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        高溫高壓注入封隔器的研制及在河南油田的應(yīng)用

        2014-04-27 07:08:18李廣志李軍芳潘二亮苗玉禮
        石油地質(zhì)與工程 2014年3期
        關(guān)鍵詞:膠筒銷釘洗井

        高 濤,李廣志,林 波,李軍芳,潘二亮,苗玉禮

        (1.中國(guó)石化河南油田分公司第一采油廠,河南桐柏474780;2.中國(guó)石化河南石油工程有限公司井下作業(yè)公司;3.中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院 )

        河南油田以前注入封隔器過(guò)程中,存在一些問(wèn)題:一是在注水過(guò)程中,由于水質(zhì)原因需要反洗井,但反洗井后,反洗井閥有的關(guān)不上;有的反洗井閥被腐蝕、磨損或密封件脫落導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán);還有的因洗井通道堵塞反洗不通。二是在對(duì)低孔低滲、堵塞污染嚴(yán)重的井進(jìn)行酸化作業(yè)時(shí),因酸化井施工壓力高(43 MPa)、施工時(shí)間長(zhǎng)(10 h以上),出現(xiàn)封隔器密封失效的問(wèn)題。三是在對(duì)3 500 m以下深井進(jìn)行壓裂施工作業(yè)時(shí),由于施工壓力高(90 MPa)、井溫高(139℃),封隔器出現(xiàn)密封失效的問(wèn)題。因此,開展了高溫高壓注入封隔器的研制和應(yīng)用工作,以適應(yīng)河南油田高溫高壓多種注入工藝的需要。

        圖1 Y341--115封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

        1 Y341-115注入封隔器的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)

        1.1 注入封隔器設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)

        在注入封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-3]時(shí),主要應(yīng)考慮:一是反洗井閥的打開與關(guān)閉應(yīng)可靠,二是膠筒應(yīng)耐高壓、耐高溫;三是活塞坐封面積應(yīng)大;四是鎖緊機(jī)構(gòu)應(yīng)保險(xiǎn);五是解封機(jī)構(gòu)應(yīng)用可靠;六是反洗井通道設(shè)計(jì)科學(xué)合理。經(jīng)反復(fù)論證研究,研制了Y341-115型高溫高壓注入洗井封隔器,其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

        (1)反洗井閥結(jié)構(gòu)。反洗井閥由上洗井閥體、下洗井閥體、復(fù)位彈簧、彈簧擋環(huán)等部件組成。這種組配方式,在復(fù)位彈簧作用下易于關(guān)閉;上洗井閥體與下洗井閥體結(jié)合密封部分為線接觸,這樣易于關(guān)閉和打開;上洗井閥體與下洗井閥體其材質(zhì)為特殊材質(zhì),并經(jīng)特殊熱處理,具有防腐、防垢和耐磨損等特性;這樣在洗井關(guān)閉與打開過(guò)程中,不存在密封件脫落的問(wèn)題。

        (2)耐高溫、高壓膠筒結(jié)構(gòu)。在密封膠筒組配中,有三膠筒、單膠筒組配方式。本封隔器采用兩膠筒組配方式,主要是采用進(jìn)口主料和優(yōu)化配置輔料,并根據(jù)不同井溫和壓力來(lái)調(diào)整膠筒邵氏硬度的大小,最終提高膠筒耐高溫高壓能力。

        (3)鎖緊和解封結(jié)構(gòu)。鎖緊結(jié)構(gòu)主要由鎖環(huán)、鎖套、鎖環(huán)座及坐封銷釘組成,首先鎖環(huán)與鎖套易于咬合;鎖環(huán)材質(zhì)采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼,鎖環(huán)與鎖套咬合力(抗滑力)要克服膠筒的回彈力,且要有足夠的安全余量;解封結(jié)構(gòu)的坐封銷釘剪斷力也要克服膠筒的回彈力,且要有安全余量,但其剪斷力不易過(guò)大,過(guò)大了解封負(fù)荷也要增加,因此,坐封銷釘?shù)拇笈c小十分重要。

        (4)反洗井通道結(jié)構(gòu)。反洗井通道結(jié)構(gòu)由內(nèi)中心管、外中心管、洗井進(jìn)液孔、洗井出液孔和下洗井閥體組成。內(nèi)中心管和外中心管之間間隙應(yīng)在保證其強(qiáng)度情況下而最大化,增加過(guò)流面積;洗井進(jìn)液孔銑成多個(gè)細(xì)小長(zhǎng)縫型,以防止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入洗井通道而堵塞,而洗井出液孔采用多個(gè)較大圓孔型,有利于及時(shí)排除洗井通道的雜質(zhì)。

        1.2 工作原理及特點(diǎn)

        (1)坐封原理。向油管打壓,當(dāng)壓力升到8 MPa左右時(shí),防中途坐封銷釘被剪斷,上洗井閥體、下洗井閥體、中鋼套、下活塞體、下鋼套、鎖套一起上行,壓縮膠筒,鎖環(huán)與鎖套進(jìn)行咬合,繼續(xù)升壓到15 MPa時(shí)(封隔器坐封活塞面積為100 cm2),這時(shí)膠筒承受15 t的壓縮力,完成坐封。

        (2)解封原理。上體管柱,借助膠筒與套管內(nèi)壁摩擦力(或過(guò)套管接箍)剪斷坐封銷釘,完成解封。

        (3)特點(diǎn):① 耐溫耐高壓,壓差60 MPa;耐溫140℃;②解封可靠,解封負(fù)荷≤6 t;③適用范圍廣,可實(shí)現(xiàn)分層壓裂、酸化和注水等多種用途施工作業(yè);④用于壓裂施工時(shí),中途遇到砂堵現(xiàn)象,可立即進(jìn)行反洗井,消除砂堵,洗井閥可重新關(guān)閉,繼續(xù)壓裂施工;⑤用于酸化時(shí),有防中途坐封機(jī)構(gòu),能實(shí)現(xiàn)正替工藝,使酸液快速到達(dá)目的層,提高酸化時(shí)效。

        2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        截止到2013年10月底,該注入封隔器在河南油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了9口井,其中,單層酸化3口井,三層分層壓裂2口井,三級(jí)四段分層注水4口,工藝成功率100%。壓裂井最大井深達(dá)3 700 m,泵車施工壓力高達(dá)90 MPa,最大排量5 m3/min,最高砂比達(dá)48%,且管柱安全起出。

        用于三層分層壓裂時(shí),井下管柱示意圖見圖2。其組成為:高壓水力錨、Y341-115封隔器、滑套噴砂器、底部坐封噴砂器、安全接頭等。通過(guò)投球打滑套可實(shí)現(xiàn)多層分層壓裂。壓裂工藝過(guò)程是:管柱下到設(shè)計(jì)位置后,先進(jìn)行反洗井,投φ28 mm鋼球,30 min后,緩慢打油壓,控制排量在500 L/min左右,并分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa各壓裂點(diǎn)穩(wěn)壓5 min,完成各級(jí)封隔器坐封(封隔器坐封活塞面積為100 cm2),繼續(xù)升壓18~20 MPa左右,有明顯壓裂突降現(xiàn)象,底部坐封噴砂器與油套連通,此時(shí)可開始?jí)毫咽┕ぁ5仍搶邮┕そY(jié)束后,投φ33 mm鋼球打開滑套噴砂器2,滑套和φ33 mm鋼球落在下面安全接頭里面,且密封,防止壓裂液下行。當(dāng)該層施工結(jié)束后,再投φ37 mm鋼球,如此下去,完成3層分層壓裂。為了保證安全起出管柱,必須做到兩點(diǎn),一是在每層施工結(jié)束后,最關(guān)鍵的是要精確計(jì)算頂替液量,切忌不可欠頂替;二是在放噴時(shí)要控制放噴速度。

        圖2 三層壓裂管柱示意圖

        用于三級(jí)四段分層注水時(shí),井下管柱見圖3。其組成為:偏心配水器、Y341-115注入封隔器、減震器、中部球座、篩管及絲堵。其工藝過(guò)程是:管柱下到設(shè)計(jì)位置后,先進(jìn)行反洗井,緩慢打油壓,并分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa各壓裂點(diǎn)穩(wěn)壓5 min,完成各級(jí)注入封隔器坐封,然后坐好注水井口完井,從油管內(nèi)進(jìn)行注水,各層根據(jù)偏心配水器里水嘴大小實(shí)現(xiàn)對(duì)各層分層注水。當(dāng)管柱有堵塞時(shí),可進(jìn)行反洗井,洗通后可繼續(xù)注水。

        用于單層酸化時(shí),井下管柱見圖4。其組成為:高壓水力錨、Y341-115注入封隔器、酸化開關(guān)及底部坐封器。其工藝過(guò)程是:管柱下到設(shè)計(jì)位置后,先進(jìn)行反洗井,如果酸化層堵塞嚴(yán)重,擠酸壓力高,可根據(jù)油管深度正替油管里的液體,投φ28 mm鋼球,等鋼球到達(dá)底部坐封器球座上時(shí),緩慢打油壓,并分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa各壓裂點(diǎn)穩(wěn)壓5 min,完成各級(jí)封隔器坐封,繼續(xù)升壓到18~20 MPa左右時(shí),壓力突降,油套連通,再投φ32 mm鋼球,等鋼球到達(dá)酸化球座上時(shí),緩慢升壓到15 MPa左右時(shí),壓力突降,鋼球和滑套下行到底部坐封隔器里,且密封,以防酸液下行。此時(shí)酸化開關(guān)與酸化層連通,這時(shí)向油管里擠入酸液,酸液很快就能到達(dá)油層,酸化施工完后,可進(jìn)行反洗井,洗出井筒殘酸液,防止二次污染,且有利于下步管柱起出,完成酸化施工過(guò)程。

        圖3 三級(jí)四段分層注水管柱示意圖

        3 結(jié)論

        (1)河南油田研制的Y341-115封隔器耐溫耐壓高,可滿足深井壓裂、酸化等工藝要求。該封隔器工藝成功率高,節(jié)約因返工修井作業(yè)成本。

        (2)封隔器反洗井閥打開與關(guān)閉密封可靠,提高注入工藝成功率。

        (3)該封隔器可廣泛用于壓裂、酸化、注水等注入工藝。

        圖4 單層酸化管柱示意圖

        [1] 羅躍綱.材料力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:91-120.

        [2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:88-90.

        [3] 羅英俊,萬(wàn)仁溥.采油技術(shù)手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005:543-550.

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