吳俊霞， 黃建林， 岳 慧， 何漢平， 付道明

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029)

高含硫化氫油氣井普遍采用帶生產(chǎn)封隔器的一次性完井管柱[1-3]，封隔器可以封隔油套管環(huán)空，防止腐蝕性氣體進(jìn)入油套環(huán)空腐蝕套管內(nèi)壁和油管外壁，同時保護(hù)套管頭不承受額外的高壓，保證管柱能夠長期安全穩(wěn)定工作。AHR封隔器是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)封隔器，安全可靠。

S22井是國外Y油田的一口水平井，目的層為S油層，井深4 096.00 m，垂深2 940.45 m，水平段長約900 m，裸眼篩管完井，油層壓力約31 MPa，地層壓力系數(shù)1.2；H2S分壓0.032 MPa，CO2分壓0.61 MPa。S22的完井管柱采用帶AHR生產(chǎn)封隔器的酸洗、測試、生產(chǎn)一體化完井管柱，生產(chǎn)封隔器以下采用耐腐蝕合金管材，封隔器上部管柱安裝連接至地面加藥閥的毛細(xì)管線，加注防腐劑防止管柱腐蝕。為了降低成本，封隔器盡可能接近產(chǎn)層段，坐封在水平段?！奥漪~”卡在井深3 141.00 m 的φ144.3 mm篩管處，為了將“落魚”磨銑掉或推至人工井底，需解封封隔器，重新完井。采用了3種解封方案：1)上提油管解封；2)下入堵塞器，油管加壓解封封隔器；3)環(huán)空加壓解封封隔器。在油管抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，這3種方法均不能使封隔器解封。

筆者對大斜度段封隔器的解封載荷進(jìn)行模擬計(jì)算，提出利用地層壓力對封隔器的上頂力來輔助解封封隔器，與國內(nèi)外現(xiàn)有解封技術(shù)相比，簡化了封隔器解封工藝，提高了施工效率。

1 AHR封隔器工作原理

1.1 坐封工作原理

AHR封隔器是一種可取式液壓坐封井下裝置[4]，完井管柱下至預(yù)定位置后，向封隔器下面的工作筒內(nèi)下入堵塞器，對管柱進(jìn)行封堵(見圖1)；然后向油管內(nèi)泵入完井液加壓，壓力通過傳壓孔驅(qū)動活塞向上運(yùn)動，剪斷坐封銷釘使外筒上移，擠壓膠筒，推動下錐體上移脹開筒狀卡瓦并鎖在套管內(nèi)；卡瓦鎖定后，壓縮膠筒，使膠筒與套管充分密封，機(jī)械自鎖系統(tǒng)，活塞下部的內(nèi)鎖卡瓦咬合住心軸，使封隔器鎖定在坐封位置，實(shí)現(xiàn)永久坐封。

圖1 封隔器工作原理示意圖Fig.1 Working principle of packers

1.2 解封工作原理

解封時，上提油管串，帶動中心管上移，如圖1，達(dá)到一定拉力后剪斷解封銷釘，封隔器的活塞下移，膠筒回縮，下錐體下移，卡瓦歸位，完成解封過程(見圖1)。

也可以采取切割中心管來解封，但施工比較困難，風(fēng)險大。這種解封方法只作備選方案，一般不推薦使用。

2 解封失敗原因分析

2.1 上提解封失敗

S22完井生產(chǎn)管柱自上而下為：φ88.9 mm油管+井下安全閥+φ88.9 mm油管+氣舉閥+φ88.9 mm油管+滑套+加藥閥+φ88.9 mm油管+ AHR封隔器+φ88.9 mm油管+ No-Go工作筒+φ88.9 mm油管(見圖2)。AHR封隔器坐封在φ177.8 mm合金尾管末端井斜角80°的水平段，井深3 109.00 m處，接近油層頂部。入井前，根據(jù)后續(xù)作業(yè)的最大壓差，考慮到銷釘?shù)臏囟刃?yīng)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低10%和1.25的安全系數(shù)，設(shè)置封隔器解封力為441 kN，加藥閥以上采用材質(zhì) L80-1、線密度13.69 kg/m的油管，其額定抗拉強(qiáng)度921 kN。

圖2 S22管柱結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the string in Well S22

高酸性油氣井解封封隔器時井控風(fēng)險高[5]，作業(yè)施工前循環(huán)脫氣，不下堵塞器，下入滑套開關(guān)工具打開滑套，采用密度1.2 kg/L的鹽水反循環(huán)壓井，使井底液柱壓力與地層壓力平衡，關(guān)閉滑套，上提解封封隔器。當(dāng)井口上提力達(dá)到901.6 kN時，由于拉力大部分消耗在油管串和封隔器與套管間的摩擦上，封隔器不能解封。

2.2 下入堵塞器，油管加壓解封封隔器失敗

油管內(nèi)加壓，壓力作用在堵塞器上，使中心管受到向下的力，進(jìn)而剪切解封銷釘。井口加壓至41.4 MPa，經(jīng)計(jì)算，只能對解封銷釘產(chǎn)生187.2 kN剪切力，仍無法解封。

2.3 環(huán)空加壓解封封隔器失敗

根據(jù)封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，從環(huán)空加壓，產(chǎn)生一個作用在封隔器膠筒的作用力，最終作用在剪切銷釘上，使剪切銷釘受到向下的力。計(jì)算表明，如果加壓至20.7 MPa，則對解封銷釘產(chǎn)生的剪切力僅為175.4 kN，仍達(dá)不到封隔器的預(yù)定解封力441 kN。

3 利用地層壓力的“上頂力”輔助解封技術(shù)

3.1 封隔器在斜井段的受力分析

由于井斜，管柱在井筒中的受力情況較復(fù)雜，上提解封封隔器時，上提載荷除要克服管柱自重、封隔器設(shè)計(jì)的解封力外，還要克服油套間的摩擦阻力[6-11]。并且油管外有3根用鋼卡子卡在油管接箍上的毛細(xì)管線，增加了油管與套管的接觸面積，增大摩擦阻力，使傳遞到封隔器上的拉力大幅減小。

管柱主要受拉力、重力、摩擦力及套管壁對其的反作用力。截取1段管柱，對其進(jìn)行受力分析(見圖3和圖4)。

圖3 管柱受力分析示意Fig.3 Force analysis of the string

圖4 管柱軸向受力分析示意圖Fig.4 Axial force analysis of the string

管柱軸向受力為上下部管柱的拉力、管柱重力沿軸向的分力和摩擦力:

(1)

即：

(2)

由于封隔器在大斜度井段錨定，上提解封封隔器時，井口載荷除要克服管柱自重、油套間摩阻力外，還要克服封隔器自身預(yù)先設(shè)定的解封力。結(jié)合式(2)，導(dǎo)入封隔器需要的解封力，可推導(dǎo)出式(3)，以此迭代，得出井口所需要的提升載荷。

ρglμsinαi

(3)

式中：Fpf為封隔器設(shè)計(jì)解封載荷，N；A為封隔器內(nèi)筒與外筒間的環(huán)形橫截面積m2；ppt為作用在封隔器上部的壓力,Pa；ppb為作用在封隔器下部的壓力,Pa。

根據(jù)井內(nèi)管柱結(jié)構(gòu)、井斜數(shù)據(jù)、井內(nèi)流體和井筒溫度等參數(shù)，利用上述模型，進(jìn)行封隔器解封拉力模擬計(jì)算[3]，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，過提力為700 kN時，封隔器處軸向載荷441 kN，井口解封載荷約為1 000 kN才能解封。在油管的額定抗拉負(fù)荷內(nèi)，采取直接上提管柱解封封隔器的方式無法解封封隔器。

3.2 計(jì)算需掏空液柱高度

根據(jù)計(jì)算，在管柱的抗拉范圍內(nèi)，需要至少提供205 kN的上頂力，才能剪斷解封銷釘。

圖5 S22井不同過提力下的軸向載荷模擬計(jì)算結(jié)果Fig.5 Simulation results for axial forces under different overpull in Well S22

以封隔器的中心管為研究對象，進(jìn)行受力分析。為增大地層對封隔器中心管的作用面積，首先在油管內(nèi)下入堵塞器。掏空油、套管內(nèi)部分液柱，減小液柱對封隔器中心管的壓力，釋放部分地層壓力，合力向上推動中心管向上運(yùn)動，剪切解封銷釘。

1) 作用在油管底面的向上地層作用力計(jì)算公式為：

(4)

式中：F1地層為作用在油管底面上的向上的力，kN；pr為地層壓力，MPa(S22井取31.034MPa)；D為封隔器膠筒處中心管外徑，mm(S22井為117.7mm)。

2) 作用在封隔器中心管向下的液柱作用力為：

FL=FL1+FL2=0.001ρlgh(S1+S2)

(5)

式中：FL為封隔器中心管受到向下的液柱作用力，kN；FL1為油管內(nèi)液柱的作用力，kN；FL2為油套環(huán)空中液柱對封隔器的作用力，kN；ρl為液柱的密度，kg/m3；S1為油管內(nèi)截面積，mm2；S2為油套環(huán)空中封隔器中心管的截面積，mm2。

地層壓力與液柱對管柱的合力為：

F2=F1-FL

(6)

式中：F2為地層與液柱對管柱的合力。

計(jì)算可得,F2=205 kN。

將式(4)、式(5)代入式(6)，變換后可得：

(7)

3) 將數(shù)據(jù)代入式(7)，并進(jìn)行單位換算，得液柱高度h=1 292 m。

油井垂深2 940 m，需要掏空液柱高度為1 648 m。

計(jì)算表明，在油管內(nèi)下入堵塞器，掏空油、套管內(nèi)1 648 m的液柱，利用地層壓力向上推舉管柱，補(bǔ)償上提管柱解封封隔器時管柱抗拉強(qiáng)度不足的方法，在理論上是可行的。

4 現(xiàn)場施工

掏空油管、油套環(huán)空內(nèi)液柱，借助地層壓力向上推動管柱，輔助上提油管解封封隔器，該技術(shù)增大了井控風(fēng)險，施工過程前，需要制定周密的井控方案，確保風(fēng)險可控。具體施工步驟為：

1) 拆井口，安裝防噴器，環(huán)形防噴器與閘板防噴器配套使用，封閉油套環(huán)形空間;

2) 打開滑套，循環(huán)鹽水壓井;

3) 緩慢試提完井管柱，計(jì)算油管外固定的需要切割的控制管線和注入管線長度，并切割;

4) 用連續(xù)油管向管柱底部的No-Go工作筒和上部的工作筒中依次下入堵塞器，在油管內(nèi)形成2道屏障;

5) 用鋼絲下入滑套開關(guān)工具打開滑套，連續(xù)油管下至井深2 800 m，用氮?dú)庹h(huán)出油套環(huán)空中的液體61 m3，液柱高度約1 700 m，消耗液氮19 m3，產(chǎn)生約205 kN的上頂力，直接作用在解封銷釘上;

6) 關(guān)環(huán)形防噴器，上提管柱，上提至780 kN時，懸重突然降為420 kN，封隔器解封成功;

7) 封隔器解封后，迅速下放油管，將毛細(xì)管線下放到閘板防噴器之下，關(guān)閉閘板防噴器，打開環(huán)形防噴器，啟動壓井程序；壓井、溢流檢查，起鉆。

5 認(rèn)識與結(jié)論

1) 坐封在大斜度段的封隔器上提解封時，拉力損失大，井口拉力不能有效傳遞到封隔器的解封銷釘上，利用地層壓力輔助剪斷解封銷釘解封是一種有效解封方式，與其他方法相比，降低了作業(yè)風(fēng)險和難度，提高了成功率。

2) 封隔器解封存在一定的風(fēng)險，特別是含硫化氫油氣井在施工作業(yè)中，要全過程、全方位、多層面進(jìn)行安全控制，確保施工安全。

3) 在制定封隔器的解封方案前，必須分析清楚封隔器的工作原理，避免作業(yè)復(fù)雜化。

參考文獻(xiàn)
References

[1] 何漢平，吳俊霞，黃健林，等.伊朗雅達(dá)油田完井工藝[J].石油鉆采工藝，2012，34(4)：27-30.

He Hanping，Wu Junxia，Huang Jianlin，et al.Well completion technique in Yada Field in Iran[J].Oil Drilling & Production Technology，2012，34(4)：27-30.

[2] 古小紅，母建民，石俊生，等.普光高含硫氣井環(huán)空帶壓風(fēng)險診斷與治理[J].斷塊油氣田，2013，20(5)：663-666.

Gu Xiaohong，Mu Jianmin，Shi Junsheng，et al.Diagnosing and managing on risk of annular casing pressure in high-sulfur gas well of Puguang Gas Field[J].Fault-Block Oil & Gas Field，2013，20(5)：663-666.

[3] 張承武，賈海，喬雨，等.WELLCAT軟件的三超氣井完井設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].鉆采工藝，2013，36(6)：63-66.

Zhang Chengwu，Jia Hai，Qiao Yu，et al.Completion design optimization of ultra-temperature ultra-pressure ultra-deep gas well based on WELLCAT software[J].Drilling & Production Technology，2013，36(6):63-66.

[4] 呂芳蕾，伊偉鍇，衣曉光,等.高溫高壓封隔器性能試驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2014,43(7):77-80.

Lv Fanglei，Yi Weikai，Yi Xiaoguang，et al.Development and application of high temperature and high pressure packer performance test device[J].Oii Field Equipment，2014,43(7):77-80.

[5] 趙曉偉，王百，朱洪征，等.水平段封隔器解封力的分析[J].石油礦場機(jī)械，2013,42(7):35-38.

Zhao Xiaowei，Wang Bai，Zhu Hongzheng，et al.Analysis of the packer reopened force in the horizontal segment[J].Oil Field Equipment，2013，42(7):35-38.

[6] 艾池，于法浩，馮福平，等.帶封隔器的油套合壓管柱油管臨界排量計(jì)算[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：81-85.

Ai Chi，Yu Fahao，F(xiàn)eng Fuping，et al.Calculation of tubing critical pump rate while fricturing by both tubing and casing with packers[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(1)：81-85.

[7] 王志堅(jiān)，鄧衛(wèi)東，林忠超，等.水平井封隔器卡瓦的有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].石油鉆采工藝，2013，35(4):78-81.

Wang Zhijian，Deng Weidong，Lin Zhongchao，et al.Finite element analysis and structure improvements of packer slip in horizontal wells[J].Oil Drilling & Production Technology，2013，35(4)：78-81.

[8] 周曉君，段志明，趙磊，等.封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)關(guān)鍵幾何參數(shù)分析[J].石油機(jī)械，2014，42(4)：90-93.

Zhou Xiaojun，Duan Zhiming，Zhao Lei，et al.Analysis of the key geometric parameters for the locking mechanism of packer[J].China Petroleum Machinery，2014，42(4):90-93.

[9] 龐振力.準(zhǔn)確確定卡瓦式封隔器坐封位置的計(jì)算方法[J].油氣井測試，2013，22(5):70-71.

Pang Zhenli.Calculation method to accurately determine the location of slip-type packer[J].Well Testing，2013，22(5):70-71.

[10] 王金忠，肖國華，鄭貞，等.大斜度井逐級解卡錨定器研制與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2013，42(10):63-66.

Wang Jinzhong，Xiao Guohua，Zheng Zhen，et al.Development and application of step by step unfreezing anchor in highly deviated well[J].Oil Field Equipment，2013，42(10):63-66.

[11] 左凱，馬認(rèn)琦，陳永鋒，等.封隔器套銑打撈工具反循環(huán)打撈碎屑性能分析[J].石油機(jī)械，2013，41(10):75-78.

Zuo Kai，Ma Renqi，Chen Yongfeng，et al.Performance analysis of reverse circulation debris fishing with packer milling and fishing tool[J].China Petroleum Machinery，2013，41(10):75-78.