朱玉杰,秦金立,馮麗瑩

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101)

0 引言

分級(jí)注水泥器是分級(jí)固井工藝的關(guān)鍵工具,采用分級(jí)注水泥器進(jìn)行分級(jí)固井,可降低環(huán)空靜液柱壓力,減少注水泥作業(yè)中發(fā)生井漏的可能性,降低施工壓力,縮短一次注水泥施工時(shí)間,有利于提高固井質(zhì)量[1-4].常規(guī)分級(jí)注水泥器在關(guān)閉循環(huán)孔后,需下入鉆具鉆除內(nèi)部附件,以便于后續(xù)作業(yè)的實(shí)施.當(dāng)分級(jí)注水泥器規(guī)格尺寸大于φ177.8 mm時(shí),在固井結(jié)束后鉆井隊(duì)一般采用現(xiàn)有的φ127.0 mm鉆具即可進(jìn)行后續(xù)鉆除作業(yè);而當(dāng)分級(jí)注水泥器規(guī)格尺寸小于φ177.8 mm時(shí),還需再組織φ88.9 mm小鉆具進(jìn)行后續(xù)鉆除作業(yè).目前,國(guó)內(nèi)大多數(shù)油氣井采用φ139.7 mm套管作為油層套管.而當(dāng)進(jìn)行分級(jí)固井作業(yè)時(shí),固井后需下入小鉆具鉆除φ139.7 mm分級(jí)注水泥器的內(nèi)部附件.由于鉆具規(guī)格小,鉆壓和扭矩難以施加,在鉆除過(guò)程中,往往出現(xiàn)鉆偏、鉆漏及鉆除時(shí)間長(zhǎng)等現(xiàn)象,影響分級(jí)注水泥器的密封能力.此外,分級(jí)注水泥器在附件鉆除后其內(nèi)通徑很難達(dá)到套管通徑,進(jìn)而影響后期通井工具和壓裂工具的下入.這些情況的發(fā)生,不僅延長(zhǎng)了完井周期,同時(shí)也大大增加了鉆井成本[5-7].

為解決分級(jí)注水泥器的附件鉆除問(wèn)題,國(guó)內(nèi)多家公司開(kāi)發(fā)了免鉆除分級(jí)注水泥器,固井結(jié)束后其內(nèi)部附件在可在重力作用下自行滑至井底,無(wú)需再下鉆鉆除附件,從而可避免鉆后密封失效和井眼不暢等情況的發(fā)生[8].但該類(lèi)型分級(jí)注水泥器只適用于直井,不能適用于斜井和水平井,具有一定的使用局限性.此外,中石化勝利鉆井院等單位研發(fā)了一種適用于水平井篩管頂部注水泥工藝的可撈式分級(jí)注水泥器,但該類(lèi)型可撈式分級(jí)注水泥器由于有內(nèi)部盲板結(jié)構(gòu)的存在,只能適用于下部裸眼完井、上部固井的完井方式,不能用于分級(jí)固井作業(yè)[9-12].

隨著各種特殊井況和新型工藝的出現(xiàn),分級(jí)注水泥器在水平井中的應(yīng)用越來(lái)越多[13-15],且國(guó)內(nèi)還未有適用于水平井的無(wú)需鉆除附件的分級(jí)注水泥器,基于此,本文開(kāi)發(fā)了一種適用于水平井完井用的φ139.7 mm可撈式分級(jí)注水泥器.

1 可撈式分級(jí)注水泥器技術(shù)研究

1.1 結(jié)構(gòu)原理

可撈式分級(jí)注水泥器工具總成主要由可撈式分級(jí)注水泥器單元及配套的重力型打開(kāi)塞、關(guān)閉塞和打撈爪組成.分級(jí)注水泥器單元主要由上接頭、打撈套、滑脫剪釘、關(guān)閉套、本體、內(nèi)套、定位卡簧、打開(kāi)套、密封圈、滑脫剪釘和下接頭組成,如圖1所示.其中:打撈套上設(shè)計(jì)有鋸齒形機(jī)構(gòu),用于和打撈爪配合;關(guān)閉套和打開(kāi)套內(nèi)徑設(shè)計(jì)為套管通徑,內(nèi)套與打開(kāi)套和關(guān)閉套之間設(shè)計(jì)有大間隙,并通過(guò)大間隙密封圈實(shí)現(xiàn)密封,這樣保證了內(nèi)部附件能夠順利提出井口,實(shí)現(xiàn)套管串全通徑.

圖1 可撈式分級(jí)注水泥器結(jié)構(gòu)

可撈式分級(jí)注水泥器的工藝原理:1)注完第1級(jí)水泥后,釋放撓性塞,頂替泥漿,當(dāng)撓性塞碰壓后,釋放井口壓力,并投入重力型打開(kāi)塞.待重力型打開(kāi)塞靠自由落體坐入內(nèi)套后開(kāi)泵加壓,打開(kāi)循環(huán)孔,建立循環(huán)并循環(huán)出分級(jí)注水泥器以上的多余水泥漿.2)注完第2級(jí)水泥后,釋放關(guān)閉塞,頂替泥漿,當(dāng)關(guān)閉塞坐入分級(jí)注水泥器的內(nèi)套上后,繼續(xù)加壓,剪斷滑脫剪釘并關(guān)閉循環(huán)孔;同時(shí)防退卡簧彈入本體卡簧槽內(nèi),可以有效防止關(guān)閉套退回,確保分級(jí)注水泥器關(guān)閉的可靠性,此時(shí)關(guān)閉套實(shí)現(xiàn)永久關(guān)閉.3)固井結(jié)束后,下入打撈管串連接打撈爪至分級(jí)注水泥器位置,當(dāng)懸重突然下降時(shí)說(shuō)明打撈爪下入到位,打撈爪插入打撈套內(nèi).上提打撈管串,內(nèi)套上移一段距離后,定位卡簧彈入內(nèi)套的卡簧槽內(nèi),通過(guò)上提下放判斷內(nèi)部附件是否提脫,打撈狀態(tài)如圖2所示.判斷打撈成功后,起出打撈工具管串,管內(nèi)實(shí)現(xiàn)全通徑(見(jiàn)圖3).

固井后分級(jí)注水泥器內(nèi)部附件一次性提出井口,減少了修井作業(yè)時(shí)間及成本;完井管柱內(nèi)通徑大且內(nèi)表面光滑通暢,保障了后續(xù)作業(yè)的順利實(shí)施,改善了作業(yè)效果.

圖2 打撈內(nèi)部附件狀態(tài)

圖3 附件提出后全通徑狀態(tài)

1.2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.2.1 打撈機(jī)構(gòu)

打撈爪和打撈套是可撈式分級(jí)注水泥器的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一,是承受打撈過(guò)程中軸向載荷的主要部件.打撈爪(見(jiàn)圖2)在插入打撈套時(shí),與打撈套形成齒對(duì)齒配合,需不斷經(jīng)過(guò)先收縮后彈開(kāi)的過(guò)程,直至完全嵌入進(jìn)打撈套為止,打撈爪與打撈套形成連接,通過(guò)齒形嚙合形成軸向抗拉能力.根據(jù)打撈爪的工作原理,打撈爪必須具備2項(xiàng)基本性能:首先,打撈爪插入打撈套過(guò)程中,在連續(xù)的收縮、彈開(kāi)后不會(huì)收縮變形;其次,打撈爪與打撈套之間形成拉載荷時(shí),打撈爪具有足夠強(qiáng)度保證嚙合可靠性.因此,采取以下措施提高打撈機(jī)構(gòu)的可靠性:

1)打撈爪與打撈套設(shè)計(jì)負(fù)角度錐形齒形,錐形齒形可保證打撈爪插入時(shí)爪肋徑向變形量小,負(fù)角度齒形保證軸向受拉時(shí)各齒咬合更加可靠.

會(huì)后，組織參觀了西虹橋1號(hào)能源站分布式供能系統(tǒng)，提升了與會(huì)者對(duì)因地制宜利用空氣源熱泵與水源熱泵串級(jí)技術(shù)、水蓄能技術(shù)互補(bǔ)融合，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，提高能源綜合效率的感性認(rèn)識(shí)。

2)優(yōu)選打撈爪材料及熱處理加工工藝,提高打撈爪的材料強(qiáng)度,保證打撈爪插入時(shí)應(yīng)力小于材料屈服極限,不會(huì)發(fā)生塑性變形.

1.2.2 大間隙密封裝置

分級(jí)注水泥器內(nèi)套與打開(kāi)套、關(guān)閉套之間設(shè)計(jì)有至少4 mm的間隙,如何保證其密封是關(guān)鍵.根據(jù)分級(jí)注水泥器工作原理可知,內(nèi)套與打開(kāi)套、關(guān)閉套之間的密封裝置只需承受來(lái)自頂部的壓力,故選擇密封裝置只要求為單向大間隙密封即可.大間隙密封圈的工作原理是依靠其張開(kāi)的唇邊貼于密封副偶合面 (見(jiàn)圖4).無(wú)壓力時(shí),僅僅因唇尖的變形而產(chǎn)生很小的接觸壓力.在壓力作用下,通過(guò)密封圈上部的變形,在密封圈唇的周?chē)a(chǎn)生拉伸-壓縮應(yīng)力,這就使密封唇被推向金屬的表面,產(chǎn)生接觸應(yīng)力.隨著液壓力的增加,密封唇邊形值也隨之增大,接觸壓力也就增大,這樣就產(chǎn)生自封的效果.

圖4 大間隙密封示意

為滿(mǎn)足該分級(jí)注水泥器的應(yīng)用條件,對(duì)大間隙密封圈和密封槽進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)密封能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明,大間隙密封圈密封能力達(dá)到35 MPa,滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)施工要求.大間隙密封技術(shù)既保證了內(nèi)部附件的順利提出,又保證了分級(jí)注水泥器處無(wú)縮徑,保證了后期作業(yè)的實(shí)施.

1.3 技術(shù)參數(shù)

可撈式分級(jí)注水泥器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1,適用水平井(φ139.7 mm套管完井).

表1 可撈式分級(jí)注水泥器主要技術(shù)參數(shù)

1.4 關(guān)鍵施工工藝及預(yù)案

1.4.1 壓膠塞替漿技術(shù)

可撈式分級(jí)注水泥器的施工工藝和常規(guī)工具有所不同,為實(shí)現(xiàn)打撈機(jī)構(gòu)在套管內(nèi)的順利提出,保證施工成功率,對(duì)整個(gè)施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究,提出了專(zhuān)用的壓膠塞替漿技術(shù),主要對(duì)施工過(guò)程用的液體進(jìn)行了研究及調(diào)整.

2)替漿液.可撈式分級(jí)注水泥器用于套管完井作業(yè)中,為避免施工結(jié)束后再進(jìn)行洗井作業(yè),替漿液主要用清水取替了鉆井液.利用清水替漿也為工具提出部分的順利打撈提供了有力條件.

3)內(nèi)置液.一級(jí)替漿過(guò)程中,在分級(jí)注水泥器位置以上1 m3、下3 m3需替入特制的內(nèi)置液,該內(nèi)置液類(lèi)似壓塞液,內(nèi)部含有一定的黏度、切力和抗高溫穩(wěn)定的材料,避免鉆井液或水泥漿中固相顆粒在靜壓作用下侵入分級(jí)注水泥器,堵塞密封件與內(nèi)套之間的間隙.

1.4.2 施工風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)案

可撈式分級(jí)注水泥器的打開(kāi)和關(guān)閉動(dòng)作原理與常規(guī)分級(jí)注水泥器相同,當(dāng)遇到循環(huán)孔打不開(kāi)或關(guān)不上等問(wèn)題時(shí),施工預(yù)案與常規(guī)分級(jí)注水泥器解決方法相同.除此之外,可撈式分級(jí)注水泥器存在的施工風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)案為:

1)內(nèi)部附件水泥固結(jié)造成提出困難.首先,固井過(guò)程中在分級(jí)注水泥器位置替入特制內(nèi)置液,預(yù)防水泥固結(jié),即盡量避免鉆井液或水泥漿中固相顆粒堵塞分級(jí)注水泥器內(nèi)部的間隙,造成提出困難.其次,如果發(fā)生水泥固結(jié)現(xiàn)象,則在打撈工具下入到位前,邊下邊循環(huán),盡量循環(huán)出分級(jí)注水泥器打撈套內(nèi)部雜質(zhì),保證打撈爪順利插入打撈套.如不能順利插入,則可旋轉(zhuǎn)打撈管柱,磨銑打撈套內(nèi)殘留水泥.

2)附件無(wú)法提出.打撈工具下入到位后,如多次上提到允許最大載荷仍不能提出內(nèi)部附件,則可正轉(zhuǎn)起出打撈工具,下入鉆具鉆除內(nèi)部附件,內(nèi)部附件均采用可鉆除材料,具有較好的可鉆性.

2 性能評(píng)價(jià)及入井試驗(yàn)

為檢驗(yàn)可撈式分級(jí)注水泥器的各項(xiàng)功能和性能,在樣機(jī)試制后,進(jìn)行了地面性能試驗(yàn),包括打開(kāi)前整體密封試驗(yàn)、打開(kāi)試驗(yàn)、關(guān)閉試驗(yàn)、內(nèi)部附件打撈試驗(yàn)以及關(guān)閉后的密封性能試驗(yàn).表2為其中2次的試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)結(jié)果表明,研制的φ139.7 mm可撈式分級(jí)注水泥器的整體密封能力達(dá)到35 MPa;循環(huán)孔打開(kāi)、關(guān)閉動(dòng)作正常;關(guān)閉后密封能力達(dá)到35 MPa;內(nèi)部附件可順利提出.可撈式分級(jí)注水泥器的各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

表2 可撈式分級(jí)注水泥器性能試驗(yàn)結(jié)果

可撈式分級(jí)注水泥器完成地面性能試驗(yàn)后,在中油能源發(fā)展公司JJSY-2H井完成了入井試驗(yàn).JJSY-2H井為一口水平井,井深2 200 m,水平段長(zhǎng)400 m,φ139.7 mm可撈式分級(jí)注水泥器下深1 500 m,下深位置井斜15°.工具順利下到預(yù)定位置后,投入打開(kāi)塞憋壓8.5 MPa打開(kāi)循環(huán)孔,關(guān)閉塞泵送到位后憋壓5.7 MPa成功關(guān)閉循環(huán)孔,最后下入φ88.9 mm油管打撈管串,到位后上提35 kN成功打撈出內(nèi)部附件 (見(jiàn)圖5).試驗(yàn)后分級(jí)注水泥器內(nèi)徑達(dá)到套管通徑,后續(xù)工具可順利通過(guò).入井試驗(yàn)結(jié)果較好地驗(yàn)證了可撈式分級(jí)注水泥器的可靠性.

圖5 內(nèi)部附件打撈出井口

3 結(jié)論

1)φ139.7 mm可撈式分級(jí)注水泥器通過(guò)下入打撈工具將內(nèi)部附件一次性提出井口,解決了水平井固井后附件鉆除存在的隱患,具有管柱內(nèi)通徑大、密封效果好等優(yōu)點(diǎn),為后續(xù)作業(yè)提供了可靠的井眼條件,可適用于斜井和水平井,具有廣闊的應(yīng)用前景.

2)地面試驗(yàn)和入井試驗(yàn)結(jié)果表明,可撈式分級(jí)注水泥器的整體密封能力及關(guān)閉后的密封能力達(dá)到35 MPa,內(nèi)部附件可順利提出,各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

3)建議擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模,進(jìn)一步驗(yàn)證和提高工具的可靠性,早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,為國(guó)內(nèi)水平井易滲透地層固井及油氣藏開(kāi)發(fā)的降本增效提供技術(shù)支撐.