稠油井注氣摻稀一體化管柱的研制與應(yīng)用

付小坤 李軍 付鵬 劉剛 陳啟龍

摘要：針對(duì)注氣開(kāi)采中常規(guī)封隔器無(wú)法正常解封、容易形成井下落魚(yú)等問(wèn)題，研制了一種稠油井注氣摻稀一體化管柱。介紹了該管柱及主要配套工具的結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)行了室內(nèi)性能測(cè)試試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該管柱中配套的注氣封隔器不使用水力錨和卡瓦結(jié)構(gòu)，封隔器易解封，解決了由于沉淀物雜物堆積和長(zhǎng)期注氣摻稀水力錨卡瓦可能無(wú)法收回等造成的無(wú)法解封問(wèn)題；該管柱中的封隔器膠筒密封性能較好，可滿足高壓注氣，摻稀旁通保證了稠油井正常摻稀生產(chǎn)，E型旁通閥結(jié)構(gòu)避免下井時(shí)中途膠筒提前坐封；該管柱配套的注氣封隔器可替代常規(guī)液壓封隔器，應(yīng)用于注氣、摻稀生產(chǎn)的稠油井中。所得結(jié)論可為油田開(kāi)采提高生產(chǎn)時(shí)效及降低采油成本提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：稠油井；注氣摻稀一體化管柱；封隔器；坐封；解封；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

0 引 言

塔河油田為奧陶系縫洞型碳酸鹽巖油藏，油藏埋藏深，非均質(zhì)性嚴(yán)重，原油黏度大，需要進(jìn)行套管摻稀油開(kāi)采。近年來(lái)，塔河油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，注水替油效果逐漸變差，注氣三次采油技術(shù)應(yīng)用已在塔河油田開(kāi)發(fā)中普及［1-3］。目前注氣、摻稀生產(chǎn)管柱組合主要是液壓封隔器加注氣摻稀單流閥組合，封隔器均帶水力錨。該管柱組合后期解封需要上提一定拉力，工具及井筒在井下長(zhǎng)期注氣的工況下會(huì)出現(xiàn)腐蝕，封隔器水力錨卡瓦會(huì)因自身腐蝕和其他異物堆積，導(dǎo)致無(wú)法解封，塔河油田每年約有30口井因封隔器解封困難而造成重大井下故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)時(shí)效，增加采油成本。因此，筆者結(jié)合常規(guī)封隔器［4-20］和注氣生產(chǎn)管柱的結(jié)構(gòu)，研制了一種稠油井注氣摻稀一體化封隔器，形成了注氣摻稀機(jī)抽一體化生產(chǎn)管柱技術(shù)，有效解決了封隔器無(wú)法正常解封、容易形成井下落魚(yú)的問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，注氣摻稀一體化封隔器解封、坐封正常，不需增加解封拉力，滿足生產(chǎn)技術(shù)需求。

1 技術(shù)分析

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

稠油井注氣摻稀一體化管柱由88.9 mm油管、摻稀旁通封隔器（內(nèi)通徑60 mm）、E型旁通閥和注氣封隔器（內(nèi)通徑60 mm）4大部分組成，井下工具組合如圖1所示。

1.2 工作原理

注氣摻稀一體化管柱工作原理如圖2所示。E型旁通閥在下井過(guò)程中循環(huán)孔處于打開(kāi)狀態(tài)，井下液體會(huì)快速通過(guò)循環(huán)孔向上流動(dòng)，并經(jīng)過(guò)摻稀旁通封隔器下端的單流閥流動(dòng)到上層，由此可減小下鉆過(guò)程中激動(dòng)壓力對(duì)擴(kuò)張式膠筒的作用；當(dāng)管柱下放到設(shè)計(jì)位置后，從管柱內(nèi)投入鋼球，待鋼球入座后，地面開(kāi)啟大排量泵車(chē)，此時(shí)E型閥分瓣球座在節(jié)流壓差的作用下會(huì)向下移動(dòng)并關(guān)閉循環(huán)孔；分瓣球座的爪頭在移動(dòng)到循環(huán)外筒內(nèi)孔的空位處后回彈張開(kāi)，鋼球繼續(xù)向下落入井底，管柱形成全通徑狀態(tài)［21-22］。

油井注氣時(shí)，摻稀單流閥關(guān)閉，由于雙皮碗膠筒的作用產(chǎn)生密封壓差，壓力傳至擴(kuò)張式膠筒下端，膠筒膨脹密封環(huán)空，隨著注氣壓力的不斷增加，擴(kuò)張式膠筒和下端雙皮碗密封壓力隨之增加。油井生產(chǎn)期間，由環(huán)空向管柱內(nèi)注入稀油，摻稀旁通封隔器的單向皮碗結(jié)構(gòu)可將環(huán)空摻稀液導(dǎo)入管柱內(nèi)，而不流入地層，稀油經(jīng)過(guò)摻稀單向閥的通道進(jìn)入油管內(nèi)，并與井下稠油充分混合后，使井底稠油流動(dòng)性提高，經(jīng)抽油泵抽吸，由油管柱內(nèi)開(kāi)采出來(lái)。如果需要解封封隔器，只需要上提管柱即可解封。

1.3 技術(shù)參數(shù)

適用工作溫度-20～170 ℃；封隔器最大外徑144 mm，全通徑60 mm，不需增加解封拉力；扣型均為73 mmTP-JC螺紋；膠筒工作壓力為50 MPa，擴(kuò)張膠筒啟動(dòng)壓力范圍為2～3 MPa。

2 一體化管柱配套工具

2.1 摻稀旁通封隔器

2.1.1 結(jié)構(gòu)

摻稀旁通封隔器主要由摻稀外筒、摻稀結(jié)構(gòu)、摻稀皮碗、旁通結(jié)構(gòu)等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

上接頭、摻稀閥球座、連接接頭、摻稀閥球、過(guò)流環(huán)、擋環(huán)、摻稀皮碗、導(dǎo)流短節(jié)、心軸及下接頭依次連接。上接頭一端設(shè)有摻稀閥閥球和閥座，摻稀固定座的一端設(shè)有過(guò)流環(huán)，導(dǎo)流短節(jié)下方設(shè)有摻稀皮碗。

2.1.2 工作原理

摻稀旁通封隔器是將3組合金單流閥串聯(lián)密封［23-24］。沒(méi)有常規(guī)單流閥的彈簧結(jié)構(gòu)，在稠油開(kāi)采過(guò)程中，由環(huán)空向管柱內(nèi)注入稀油，稀油經(jīng)過(guò)摻稀單流閥的通道注入作業(yè)管柱內(nèi)，并與井下稠油充分混合后，提高了井底稠油流動(dòng)性，再由作業(yè)管柱內(nèi)開(kāi)采出來(lái)。摻稀旁通封隔器具有的單向皮碗結(jié)構(gòu)，可以很好地將環(huán)空摻稀液導(dǎo)入到管柱內(nèi)，而不是通過(guò)環(huán)空進(jìn)入地層；同時(shí)摻稀旁通封隔器皮碗膠筒的下端帶有單向旁通結(jié)構(gòu)，允許液流由下向上流動(dòng)，這樣在封隔器下井過(guò)程中，可以在很大程度上減輕激動(dòng)壓力對(duì)管柱的影響。

2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)

兩端連接螺紋均為73 mm TP-JC螺紋；剛體最大外徑144 mm，膠筒最大外徑160 mm，內(nèi)通徑60 mm；抗拉力630 kN，抗內(nèi)壓87 MPa，抗外壓力82 kN；摻稀過(guò)流通道面積380 mm2，2組通道共計(jì)760 mm2；旁通過(guò)流面積113 mm2，4組通道，共計(jì)452 mm2；適用溫度-20～170 ℃，適用于177.8 mm套管中。

2.2 E型旁通閥

2.2.1 結(jié)構(gòu)

E型旁通閥主要由旁通外筒、分瓣球座、鋼球及循環(huán)孔等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。上接頭、分瓣球座、鋼球、上密封軸、下密封軸及下接頭依次連接構(gòu)成。上接頭的一端內(nèi)側(cè)設(shè)置有分瓣球座、鋼球和銷釘，上密封軸與上接頭通過(guò)剪切銷釘固定連接，上密封軸與下密封軸均安裝在旁通外筒的內(nèi)側(cè)，旁通外筒的另一端固定連接有下接頭，下接頭的一端伸入旁通外筒的內(nèi)側(cè)與下密封軸的一端固定連接。

2.2.2 工作原理

采用E型旁通閥目的在于減輕封隔器下井時(shí)的激動(dòng)壓力對(duì)膠筒和卡瓦的影響［25］，旁通流體通過(guò)旁通閥循環(huán)孔流到上皮碗與下皮碗之間的環(huán)空，液體會(huì)沿旁通單流閥流到上皮碗上端，以保證坐封封隔器不受激動(dòng)壓力的影響。E型旁通閥在下井過(guò)程中循環(huán)孔處于打開(kāi)狀態(tài)，這樣井下液體會(huì)快速通過(guò)循環(huán)孔向上流動(dòng)，并經(jīng)過(guò)摻稀旁通封隔器下端的單流閥流動(dòng)到上層；當(dāng)管柱下放到設(shè)計(jì)位置后，從管柱內(nèi)投入鋼球，待鋼球入座后，地面開(kāi)啟大排量泵車(chē)，此時(shí)E型閥分瓣球座在節(jié)流壓差的作用下會(huì)向下移動(dòng)并關(guān)閉循環(huán)孔；分瓣球座的爪頭在移動(dòng)到循環(huán)外筒內(nèi)孔的空位處后回彈張開(kāi)，鋼球繼續(xù)向下落入井底，管柱形成全通徑狀態(tài)。

2.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

兩端連接螺紋均為73 mm TP-JC螺紋；最大外徑114 mm，球座擊落前內(nèi)通徑42 mm、擊落后通徑60 mm；抗拉力1 500 kN，抗內(nèi)壓強(qiáng)度78 MPa，抗外壓強(qiáng)度74 MPa；旁通過(guò)流面積1 600 mm2，旁通投球直徑45 mm，旁通閥關(guān)閉壓力12 MPa（6支銷釘）；工作溫度-20～170 ℃，適用于177.8 mm套管。

2.3 注氣封隔器

2.3.1 結(jié)構(gòu)

注氣封隔器（見(jiàn)圖5）由密封系統(tǒng)和錨定系統(tǒng)2大部分構(gòu)成。其中上心軸外側(cè)套有擴(kuò)張式膠筒，擴(kuò)張式膠筒的一端連接膠筒上護(hù)套，膠筒上護(hù)套上端與上接頭連接，擴(kuò)張式膠筒的另一端連接膠筒下護(hù)套，心軸連接定位套，定位套兩端均連接有皮碗，下心軸另一端連接下接頭。

2.3.2 工作原理

注氣封隔器在整個(gè)管串中具有最終建立密封的作用，密封系統(tǒng)由擴(kuò)張式膠筒和雙皮碗膠筒組合而成。擴(kuò)張式膠筒可輔助下雙皮碗進(jìn)行密封，當(dāng)下皮碗出現(xiàn)滲漏后，擴(kuò)張式膠筒也能達(dá)到密封效果，雙皮碗膠筒直接承受注氣高壓，且給擴(kuò)張式膠筒提供了初期壓差，使擴(kuò)張式膠筒受力膨脹，起到密封的作用。雙皮碗膠筒出現(xiàn)密封不嚴(yán)和滲漏后，封隔器不會(huì)完全失封，在井口大排量泵壓的情況下，仍然可以建立起壓差，此時(shí)擴(kuò)張式膠筒可以起到很好地密封作用。

2.3.3 主要技術(shù)參數(shù)

兩端連接螺紋均為73 mmTP-JC螺紋；最大外徑114 mm，皮碗最大外徑158 mm，最小內(nèi)通徑60 mm；抗拉力930 kN，抗內(nèi)壓強(qiáng)度116 MPa，抗外壓強(qiáng)度107 MPa，膠筒密封壓力50 MPa；工作溫度-20～170 ℃，適用于177.8 mm套管中。

3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）注氣封隔器密封膠筒設(shè)有擴(kuò)張式膠筒和雙皮碗膠筒組合式的密封結(jié)構(gòu)，雙皮碗膠筒給擴(kuò)張式膠筒提供壓差，使其受力膨脹，起到密封的作用；擴(kuò)張式膠筒輔助雙皮碗膠筒密封，當(dāng)雙皮碗膠筒密封失效時(shí)，封隔器不會(huì)完全失封；注氣封隔器起出井筒時(shí)無(wú)需增加解封拉力，并且密封性能與注入壓力密切相關(guān)，注入壓力越高，封隔器密封能力越強(qiáng)。

（2）摻稀旁通封隔器的摻稀通道設(shè)有3組單流閥串聯(lián)密封，閥球、閥座分別采用鈦合金和鎢合金材質(zhì)，耐腐蝕和耐磨；其中的單向皮碗可使稀油與稠油混配更均勻；設(shè)有的單向旁通結(jié)構(gòu)與封隔器管柱配合下入井中，不僅可以減輕激動(dòng)壓力對(duì)管柱的影響，避免出現(xiàn)提前坐封，而且可減小封隔器與套管間的抽吸作用，防止封隔器短時(shí)間內(nèi)失封。

（3）E型旁通閥結(jié)構(gòu)設(shè)有的旁通循環(huán)孔，用于平衡注氣封隔器上下管柱內(nèi)的壓力，可以減小激動(dòng)壓力對(duì)擴(kuò)張式膠筒的作用，防止下井時(shí)中途膠筒提前坐封；設(shè)有的分瓣球座在封隔器坐封后，投球加壓，可實(shí)現(xiàn)管柱全通徑。

（4）該一體化管柱中的封隔器無(wú)水力錨和卡瓦結(jié)構(gòu)，封隔器易解封，可重復(fù)坐封，避免出現(xiàn)因長(zhǎng)期注氣、摻稀腐蝕產(chǎn)生的雜物堆積和工具自身腐蝕等導(dǎo)致水力錨和卡瓦可能無(wú)法收回，從而無(wú)法解封等問(wèn)題。

（5）該一體化管柱所有工具關(guān)鍵零部件均采用42CrMo高強(qiáng)度材料，提高了工具抗拉及抗壓強(qiáng)度，并進(jìn)行了耐磨處理；皮碗及膠筒材質(zhì)改進(jìn)為氫化丁腈橡膠，耐溫達(dá)170 ℃，且耐腐蝕、耐壓和更加耐磨。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

對(duì)研制的注氣摻稀一體化管柱分別進(jìn)行坐封及解封試驗(yàn)、膠筒及輔助承壓和解封變形試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 坐封及解封試驗(yàn)

將注氣摻稀一體化管柱組下至試驗(yàn)井筒內(nèi)，連接地面高壓管匯、加熱油槽、加壓泵和試驗(yàn)裝置，循環(huán)高溫油使井筒溫度升至150 ℃，保溫48 h。加壓20 MPa，將注氣封隔器坐封于試驗(yàn)井中，穩(wěn)壓15 min，泄壓解封，反復(fù)試驗(yàn)5次，坐封壓力分別為20.2、21.0、21.5、20.0及20.8 MPa，分別穩(wěn)壓15 min，均順利實(shí)現(xiàn)坐封和解封。

4.2 膠筒及輔助承壓和解封變形試驗(yàn)

井口加壓至20 MPa，將注氣摻稀一體化管柱坐封于試驗(yàn)井筒中，穩(wěn)壓15 min，再逐級(jí)加壓4次，加壓分別為40、50、60及70 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間分別為15、30、180及300 min，總保壓時(shí)間為540 min。穩(wěn)壓試驗(yàn)曲線如圖6所示。

由加壓試驗(yàn)得到，壓降范圍在0.02～0.57 MPa，最大壓降出現(xiàn)在加壓至70 MPa時(shí)。泄壓解封，取出封隔器，觀察注氣封隔器雙皮碗膠筒有輕微永久變形，測(cè)量膠筒變形量從158 mm變?yōu)?59.5 mm，其他設(shè)備機(jī)構(gòu)未出現(xiàn)永久變形，設(shè)備滿足生產(chǎn)要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 井況

截至2022年8月，該工藝已在塔河油田應(yīng)用18井次，管柱坐封、解封、注氣及摻稀生產(chǎn)均正常，未發(fā)生過(guò)井下事故。TP2井為塔河油田的一口開(kāi)發(fā)井，2012年酸壓完井，管串組合為：88.9 mm絲堵+88.9 mm油管6根＋88.9 mm割縫篩管6根＋88.9 mm油管2根+球座（95mm）+177.8 mm MCHR封隔器（通徑60 mm，坐封位置5 335 m）+88.9 mm油管2根+88.9 mm伸縮節(jié)（通徑76 mm，2 m）+88.9 mm油管×1 779 m+88.9 mm油管2根+摻稀單流閥+88.9 mm油管2根+38.0 mm桿式泵泵座+88.9 mm油管×3 500 m+雙外短節(jié)+油管掛。因地層能量降低，2015年開(kāi)始注氮?dú)怛?qū)油，累計(jì)注氣100×104 m3。2019年大修檢管作業(yè)，解封封隔器作業(yè)過(guò)程中，上提管柱拉力920 kN（管柱原懸重762 kN）未能解封，倒扣套銑打撈出原井管柱，共耗時(shí)42 d。

5.2 完井管柱設(shè)計(jì)

考慮該井本次作業(yè)封隔器解封困難，后期需長(zhǎng)期進(jìn)行注氣作業(yè)，且該井為稠油井，而抽稠泵抗拉力位僅有420 kN，泵下需懸掛油管，常規(guī)液壓封隔器需要解封拉力，抽稠泵的抗拉力不滿足后期解封作業(yè)，因此完井使用注氣摻稀一體化封隔器。完井管柱組合為：73.0 mm絲堵+73.0 mm油管6根+73.0 mm割縫篩管6根+73.0 mm油管2根+177.8 mm注氣封隔器+177.8 mmE型旁通閥+73.0 mm油管×1 000 m+177.8 mm摻稀旁通封隔器+73.0 mm油管×3 560 m+88.9 mm油管2根+83/44TH抽稠泵泵筒+變扣+88.9 mm油管×1 390 m+雙外短節(jié)+油管掛。177.8 mm注氣封隔器坐封位置為5 995 m，下封隔器前，反復(fù)對(duì)177.8 mm套管刮洗干凈，坐封、驗(yàn)封均正常。完井后，累計(jì)注入100×104 m3氮?dú)?，注氣期間油、套壓壓力變化如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，注氣期間最高油壓35 MPa，最高套壓2.6 MPa，注氣結(jié)束后摻稀生產(chǎn)正常。2020年12月修井作業(yè)，上提管柱至拉力570 kN（管柱原懸質(zhì)量552 kN）解封，起出管柱及封隔器膠筒等，結(jié)構(gòu)正常。

通過(guò)2次作業(yè)情況對(duì)比，注氣摻稀一體化封隔器與液壓封隔器相比，達(dá)到了封隔保護(hù)套管的目的，未因封隔器解封困難而造成井下復(fù)雜事故，提高了生產(chǎn)時(shí)效，降低了采油成本。

6 結(jié) 論

（1）注氣摻稀一體化管柱中配套的注氣封隔器不使用水力錨和卡瓦結(jié)構(gòu)，封隔器易解封，解決了由于沉淀物雜物堆積和長(zhǎng)期注氣摻稀水力錨卡瓦可能無(wú)法收回等造成的無(wú)法解封問(wèn)題。

（2）注氣摻稀一體化管柱中的封隔器膠筒密封性能較好，可滿足高壓注氣。摻稀旁通保證了稠油井正常摻稀生產(chǎn)，E型旁通閥結(jié)構(gòu)避免了下井中途膠筒的提前坐封。

（3）注氣摻稀一體化管柱安全可靠，性能穩(wěn)定，配套的注氣封隔器可替代常規(guī)液壓封隔器，應(yīng)用于注氣、摻稀生產(chǎn)的稠油井中，具有較好的推廣前景。

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