套變分注井小直徑可丟可鉆封隔器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

劉亞珍

(中國石油天然氣股份有限公司 吉林油田分公司油氣工程研究院,吉林 松原 138000)

隨著吉林油田開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng),由于地質(zhì)因素和工程因素的影響,注水井套管變形、井筒結(jié)垢縮徑等情況日益嚴(yán)重[1-3]。截止2021年底,吉林油田偏/同心分注井年維護(hù)修井工作量約1 300井次,大修發(fā)生率約12%,大修成功率約70%,90%以上由管柱卡井造成,其中封隔器不解封、套變導(dǎo)致卡井占比約43%。常規(guī)分注工藝在復(fù)雜井況應(yīng)用過程中,外徑114 mm偏心分注工具不適用于套變井或井筒結(jié)垢縮徑井[4-5],液壓整形后套管內(nèi)通徑可達(dá)108 mm,但114 mm外徑的分注工具無法通過套變段,不能實(shí)現(xiàn)分層注水,只能進(jìn)行合注或者關(guān)井,影響水驅(qū)開發(fā)效果;常規(guī)分注井運(yùn)行一段時(shí)間后,因套變、結(jié)垢使井筒縮徑,引起卡井或封隔器不解封,導(dǎo)致大修作業(yè)或報(bào)廢,作業(yè)工作量大,運(yùn)行成本高[6-7]。

目前,套變井或井筒結(jié)垢縮徑井一般采用小直徑分注工具,封隔工具多用小直徑Y(jié)341型封隔器或機(jī)械式小直徑封隔器[8-10],一定程度上可以提高小修成功率。但隨著使用時(shí)間延長(zhǎng),套管變徑或井筒結(jié)垢縮徑加劇,卡井風(fēng)險(xiǎn)仍較大。為此,筆者設(shè)計(jì)一種小直徑可丟可鉆封隔器,小直徑設(shè)計(jì)保證分注管柱順利下入套變井;可丟手設(shè)計(jì)在上提管柱遇阻時(shí)可丟手安全接頭可以與封隔器主體脫開,避免強(qiáng)拔造成井下情況復(fù)雜化;膠筒、擋環(huán)等主體采用可磨銑的復(fù)合材料、耐腐蝕,上部管柱起出后,卡井封隔器部分通過小修鉆撈一體化工具鉆除、打撈,避免大修作業(yè)。研發(fā)的封隔器對(duì)套變、結(jié)垢井筒縮徑等復(fù)雜井況,提高小修成功率,減少作業(yè)工作量,降低運(yùn)行成本等方面具有重要的意義。

1 封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

小直徑可丟可鉆封隔器為Y341-102型水力機(jī)械壓縮式封隔器,主要由封隔結(jié)構(gòu)、鎖緊結(jié)構(gòu)、解封結(jié)構(gòu)及丟手結(jié)構(gòu)組成,如圖1所示。封隔結(jié)構(gòu)主要由上擋環(huán)、兩邊膠筒、中間膠筒、膠筒隔環(huán)等組成,坐封時(shí)膠筒受加壓作用徑向膨脹,封隔油套環(huán)形空間。鎖緊結(jié)構(gòu)由卡簧、卡簧座、卡簧外套等組成,保證膠筒不能回彈復(fù)位。解封結(jié)構(gòu)由下外套、中心管、解封剪釘、下接頭等組成,用于解封封隔器。丟手結(jié)構(gòu)由可丟手安全接頭、丟手剪釘?shù)冉M成,下管柱時(shí)通過可丟手安全接頭連接于油管底部,用于上提遇阻異常工況。

1—可丟手安全接頭;2—丟手剪釘;3—上擋環(huán);4—兩邊膠筒;5—隔環(huán);6—中間膠筒;7—解封剪釘;8—卡簧座;9—卡簧;10—卡簧外套;11—下液缸;12—下外套;13—下液缸頭;14—中心管;15—護(hù)帽;16—下接頭;17—淬火鋼銷;18～20—O型膠圈;21-錐端緊定螺釘;22～24—O型膠圈。圖1 小直徑可丟可鉆封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 可丟手安全接頭設(shè)計(jì)

可丟手安全接頭是針對(duì)上提遇阻工況設(shè)計(jì)的。當(dāng)上提力超過丟手剪釘剪斷載荷時(shí),丟手剪釘剪斷,可丟手安全接頭與封隔器下部脫開,上部管柱可正常起出,避免強(qiáng)拔造成井下情況復(fù)雜化。為避免多段分注井遇阻工況時(shí)上提管柱載荷過大,同時(shí)防止正常工況下丟手誤脫開,增加作業(yè)工作量,設(shè)計(jì)3種不同級(jí)別安全丟手載荷,最小安全丟手載荷約為封隔器解封載荷的2倍,3種級(jí)別丟手剪釘剪斷載荷分別為100、150、200 kN。按照封隔器解封剪釘設(shè)計(jì)原則[11],剪釘材質(zhì)選擇為45#鋼,數(shù)量8只,布局方式如圖2所示,安全系數(shù)取1.1。

圖2 丟手剪釘布局方式

剪釘直徑可根據(jù)式(1)～(2)計(jì)算:

F=nd2τmax

(1)

τmax=1/2σb

(2)

式中:F為剪釘剪斷載荷,N;n為剪釘個(gè)數(shù);d為剪釘直徑,mm;τmax為材質(zhì)的剪切極限,N/mm2;σb為抗拉強(qiáng)度,N/mm2。

得到3種級(jí)別剪釘直徑分別為:7.2 、8.7 、10.2 mm。

1.2.2 密封膠筒設(shè)計(jì)

小直徑封隔器需要在順利通過套變點(diǎn)后,仍能在139.7 mm套管的內(nèi)通徑124 mm環(huán)形空間內(nèi)可靠密封。膠筒為封隔器有效密封的關(guān)鍵元件,該封隔器膠筒采用上、中、下三膠筒設(shè)計(jì)。由于小直徑膠筒需具有高膨脹比,上、下膠筒端部設(shè)計(jì)時(shí)考慮防突機(jī)構(gòu),采用護(hù)碗結(jié)構(gòu)(如圖3所示),形成剛性支撐,提高膠筒承壓能力,也可以起到保護(hù)膠筒端部的作用。對(duì)于膠筒材料的選擇,該封隔器膠筒需在外徑縮小和厚度變小的情況下有效密封,同時(shí)考慮到封隔器應(yīng)用到分注井需滿足高溫、蠕動(dòng)環(huán)境下長(zhǎng)效密封,因此膠筒材料選擇應(yīng)兼顧耐溫、耐壓、高膨脹比、耐油、耐磨等指標(biāo)。通過對(duì)比封隔器常用橡膠的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、膨脹性、耐溫性、耐油性、耐磨性能等指標(biāo)[12-13],該封隔器膠筒優(yōu)選為氫化丁腈橡膠材料,該材料具有高強(qiáng)度、高撕裂性能、高耐磨性能、耐老化性能等優(yōu)異特點(diǎn)。

圖3 兩邊膠筒護(hù)碗結(jié)構(gòu)

1.2.3 可鉆部分設(shè)計(jì)

卡井異常工況,封隔器安全丟手起出上部管柱后,采用配套鉆撈一體工具將封隔器剩余部分鉆除、打撈,解決管柱卡井問題、避免大修作業(yè)。為保證鉆撈成功率,封隔器除中心管外的上擋環(huán)、隔環(huán)、卡簧外套、下液缸、下外套、下液缸頭、護(hù)帽等其他主體部分均采用復(fù)合可鉆材料,可鉆結(jié)構(gòu)如圖4所示。按照《丟手可鉆封隔器、橋塞及坐封工具》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[14],對(duì)比不同材質(zhì)可鉆材料的強(qiáng)度、可鉆性、耐溫性、耐蝕性及加工精度等性能指標(biāo)[15-16],復(fù)合可鉆材料優(yōu)選為非金屬的纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹脂(玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%),其抗拉強(qiáng)度為551.6 MPa、抗壓強(qiáng)度為310 MPa、彎曲強(qiáng)度689.5 MPa、熱變形溫度204 ℃、伸長(zhǎng)率1.6%,能夠滿足封隔器長(zhǎng)期井下工作要求;膨脹系數(shù)4×10-4K-1、固化收縮率1%～3%,相對(duì)較低,能夠滿足零件精密加工的要求;另外,為非金屬材料,具有輕便、耐腐蝕、易磨銑等特點(diǎn)。

圖4 小直徑可丟可鉆封隔器可鉆除結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 技術(shù)參數(shù)

小直徑可丟可鉆封隔器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)如表1～2。

表1 小直徑可丟可鉆封隔器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 小直徑可丟可鉆封隔器主要性能指標(biāo)

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1) 合理布局、嚴(yán)格選材。保證內(nèi)通徑及工作壓差情況下最大外徑縮小至102 mm,套變井封隔器能順利通過,避免膠筒擦傷影響其密封性能,提高施工成功率,延長(zhǎng)密封有效期。

2) 可丟手安全接頭設(shè)計(jì)。當(dāng)上提載荷達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)可丟手安全接頭與下部管柱脫開,避免強(qiáng)拔造成井筒情況復(fù)雜化;最小丟手載荷大于正常解封載荷的2倍,防止正常工況下誤脫開,增加作業(yè)工作量。

3) 膠筒、擋環(huán)、下液缸等主體采用可磨銑復(fù)合材料。當(dāng)上提遇阻工況,可通過小修鉆撈一體工具鉆除、打撈,提高小修成功率。

2 工作原理

2.1 坐封

封隔器按照配管柱下入至預(yù)定位置,從中心管內(nèi)加入高壓液體,高壓液體通過中心管的過流通道進(jìn)入下液缸頭,剪斷坐封剪釘;下液缸頭在高壓液體作用下上行,進(jìn)而推動(dòng)下液缸、下外套向上移,壓縮膠筒徑向膨脹完成封隔油套環(huán)空。鎖緊機(jī)構(gòu)的卡簧與卡簧外套鎖緊,卸去壓力后膠筒不能回彈復(fù)位,保證膠筒始終保持工作狀態(tài)。坐封時(shí)從中心管加壓,壓力分別為10、14、16 MPa,分別穩(wěn)壓3 min,完成坐封。

2.2 解封

適用于無套變或其他原因卡井的正常工況。上提管柱,由于膠筒與井壁之間的摩擦作用,外中心管與膠筒不動(dòng),內(nèi)中心管相對(duì)于外中心管上行,剪斷解封剪釘;卡簧座失去支撐而解鎖,膠筒反彈力使下液缸和下外套下行,膠筒回彈恢復(fù)原狀,完成解封。解封載荷40～50 kN。

2.3 安全丟手

適用于套變或其他原因卡井導(dǎo)致上提遇阻的異常工況。上提管柱遇阻后,繼續(xù)增大上提力至設(shè)計(jì)載荷,丟手剪釘剪斷,可丟手安全接頭與封隔器主體部分脫開,丟手安全接頭隨上部管柱起出;封隔器主體部分采用配套鉆撈一體工具鉆除、打撈后,可進(jìn)行下步工作。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為保證小直徑可丟可鉆封隔器在井下可靠封隔油層,封隔器完成設(shè)計(jì)及試制后在模擬井開展了耐溫、耐壓性能檢測(cè)室內(nèi)試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟:

1) 封隔器連接油管下入模擬井,井口密封合格;試驗(yàn)過程井筒溫度保持在120 ℃左右。

2) 坐封。中心管加壓坐封,壓力為8、10、14、16 MPa,分別穩(wěn)壓3 min,完成坐封。

3) 耐壓差檢測(cè)。工作壓力下性能檢測(cè),中心管泄壓,下腔加壓至20 MPa,穩(wěn)壓15 min;工作壓力上性能檢測(cè),下腔泄壓,上腔加壓至20 MPa,穩(wěn)壓15 min。

封隔器耐壓性能測(cè)試曲線如圖5所示。

圖5 小直徑可丟可鉆封隔器耐溫耐壓性能測(cè)試曲線

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明,研制的封隔器坐封壓力為15～16 MPa,可實(shí)現(xiàn)有效坐封;工作壓力上、工作壓力下均為20 MPa,耐溫120 ℃,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

室內(nèi)檢測(cè)合格后,2020-04,小直徑可丟可鉆封隔器在吉林油田吉46-014井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。三段偏心分注工藝,封隔器為三種級(jí)別安全丟手載荷的小直徑可丟可鉆封隔器。工藝管柱自下至上為底部閥+偏三+三封(丟手剪釘剪斷載荷100 kN)+偏二+二封(丟手剪釘剪斷載荷150 kN))+偏一+一封(丟手剪釘剪斷載荷200 kN),管柱如圖6所示。中心管加壓至10、14、16 MPa,分別穩(wěn)壓3 min,油套環(huán)形空間無返液,初步判定封隔器密封有效。正常注水15 d后,開展驗(yàn)封測(cè)試,驗(yàn)封曲線出現(xiàn)明顯的壓力臺(tái)階(如圖7所示),說明封隔器密封有效。

圖6 吉46-014井分層注水管柱示意圖

圖7 吉46-014井驗(yàn)封曲線

驗(yàn)封后正常注水至2022-10。該井二段測(cè)試遇阻,檢管作業(yè),小修作業(yè)處理,上提管柱載荷增加至320 kN,管柱仍未拔動(dòng),認(rèn)為上提遇阻。繼續(xù)增大上提管柱載荷至572 kN,成功起出部分管柱,起出管柱后發(fā)現(xiàn)一層封隔器成功解封,二層封隔器可丟手安全接頭處脫開?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明可丟手壓力設(shè)計(jì)合理,異常工況達(dá)到設(shè)計(jì)載荷丟手能夠成功脫開。下入鉆撈一體化工具,歷時(shí)約2 h磨銑,封隔器成功打撈出,說明復(fù)合可鉆材料適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

5 結(jié)論

1) 研發(fā)的小直徑可丟可鉆封隔器,合理布局及嚴(yán)格選材,在保證內(nèi)通徑及層間耐壓性能的情況下最大外徑102 mm,能夠滿足油田大部分套變井分注管柱下入通過的要求。

2) 研發(fā)的封隔器可丟手結(jié)構(gòu),上提遇阻工況能避免強(qiáng)拔造成井筒情況復(fù)雜化;可鉆除結(jié)構(gòu),通過小修鉆撈一體工藝鉆除、打撈解決卡井問題,提高小修成功率,減少作業(yè)工作量,降低運(yùn)行成本。

3) 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,研發(fā)的封隔器設(shè)計(jì)可行,密封有效期可達(dá)2.5 a,安全丟手及可鉆除結(jié)構(gòu)的工作性能可靠穩(wěn)定,在套變分注井中具有很好的應(yīng)用前景。