劉德正 單茂青 呂選鵬 王玉忠 馬田力 (渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)分公司)

電磁波控制井下安全閥在氣井中的成功應(yīng)用

劉德正 單茂青 呂選鵬 王玉忠 馬田力 (渤海鉆探井下技術(shù)服務(wù)分公司)

導(dǎo)致地面控制井下安全閥 (SCSSSV)失效的最常見原因是,從地面到井下安全閥的液壓控制管線出現(xiàn)故障,這些故障不僅造成油氣井產(chǎn)量損失,而且還需要進(jìn)行費(fèi)用昂貴的修井作業(yè)。為了解決這類問題,國外研制出一種通過地面發(fā)射裝置不斷向井下發(fā)送電磁波信號(hào),以控制井下安全閥的控制系統(tǒng)來取代原來的液壓管線控制系統(tǒng),并且新開發(fā)的控制系統(tǒng)具有故障保護(hù)功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí),地面、井下設(shè)備易于安裝,安全閥工作性能良好,自動(dòng)防故障系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,安全可靠;況且電磁波傳送功能強(qiáng)大,兼容性好。該項(xiàng)技術(shù)投入成本低,不需修井作業(yè)和改裝井口就能安全有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化完井,為延長老油田壽命提供了新的方法。

氣井完井管柱 井下安全閥電磁波

法國的Lacq氣田在1951年至1957年開發(fā)期間,解決了天然氣中含15%H2S和10%CO2引起的金屬管材腐蝕問題。1967年后期,Lacq氣田附近3個(gè)同樣狹長形狀的氣田也投入了開發(fā)。在1968年至 1982年期間,氣產(chǎn)量達(dá)到約 33×106m3/d,4個(gè)氣田產(chǎn)出的天然氣均集中在Lacq氣田處理。

自1957年以來,這些氣田氣井壓力不斷下降,從70 MPa降至2 MPa,目前已處于開發(fā)末期,最后1口氣井在1990年末完成。20世紀(jì)80年代早期,在Meillon和Saint Faust氣田開始出現(xiàn)了不穩(wěn)定的產(chǎn)水量,由于水處理問題,導(dǎo)致開發(fā)成本較高。此外,不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)不允許適時(shí)地反復(fù)關(guān)閉閥門,因此靠流速來控制的井下安全閥在一些井上已不能再使用。

為了延長氣井壽命,使采收率最大化,法國Total E&P公司開發(fā)了一種新型的地面控制井下安全閥 (SCSSSV),來取代井下控制安全閥(SSCSV)和失效的地面控制井下安全閥,而無需進(jìn)行修井作業(yè)。但這種方法存在的問題是,當(dāng)需要在生產(chǎn)層段注入表面活性劑時(shí),必須要通過修井作業(yè)或井口改裝工作才能在生產(chǎn)管柱上安裝坐放短節(jié)和注入裝置。

1 技術(shù)需求

目前,油田在用的井下安全閥有兩種:一種是井下控制安全閥,該裝置需要根據(jù)每口井近期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)設(shè)定關(guān)井流量,可用鋼絲繩起下,但其越來越不符合安全規(guī)程;另一種是地面控制井下安全閥,它們的流量單獨(dú)設(shè)定,可在地面進(jìn)行開關(guān)井測(cè)試,并具有故障保護(hù)功能,分為油管輸送回收和鋼絲繩輸送回收兩種[1]。油管輸送回收安全閥是生產(chǎn)管柱的組成部分,在完井期間與油管和其他井下設(shè)備一起下井安裝,安全閥直接與液壓控制管線相連;鋼絲繩輸送回收安全閥有大量諸如單孔鎖定心軸在內(nèi)的固定元件[2],液壓控制管線和安全閥 (DHSV)之間是靠機(jī)械連接[3],易出現(xiàn)液壓漏失事故。

利用電磁波控制井下安全閥取代液壓管線控制系統(tǒng),可以很好地解決液壓管線漏失問題,有效地避免了修井作業(yè)[4]。

2 無管控制設(shè)計(jì)

眾所周知,在地面利用電磁波技術(shù)可以控制井下工具。電磁波無管控制新技術(shù)是根據(jù)電磁波單向傳播、單向遙測(cè)原理,利用1臺(tái)雙向收發(fā)器、天線以及連接井口、天線和收發(fā)器的低阻抗電纜等地面設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)井下安全閥的控制。收發(fā)器是1臺(tái)可在接地點(diǎn)和井筒之間產(chǎn)生低頻震蕩電流的電流發(fā)生器,低頻震蕩電流通過油管、套管向下傳播,最終被井下安全閥的接收器接收。

低頻震蕩電流的振幅大小取決于地面設(shè)備,并因地層的衰減作用隨深度增加而降低。因此,井下安全閥的深度主要由地層電阻率、套管尺寸、井身結(jié)構(gòu)以及叢式井組井間距離來決定?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明,深度在150 m左右比較容易實(shí)現(xiàn)。

3 井下工具設(shè)計(jì)

液壓地面控制井下活瓣式安全閥已被證實(shí)既可靠又經(jīng)濟(jì),使用壽命能超過30年,所以電磁波地面控制井下安全閥也采用了瓣閥設(shè)計(jì)。安全閥主要分為液壓控制閥和液壓動(dòng)力裝置 (HPU)兩部分。液壓控制閥由瓣閥、流管、活塞以及確保5 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)閥門機(jī)械關(guān)閉的回位彈簧組成;液壓動(dòng)力裝置位于瓣閥之下,由電泵、常開電子閥、電池組和位于底部的絕緣天線 (同時(shí)起機(jī)械扶正器作用)組成。安全閥采用瓣閥設(shè)計(jì) (圖1)是因?yàn)樗悄壳按_保井下安全最適合的方法。

圖1 井下設(shè)備

4 故障保護(hù)功能

電磁波地面控制井下安全閥的地面控制、井下控制和傳輸三部分都設(shè)計(jì)了故障保護(hù)功能。電磁波收發(fā)器由1個(gè)內(nèi)置電子狗的可預(yù)編程微型控制器控制,液壓動(dòng)力裝置由1個(gè)常開電子閥和內(nèi)置電子狗的微型控制器共同控制[4]。電磁波收發(fā)器不斷向井下安全閥發(fā)送信號(hào),使緊急關(guān)閉閥保持開啟狀態(tài),一旦信號(hào)消失緊急關(guān)閉閥立即關(guān)閉。在叢式井組中,為避免叢式井射孔作業(yè)產(chǎn)生的電磁波對(duì)井下安全閥的干擾,采用了“無線電沉默”技術(shù)。該技術(shù)使井下安全閥即使在一定時(shí)間內(nèi)沒有接收到電磁波信號(hào)仍然保持開啟,如果之后仍未接收到任何電磁波信號(hào),井下安全閥才關(guān)閉。

5 主要技術(shù)特點(diǎn)

安裝電磁波地面控制井下安全閥不需要修井或改裝井口工作,只需鋼絲作業(yè)和單孔鎖定技術(shù)就可以將井下安全閥安裝在生產(chǎn)管柱的任意深度坐放短節(jié)上。與常規(guī)井下安全閥一樣,為使地面下入的普通鋼絲能接觸到瓣閥,將液壓動(dòng)力裝置安裝在瓣閥下方,這種結(jié)構(gòu)適用于所有尺寸的安全閥,并可使通過安全閥的流體流量最大化。這些設(shè)計(jì)均采用成熟技術(shù),降低了生產(chǎn)和管理成本。

電磁波地面控制井下安全閥是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)適用技術(shù),主要優(yōu)點(diǎn)有:

◇在現(xiàn)有完井方式中,不論井下安全閥、流量控制裝置的類型與使用年限,用簡單的鋼絲作業(yè)就可以完成更換作業(yè)。

◇起出井下安全閥坐放短節(jié),下入毛細(xì)管并用單孔鎖定技術(shù)在毛細(xì)管上部安裝一個(gè)新的安全閥,就可以實(shí)現(xiàn)井底化學(xué)劑、泡沫或氣體的安全注入。

◇這種安全閥使作業(yè)者在叢式井側(cè)鉆時(shí)更加安全,從而降低在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)的保險(xiǎn)費(fèi)用。

6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)過2年的開發(fā),2005年工程公司生產(chǎn)了一個(gè)外徑4 in(1 in=25.4 mm)的樣機(jī)來驗(yàn)證產(chǎn)品的可行性和可靠性。2006年初,簽訂了該產(chǎn)品在LA106井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)6個(gè)月的協(xié)議。協(xié)議要求作業(yè)方負(fù)責(zé)井場(chǎng)準(zhǔn)備、鎖緊心軸的提供和現(xiàn)場(chǎng)鋼絲作業(yè),工程公司負(fù)責(zé)樣機(jī)及配件的提供和試驗(yàn)過程中的技術(shù)指導(dǎo)。

2006年3月上旬,試驗(yàn)小組對(duì)安全閥在常規(guī)坐放短節(jié)中的安裝程序和井下電磁波信號(hào)的接收質(zhì)量進(jìn)行了驗(yàn)證,激活的陰極保護(hù)對(duì)電磁波傳送效果無任何影響。計(jì)劃在第一個(gè)3個(gè)月測(cè)試期之前完成對(duì)所發(fā)現(xiàn)問題的改進(jìn)工作。

改進(jìn)的樣機(jī)于2006年7月初下井,預(yù)計(jì)電池工作時(shí)間為3個(gè)月。從下井操作和性能測(cè)試結(jié)果來看,試驗(yàn)小組認(rèn)為井下安全閥獨(dú)立工作3個(gè)月沒有問題;但8周后,因鈹銅環(huán)產(chǎn)生的氧化沉積物沉積在流管上堵塞了流管,井下安全閥不能正常工作,被迫將其從井內(nèi)起出更換。

2007年11月初重新進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),預(yù)計(jì)電池獨(dú)立工作時(shí)間為100天,但裝好安全閥后,由于電池電量耗盡,安全閥自動(dòng)關(guān)閉了98天。經(jīng)過對(duì)安全閥進(jìn)行維修保養(yǎng)、重新安裝后,又開始了為期3個(gè)月的試驗(yàn)。1個(gè)半月后由于電子閥螺線管接頭電路短路,試驗(yàn)中斷。后來對(duì)電子閥進(jìn)行了改進(jìn),再次將安全閥裝在LA106井進(jìn)行了3個(gè)月試驗(yàn),試驗(yàn)獲得成功。

7 推廣應(yīng)用

該技術(shù)在含15%H2S氣井中累計(jì)進(jìn)行了9個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過在坐放短節(jié)上進(jìn)行井下安全閥安裝10次、開關(guān)50個(gè)周期和10次泄漏測(cè)試的試驗(yàn)證實(shí),地面、井下設(shè)備易于安裝,安全閥工作性能良好,自動(dòng)防故障系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,安全可靠;同時(shí)也證實(shí)了電磁波傳送功能強(qiáng)大,與陰極保護(hù)兼容性好。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間,工程公司對(duì)安全閥進(jìn)行了批量生產(chǎn)。為31/2in和41/2in油管專門設(shè)計(jì)了兩種尺寸的安全閥,外徑分別為69 mm和94 mm,內(nèi)徑分別為33 mm和51 mm,長度分別為0.87 m和0.99 m。配套了有故障保護(hù)功能的液壓動(dòng)力裝置,單電池組和雙電池組配置長度分別為2.1 m和2.9 m,工作時(shí)間可達(dá)9個(gè)月。在不久的將來,工程公司計(jì)劃為海上單腿平臺(tái)所用的井下安全閥進(jìn)行商業(yè)化配置,以擴(kuò)大這種新型安全閥的應(yīng)用范圍。下一步準(zhǔn)備開發(fā)用于叢式井和深海井的電磁波傳送裝置。

2008年,作業(yè)人員將在 Lacq、Meillon和Saint Faust氣田啟動(dòng)一項(xiàng)試點(diǎn)安裝工程,準(zhǔn)備安裝10個(gè)井下安全閥,余下的計(jì)劃在2009年安裝。安裝時(shí),一般都是用單孔鎖定軸將井下安全閥固定在油管坐放短節(jié)下方;如果氣井中安裝了用于井底注表面活性劑的毛細(xì)管,井下安全閥將固定在油管坐放短節(jié)的上方。

8 結(jié)論

電磁波地面控制井下安全閥是一種無液壓控制管線、能獨(dú)立控制流量的新型鋼絲作業(yè)裝置,它不需修井作業(yè)就能安全有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化完井。該技術(shù)投入成本低,不需起下管柱的修井作業(yè),為延長老油田壽命提供了新的方法。在生產(chǎn)管柱發(fā)生控制管線泄漏或堵塞時(shí),它可以在修井作業(yè)前提供一種即時(shí)的補(bǔ)救方法,維持氣井繼續(xù)生產(chǎn)。該裝置不受現(xiàn)場(chǎng)叢式井側(cè)鉆施工影響,在叢式井組鄰井側(cè)鉆施工時(shí),也能保證生產(chǎn)井的安全。

總之,在各種復(fù)雜情況下,它都可以有效地減少油氣井產(chǎn)量損失,為用戶提供經(jīng)濟(jì)、可靠的解決辦法。

[1]張夢(mèng)婷,張勇.國外井下安全閥的技術(shù)現(xiàn)狀[J].石油機(jī)械,2008,36(7):81-84.

[2]周大偉,鐘功祥,梁政.國內(nèi)外井下安全閥的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(3):14-16.

[3]Smith.Downhole safety valve[R].U S:2006/0157255 A1.2006.

[4]Karen Bybee.Improving well safety with an innovative surface-controlled subsurface safety valve[J]. J PT,2009:75-77.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.017

2010-04-01)