèi)管柱于804 m位置遇阻,打鉛印發(fā)現(xiàn)遇阻物疑似為撈斷的節(jié)流器下半截,又重新投放橋塞于遇阻物之上;帶壓起出橋塞以上管柱后,帶壓倒扣2根油管起出遇阻物,驗(yàn)證遇阻物確定為節(jié)流器下半截;最后帶壓下帶破裂盤的完井管柱,貫通破裂盤完井。

5 結(jié)論及建議

(1)針對(duì)井口壓力在20 MPa以上的?60.3 mm生產(chǎn)管柱的致密氣水平井,選擇可靠的油管內(nèi)封堵橋塞是帶壓修井成功的關(guān)鍵,可有效判斷油管是否存在穿孔,并避免作業(yè)復(fù)雜和橋塞失效甚至造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)防噴器組內(nèi)帶壓倒扣、帶壓對(duì)扣是起出含橋塞、失效節(jié)流器或穿孔管柱的技術(shù)關(guān)鍵?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明:先在預(yù)倒扣位置制造扭矩弱點(diǎn),再放回防噴器組內(nèi)進(jìn)行帶壓倒扣多根油管的技術(shù),在井口壓力(20±4)MPa時(shí)安全可靠。

(3)帶壓修井工藝技術(shù)成功在10余口包含油管堵塞、穿孔的(20±4)MPa致密氣水平井進(jìn)行了驗(yàn)證。

(4)目前針對(duì)?60.3 mm油管,封堵壓力20 MPa以上的國產(chǎn)內(nèi)封堵橋塞的問題坐封可靠性較差,建議研制對(duì)應(yīng)的國產(chǎn)高性能可撈式油管橋塞。