薩北區(qū)塊帶壓作業(yè)技術(shù)應(yīng)用及效果分析

王春陽

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠工藝研究所（黑龍江 大慶 163113)

0 引言

在油田井下作業(yè)施工過程中，往往會遇到井底壓力大、井口溢流大等情況，使得常規(guī)作業(yè)隊(duì)伍施工難度加大，壓井、替噴等方式又會造成儲層污染，降低油田采收率，增加生產(chǎn)成本，而對于某些油層物性復(fù)雜井，壓井液被侵蝕，壓井實(shí)效較短，井溢、井涌風(fēng)險(xiǎn)高，加大了安全環(huán)保施工難度。

大慶油田薩北區(qū)塊占地面積118.8 km2，現(xiàn)有油水井10 300余口，年各類動管柱作業(yè)7 000余井次，區(qū)塊地處河湖、草原、高速、機(jī)場等環(huán)境敏感區(qū)域。隨著“兩法”的頒布實(shí)施，國家層面對安全生產(chǎn)各項(xiàng)管理日趨從嚴(yán)，集團(tuán)公司、油田公司對井溢、井涌及井噴失控事故的考核、追責(zé)日趨從重[1]，已將井下作業(yè)井控風(fēng)險(xiǎn)列為了“八大安全風(fēng)險(xiǎn)之首”“四條紅線”之一。同時(shí)，國家、集團(tuán)公司和油田公司等各個層面對環(huán)保工作的重視程度和監(jiān)管力度也在大幅提升。如果采用常規(guī)作業(yè)方式，現(xiàn)場施工環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)大，常規(guī)作業(yè)隊(duì)伍經(jīng)常是“繞著走”，導(dǎo)致此類油水井較長時(shí)間未能作業(yè)，長期停產(chǎn)或帶病生產(chǎn)，而井下作業(yè)的行業(yè)性質(zhì)又決定了其具有安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)大的客觀屬性，在目前的新形勢、新要求下，針對高壓油水井的井下作業(yè)施工工作，應(yīng)用常規(guī)作業(yè)技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)日益嚴(yán)峻的安全環(huán)保生產(chǎn)形勢。

1 帶壓作業(yè)技術(shù)原理

1.1 帶壓作業(yè)主機(jī)及原理

油、水井帶壓作業(yè)是指依靠油管堵塞器與專用防噴器組相配合[2]，通過施壓裝置的控制，在不壓井、不放噴的條件下進(jìn)行管柱起下、打撈、沖砂、鉆塞等施工作業(yè)。薩北區(qū)塊引入的帶壓作業(yè)技術(shù)主要為分體輔助式帶壓作業(yè)技術(shù)（35 MPa防噴器組額定工作壓力）依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6731—2014《油氣田用帶壓作業(yè)機(jī)》，以自走式柴油修井機(jī)作為原動力、分體輔助式帶壓設(shè)備作為帶壓作業(yè)主機(jī)（圖1）。其中，帶壓作業(yè)主機(jī)由液壓舉升系統(tǒng)、井口壓力控制系統(tǒng)、卡瓦系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)及附屬配套裝置組成，通過驅(qū)動液壓油泵，將壓力輸送到執(zhí)行元件的液壓缸工作腔，控制環(huán)形防噴器抱住管柱[3]；或用3 閘板防噴器組密封井口，利用游動卡瓦組和固定卡瓦組交替配合卡緊管柱，通過舉升液缸的上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)管柱的帶壓強(qiáng)行起下，最終實(shí)現(xiàn)在密封狀態(tài)進(jìn)行井下作業(yè)（圖2）。

圖1 分體輔助式帶壓作業(yè)主機(jī)示意圖

圖2 帶壓作業(yè)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

分體輔助式帶壓作業(yè)技術(shù)起步早，在國內(nèi)較為成熟，是目前的主體機(jī)型，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各大陸上油氣田。其技術(shù)特點(diǎn)為裝備模塊化設(shè)計(jì)，施工適應(yīng)性好，機(jī)械組件可靠性高，便于搬運(yùn)與安裝，可根據(jù)作業(yè)需求靈活組合[4]；雙層4 腳穩(wěn)固支架設(shè)計(jì)，增加井口裝置的穩(wěn)定性，提高起下管柱安全性；修井機(jī)為獨(dú)立設(shè)備，可靈活應(yīng)用于其他修井作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。

1.2 管內(nèi)封堵工具及原理

管內(nèi)封堵是帶壓作業(yè)工藝技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其成敗關(guān)系著整個帶壓作業(yè)施工的成敗，薩北區(qū)塊帶壓隊(duì)伍主要采用鋼絲投堵與液壓投堵兩種方式。鋼絲投送方式操作簡單、安全可靠、設(shè)備投入少，可用于封堵管內(nèi)任意位置，利用震擊器、剪切器進(jìn)行油管內(nèi)投堵作業(yè)，通過鋼絲將堵塞器投送至預(yù)定深度，上提鋼絲，堵塞器矛體上行，上下正反卡瓦工作，錨定在油管內(nèi)壁，同時(shí)釋放底部膠筒，如圖3 所示；液壓投送方式借助泵車，投送用時(shí)短，設(shè)備投入成本低，效率高，主要用于封堵工具上方油管，通過水泥車打壓，將堵塞器投送到工具段之上，繼續(xù)加壓達(dá)到工作壓差后，膠筒脹封，推動堵塞器滑塊卡在油管內(nèi)壁上，如圖4所示。

圖3 過配件鋼絲投送式油管堵塞器實(shí)物圖

圖4 水力液壓式油管堵塞器實(shí)物圖

2 薩北區(qū)塊轉(zhuǎn)帶壓井選井原則

2.1 一般原則

帶壓作業(yè)施工配套設(shè)備較多，現(xiàn)場操作較常規(guī)作業(yè)復(fù)雜，施工工藝要求較高，作業(yè)周期也較常規(guī)作業(yè)周期長，單井施工成本高[5]。因此，并非所有有壓力井都要采取帶壓作業(yè)。如果在常規(guī)作業(yè)中，通過技術(shù)手段治理后，使得該井能夠形成相對穩(wěn)定和可控的井筒狀態(tài)，則應(yīng)首選常規(guī)作業(yè)方式。

根據(jù)近5年薩北區(qū)塊油層組地層壓力狀況和井下作業(yè)現(xiàn)場井筒壓力反饋情況，其轉(zhuǎn)帶壓井選井原則可定性歸為以下五類：

1）地層壓力高，泥漿或鹽水循環(huán)后很快吐出，自噴或間噴噴勢大的待作業(yè)施工井。

2）地層壓力低，但氣油比高，有長期天然氣影響歷史，氣體噴勢大的待作業(yè)施工井。

3）需排放較多溢流方可作業(yè)施工的水井，或者井口溢流大、有出液溫度的待作業(yè)施工井。

4）新井投產(chǎn)過程中，射孔后遇圈閉氣頂層，在一段時(shí)間內(nèi)井口出氣量較高的待作業(yè)施工井。

5）井場位置較為特殊，對環(huán)保和井控要求級別高，且井筒壓力異常的待作業(yè)施工井[6]。

2.2 技術(shù)分析

根據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6989—2018《帶壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》、集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 02625—2018《油氣水井帶壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，引入帶壓作業(yè)中油管無支撐長度這一定義，即游動卡瓦距最上密封防噴器之間的距離，如無支撐油管受到的應(yīng)力大于臨界應(yīng)力，油管就會發(fā)生彎曲[7]。由此，對帶壓起下管柱進(jìn)行受力分析，計(jì)算帶壓環(huán)境中油管平衡力中和點(diǎn)與油管無支撐長度，可以得到在兩種規(guī)格油管（Φ73 mm、Φ89 mm）下，所對應(yīng)的油管無支撐長度與壓曲率關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 兩類油管的無支撐長度與壓曲率關(guān)系曲線圖

根據(jù)無支撐油管的臨界應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：σcr為無支撐油管的臨界應(yīng)力，MPa；E為油管的楊氏模量，MPa；λ為無支撐油管的柔度，無量綱。

根據(jù)井內(nèi)壓力對井內(nèi)管柱上頂力計(jì)算公式：

式中：F上為井內(nèi)壓力對井內(nèi)管柱上頂力，kN；D為防噴器所密封的管柱外徑，mm；p為井口實(shí)測壓力，MPa。

根據(jù)上述公式，計(jì)算帶壓作業(yè)施工過程中允許最大井口壓力，根據(jù)薩北區(qū)塊引入的分體輔助式帶壓作業(yè)設(shè)備相關(guān)技術(shù)參數(shù)，其防噴裝置液缸最大行程為3.3 m，當(dāng)取最大行程3.3 m 時(shí)，若井內(nèi)油管規(guī)格為Φ73 mm，取壓曲無支撐曲線在70%安全系數(shù)下的數(shù)值80 kN，可以得到理論井口壓力19.12 MPa，考慮油管在井內(nèi)磨損，取0.8 系數(shù)，則可得到最大校核壓力15.3 MPa；若井內(nèi)油管規(guī)格為Φ89 mm，取壓曲無支撐曲線在70%安全系數(shù)下的數(shù)值為180 kN，則可以得到理論井口壓力28.95 MPa，考慮油管在井內(nèi)磨損，取0.8 系數(shù)，則可得到最大校核壓力23.16 MPa。

根據(jù)以上計(jì)算可知：當(dāng)井口壓力不大于15.3 MPa（23.16 MPa）時(shí)，游動卡瓦可帶壓上提至最大高度3.3 m；當(dāng)井口壓力大于15.3 MPa（23.16 MPa）時(shí)，根據(jù)井口壓力變化，相應(yīng)減少游動卡瓦帶壓上提高度，防止井口油管受上頂力過大，油管彎曲，造成生產(chǎn)事故。

3 薩北區(qū)塊帶壓作業(yè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 職責(zé)劃分

薩北區(qū)塊帶壓作業(yè)業(yè)務(wù)的合同簽訂、組織運(yùn)行、協(xié)調(diào)維護(hù)、結(jié)算驗(yàn)收等工作，在2018年及以前是由廠油田管理部井下作業(yè)組統(tǒng)籌負(fù)責(zé)。2019年，根據(jù)工作安排，將帶壓作業(yè)業(yè)務(wù)的一部分移交至廠工程技術(shù)大隊(duì)，由工程技術(shù)大隊(duì)負(fù)責(zé)組織運(yùn)行與協(xié)調(diào)維護(hù)工作。2021年“油公司”模式改革后，帶壓作業(yè)管理劃歸至廠采油工程項(xiàng)目組管理體系中，將過程監(jiān)督、質(zhì)量控制、井控管理等業(yè)務(wù)一并納入廠工藝研究所帶壓項(xiàng)目組管理。

3.2 歷年工作量

2017—2021年，薩北區(qū)塊共開展廠外帶壓作業(yè)100 井次，總費(fèi)用1 691.6 萬元，年均多恢復(fù)產(chǎn)油0.74×104t，恢復(fù)注入0.58×104m3,近5 年帶壓作業(yè)工作量匯總見表1。其中：按油水井劃分為油井90井次、水井10 井次；按機(jī)采井水驅(qū)、聚區(qū)、三元復(fù)合驅(qū)劃分為39 井次、25 井次、36 井次；按舉升方式劃分為抽油機(jī)井、螺桿泵井、電泵井分別為69井次、18井次、3井次。

表1 2017—2021年薩北區(qū)塊帶壓作業(yè)匯總

3.3 帶壓作業(yè)管理與做法

根據(jù)帶壓作業(yè)施工特點(diǎn)，結(jié)合轉(zhuǎn)帶壓井選井原則與井內(nèi)管柱現(xiàn)狀，緊跟區(qū)塊生產(chǎn)形勢，發(fā)揮帶壓技術(shù)優(yōu)勢，提升帶壓作業(yè)效果[8]，不斷豐富薩北區(qū)塊井下作業(yè)過程中高壓油水井的治理手段，積極完善井筒壓力異常井的處置辦法，努力把帶壓作業(yè)這塊“好鋼”用在刀刃上。

1）提高鑒定標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)帶壓效果。薩北區(qū)塊油井地層壓力以五類壓力為主，作業(yè)未成井平均井口壓力在3～4 MPa，此類井多數(shù)為大泵型、高產(chǎn)液井，其中三元復(fù)合驅(qū)井產(chǎn)油較高，水驅(qū)聚驅(qū)井產(chǎn)油較少。因此，為加大作業(yè)后恢復(fù)產(chǎn)量效果，減少無效循環(huán)，將轉(zhuǎn)帶壓指標(biāo)提高為“井口壓力3 MPa且影響油3 t 以上”，縮減非必要帶壓施工，做到非高壓、非高產(chǎn)、非措施井不轉(zhuǎn)。今年以來共減少轉(zhuǎn)帶壓井?dāng)?shù)20口，有效提升帶壓作業(yè)效果。

2）科學(xué)組織協(xié)調(diào)，合理安排計(jì)劃。針對部分措施井地質(zhì)情況復(fù)雜、地層壓力較大、“竄層”“氣頂”表征明顯，若采用放噴方法，放噴降壓周期過長，降壓效果難以保證，且影響措施項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)展。對于以上情況，可結(jié)合措施項(xiàng)目運(yùn)行進(jìn)度，擇優(yōu)排序、按需施工，優(yōu)先施工產(chǎn)能、壓裂、高產(chǎn)以及重點(diǎn)關(guān)注井，快速恢復(fù)生產(chǎn)，搶抓措施效果。截至目前共施工措施井27 口，高產(chǎn)井34 口，平均單井早投產(chǎn)36天，多恢復(fù)產(chǎn)油0.88×104t。

3）主動自噴降壓，節(jié)約帶壓費(fèi)用。某些機(jī)采井在常規(guī)作業(yè)施工時(shí)，井口噴勢異常，井口壓力上升至3 MPa 以上，但在歷次施工總結(jié)中均未查到壓力異常記錄，且其連通水井注入情況穩(wěn)定無變化。針對此種情況，可采取自噴生產(chǎn)降壓、控制連通井注入量、加強(qiáng)洗井量油等措施[9]，加密井口壓力監(jiān)測，當(dāng)壓力下降至符合要求時(shí)，及時(shí)調(diào)撥常規(guī)隊(duì)伍作業(yè)施工，避免帶壓資源浪費(fèi)。自2021 年以來高壓井降壓后轉(zhuǎn)撥常規(guī)隊(duì)伍作業(yè)井?dāng)?shù)8 口，節(jié)約費(fèi)用125 萬元。

4 應(yīng)用效果

4.1 實(shí)現(xiàn)了高壓產(chǎn)能井的保壓投產(chǎn)

油井A為北部過渡帶外擴(kuò)I區(qū)內(nèi)見效的一口抽油機(jī)井，預(yù)測產(chǎn)液12 t、產(chǎn)油4 t。在常規(guī)作業(yè)管輸射孔后井口壓力大，罐車放壓放出2 罐液（40 m3）后，套管開始返排天然氣，測量壓力11.5 MPa。關(guān)井2個月后二次作業(yè)，井口返氣停止，但井筒溢流量仍較大，24 m3罐車5 min 接近滿罐，估測流量約為4～5 m3/min，常規(guī)隊(duì)伍無法施工，為了加快北過I 期產(chǎn)能井投產(chǎn)進(jìn)度，決定該井轉(zhuǎn)為帶壓作業(yè)施工。轉(zhuǎn)帶壓后，項(xiàng)目組全面掌握該井基本情況，了解到本次施工目的為新井起補(bǔ)孔后下泵，歷次作業(yè)次數(shù)2次。第1次新井射孔后壓力大，終止；第2次搬家準(zhǔn)備，壓力大，未動管柱，終止。井內(nèi)管柱為62 mm 油管130 根、補(bǔ)孔槍若干根；井口為250 井口下半部+雙閘板+吊卡旋塞閥。地層壓力12.39 MPa，關(guān)井壓力4.82 MPa，屬于五類壓力。井場南側(cè)300 m 為東二干渠，周圍是春雷草場，屬于一般地區(qū)，井控風(fēng)險(xiǎn)為三級。根據(jù)以上情況，結(jié)合施工目的，項(xiàng)目組制定了相應(yīng)解決對策及現(xiàn)場施工指標(biāo)，針對井內(nèi)返排可燃?xì)怏w的情況，采用液壓投堵方式，要求在10 MPa 投送壓力下保持10 min，確保堵塞器封堵位置[10]；在起原井管柱時(shí)加密環(huán)空壓力監(jiān)測，當(dāng)井口油套環(huán)空壓力大于校核壓力時(shí)相應(yīng)減少游卡上提高度，防止油管彎曲。在現(xiàn)場施工中，項(xiàng)目組對搬家前洗井、液壓投堵、坐帶壓平臺、探砂面、罐車保起原井、限速下完井、拆帶壓平臺、收尾啟抽等14項(xiàng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)全程監(jiān)督并指導(dǎo)施工，按期完成了該口北過產(chǎn)能井的下泵投產(chǎn)施工任務(wù)。

4.2 實(shí)現(xiàn)了大溢流水井的穩(wěn)壓調(diào)層

水井B是北三西西北塊二類油層上返待層系調(diào)整的一口注入井，目前配注層段SII、SIII 層，配注量25 m3/d。在常規(guī)作業(yè)搬家準(zhǔn)備后，放壓40 余天，井口溢流量仍然較大，且溢流有溫度，壓井循環(huán)數(shù)次無效果。帶壓隊(duì)伍就位后，先用液壓投堵方式向管柱內(nèi)投堵，但觀察發(fā)現(xiàn)，油管內(nèi)仍有溢流，投堵失敗。項(xiàng)目組分析原因?yàn)樵摼蜷L期注水，管壁結(jié)垢，投堵器在輸送過程中造成密封膠筒磨損，加之溢流溫度較高，是投堵失敗的主要原因。針對液壓堵塞器下行過程中，過盈膠皮磨損的問題，項(xiàng)目組要求改用鋼絲投堵，保證堵塞器坐封后皮碗封堵良好，同時(shí)根據(jù)上次完井管柱情況，制定投送深度為974.7 m，即第1級封隔器以上第1根油管接箍位置，保證封堵效果[11]。采用鋼絲投堵后，經(jīng)觀察油管無溢流，投堵成功；然后通過防噴器組與游動、固定卡瓦不同開關(guān)狀態(tài)密封油套環(huán)形空間，平穩(wěn)起出井內(nèi)全部配水管柱，成功完成了該口二類油層上返井的層系調(diào)整施工任務(wù)。

4.3 補(bǔ)充了井下作業(yè)施工能力

帶壓作業(yè)不需壓井，不需放噴卸壓，所以它能夠最大限度地保持儲層壓力、減少儲層污染、縮短停產(chǎn)時(shí)間、提前恢復(fù)生產(chǎn)，最大程度降低油、水井作業(yè)對產(chǎn)量的影響。因此，帶壓作業(yè)也經(jīng)常應(yīng)用于異常高壓油井、大溢流注入井、氣量大井、低滲透高壓井、敏感區(qū)域井等復(fù)雜條件下的井下作業(yè)施工中[12]。在井下作業(yè)現(xiàn)場施工過程中，利用帶壓作業(yè)技術(shù)，快速對高壓高產(chǎn)問題井開展作業(yè)施工，第一時(shí)間恢復(fù)生產(chǎn)，搶抓產(chǎn)量主動權(quán)。在措施井運(yùn)行中，針對壓裂井壓裂后溢流大、產(chǎn)能井射孔后壓力大、拔堵井解封后管柱上頂?shù)惹闆r，若采用常規(guī)作業(yè)方式，作業(yè)施工難度大，環(huán)保壓力大，放噴周期長，措施效果難以得到保證；為了搶抓措施井效果，縮短躺井時(shí)間，通過帶壓作業(yè)技術(shù)，提前完井恢復(fù)投產(chǎn)，有效保證措施效果。5年來，薩北區(qū)塊應(yīng)用帶壓作業(yè)技術(shù)，共施工高產(chǎn)井56 口、措施井44 口，多恢復(fù)產(chǎn)油3.7×104t，多恢復(fù)注入2.9×104m3，與以往相比措施井平均提前21天起抽見效，完成了復(fù)雜井況、復(fù)雜環(huán)境下待作業(yè)井的施工任務(wù)，是薩北區(qū)塊井下作業(yè)施工能力的完善和補(bǔ)充。

5 結(jié)論

1）帶壓作業(yè)技術(shù)在薩北區(qū)塊的應(yīng)用，有效提高了異常壓力井的作業(yè)施工能力，降低了油層污染，改善了施工環(huán)境，加快了產(chǎn)量恢復(fù)進(jìn)度，保證了措施井投產(chǎn)時(shí)效，對區(qū)塊保持產(chǎn)量主動具有立竿見影的效果。

2）在轉(zhuǎn)帶壓選井過程中，可從帶壓作業(yè)單次施工投入至該井起抽后采出效益方面，核算本次帶壓作業(yè)施工的投入產(chǎn)出比，找到井口壓力、產(chǎn)量影響與帶壓作業(yè)成本之間的最優(yōu)關(guān)系，指導(dǎo)日后的轉(zhuǎn)帶壓選井工作。

3）針對起桿柱過程中，抽油桿密封裝置與扶正器、扶正短接的動密封不足問題，可開展技術(shù)攻關(guān)，研究抽油桿帶壓起下技術(shù)、小四通液壓密封抽油桿技術(shù)等，控制起桿時(shí)的油管內(nèi)噴勢，消除環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

4）在帶壓作業(yè)施工中，可與抽油機(jī)、螺桿泵井的防噴一體化工具緊密結(jié)合，針對部分壓力長期異常井，在完井前在泵底加下一套防噴一體化（帶捅桿），實(shí)現(xiàn)上提管柱即防噴，滿足日后常規(guī)隊(duì)伍施工要求，避免重復(fù)轉(zhuǎn)帶壓，節(jié)約作業(yè)成本。