李雪松

(中石化石油機(jī)械股份有限公司研究院,湖北武漢430223)

中國(guó)油氣井壓裂井口保護(hù)器技術(shù)現(xiàn)狀

李雪松

(中石化石油機(jī)械股份有限公司研究院,湖北武漢430223)

油氣井壓裂井口保護(hù)器的作用是在油氣井酸化、增產(chǎn)壓裂過程中保護(hù)井口裝置不被壓裂液沖刷和腐蝕,避免為滿足酸壓而選用高級(jí)別的井口,從而節(jié)約成本。比較國(guó)內(nèi)現(xiàn)有幾類油氣井壓裂井口保護(hù)器的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn),結(jié)果表明現(xiàn)有井口保護(hù)器均采用膠筒組與管內(nèi)表面密封,位置位于油管掛處,最終限制了保護(hù)器的通徑尺寸,使大型壓裂專用工具不能通過保護(hù)器;且常規(guī)井口保護(hù)器的最高壓力級(jí)別大多在70MPa左右,低于頁巖氣壓裂施工中的壓力等級(jí),不能用于非常規(guī)油氣的增產(chǎn)作業(yè)。針對(duì)存在問題提出了改變常規(guī)井口保護(hù)器密封方式及位置的技術(shù)措施。建議中國(guó)應(yīng)盡早著手研發(fā)適用于頁巖氣等非常規(guī)油氣的專用壓裂井口保護(hù)器。

保護(hù)器;壓裂;井口;井口保護(hù);頁巖氣

井口裝置是油氣井最上部控制和調(diào)節(jié)油氣生產(chǎn)的主要設(shè)備,由套管頭、油管頭和采油樹3部分組成,也可以用于酸化壓裂、注水、測(cè)試等各種措施作業(yè),是油氣鉆采裝備中最關(guān)鍵的安全設(shè)備之一,也是油田作業(yè)中使用數(shù)量最大、種類最多的設(shè)備。井口裝置的設(shè)計(jì)要求隨地層、環(huán)境、井壓、油氣成分等因素的不同而有所差異。

低滲透儲(chǔ)層為了改善油層供液能力通常采用壓裂酸化等增產(chǎn)措施,增大近井地帶的滲透性,提高油氣產(chǎn)量。但在酸化壓裂時(shí),高壓的工作液會(huì)對(duì)井口裝置造成沖刷和腐蝕,為保證井口的作業(yè)安全,不得不選用高壓力級(jí)別的井口,這就必然增加了井口的成本。

歐美等西方國(guó)家井口裝置的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和檢測(cè)等技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平,其產(chǎn)品規(guī)格全、性能先進(jìn)、安全可靠性高。中國(guó)在該類裝備的研發(fā)方面起步較晚,在技術(shù)水平和產(chǎn)品性能方面仍處于低、中端位置,特別是陸地高壓采油、采氣井口仍依賴進(jìn)口。這些都導(dǎo)致油氣井井口成本的增加。

為節(jié)約成本,油田在進(jìn)行酸化壓裂作業(yè)時(shí),常采用壓裂井口保護(hù)器,將高壓流體與井口裝置隔開,將井口保護(hù)起來,不被壓裂液沖刷和腐蝕。這樣不僅避免了選擇高級(jí)別井口,且施工結(jié)束后拆下的井口保護(hù)器仍可反復(fù)使用,對(duì)降低油氣井成本具有重要意義,也是油氣井井口保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。

1 國(guó)內(nèi)壓裂井口保護(hù)器技術(shù)進(jìn)展

國(guó)內(nèi)在井口保護(hù)器的研制與應(yīng)用方面已歷經(jīng)多年實(shí)踐和探索,先后出現(xiàn)了幾種不同結(jié)構(gòu)型式的壓裂井口保護(hù)器。

1.1 KYS-100型壓裂井口保護(hù)器

新疆石油管理局采油工藝研究院2002年研制的KYS-100型壓裂井口保護(hù)器(圖1)由聯(lián)接法蘭、提升管線總成、外筒、上接頭、平衡閥、滑管及密封圈組成。工作原理是通過提升管線總成注入、打壓液壓油,驅(qū)動(dòng)滑管下行和上提,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)器的密封和解封[1]。

KYS-100型壓裂井口保護(hù)器(簡(jiǎn)稱保護(hù)器)的特點(diǎn)在于滑管為整體式滑管結(jié)構(gòu),滑管前部外表面直接裝有密封圈。但保護(hù)器的安裝高度過高,現(xiàn)場(chǎng)安裝操作不方便,對(duì)安裝高度有要求的井口不適用;保護(hù)器的坐封位置為密封皮碗進(jìn)入油管密封,這種密封結(jié)構(gòu)是管內(nèi)表面密封,保護(hù)器的通徑小。

該保護(hù)器最高工作壓力為70MPa,配合3?2in壓裂管柱,在扎那若爾油田進(jìn)行多次應(yīng)用,總體效果較好,但其存在無放壓設(shè)備、發(fā)生意外時(shí)保護(hù)器無法取出的風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。

1.2 LH-BHQ70/50型大通徑壓裂井口保護(hù)器

遼河石油勘探局2007年針對(duì)蘇里格氣田專門開發(fā)了LH-BHQ70/50型大通徑壓裂井口保護(hù)器和帶有井口密封短節(jié)的KQ65/103-35型壓裂采氣井口的一整套壓裂井口保護(hù)技術(shù)。

該保護(hù)器結(jié)構(gòu)如圖2所示[5],其由保護(hù)器本體、滑套、平衡總成、提升總成、本體法蘭、密封短節(jié)等組成。工作原理是通過壓裂泵向井內(nèi)注入液體帶動(dòng)滑套下行,經(jīng)過1號(hào)閘閥后進(jìn)入密封短節(jié)內(nèi),在壓力的作用下自動(dòng)密封。壓裂完成后通過啟動(dòng)提升總成上提滑套,解封保護(hù)器。平衡總成用于控制上下壓力腔的壓力來控制滑套的升降[6]。

該類型井口保護(hù)器的特點(diǎn)是采用了獨(dú)立的密封短節(jié),密封短節(jié)螺紋連接在油管掛上,這種結(jié)構(gòu)有利于縮短保護(hù)器的整體高度,便于安裝和施工。保護(hù)器坐封位置位于油管掛上部,密封方式是管內(nèi)表面密封,通徑尺寸仍然不能滿足大型壓裂、下放橋塞和連續(xù)油管等作業(yè)要求。額定工作壓力為70MPa,僅能滿足常規(guī)油氣田的增產(chǎn)壓裂作業(yè)。

1.3 液壓坐封井口保護(hù)器

2012年中國(guó)石油天然氣股份有限公司申請(qǐng)獲得了“液壓坐封井口保護(hù)器”專利。該保護(hù)器主要由套管、活塞管、轉(zhuǎn)動(dòng)桿、三通、彎頭、缸筒、滑管、膠筒、扶正片、平衡管線、液壓馬達(dá)、液壓管線和法蘭式封堵等組成(圖3)[7]。

在酸化壓裂前將井口保護(hù)器安裝于采油樹清蠟閥門上部。第一液壓管線輸送壓力驅(qū)動(dòng)活塞管帶動(dòng)滑管下行至下極限位置。轉(zhuǎn)動(dòng)桿與活塞管通過正六方體結(jié)構(gòu)連接,帶動(dòng)活塞管和滑管轉(zhuǎn)動(dòng)。滑管下端的膠筒在油管掛下部因摩擦密封于雙公短節(jié)上。井口保護(hù)器在下極限位置時(shí),活塞管的進(jìn)液孔與三通的進(jìn)液孔貫通,壓裂液從彎頭進(jìn)入活塞管、滑管和雙公短節(jié)。酸化壓裂結(jié)束后,通過液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)解封膠筒,通過平衡管線使活塞管上提,恢復(fù)初始狀態(tài)。

該井口保護(hù)器的先進(jìn)之處在于其采取側(cè)面進(jìn)液的方式,可以在壓裂前進(jìn)行接口管匯壓力試驗(yàn)和密封組件試壓試驗(yàn),確保密封結(jié)構(gòu)的可靠性;但保護(hù)器坐封方式仍采用常規(guī)的膠筒密封形式,坐封位置在油管掛下部的雙公短節(jié)處,密封方式屬于管內(nèi)表面密封,因此該類型保護(hù)器通徑尺寸仍然受到其密封方式的限制。

1.4 電液聯(lián)控井口保護(hù)器

江漢石油管理局井下測(cè)試公司設(shè)計(jì)的電液聯(lián)控井口保護(hù)器結(jié)構(gòu)原理與中國(guó)石油天然氣股份有限公司的液壓坐封井口保護(hù)器相近(圖4)[8],該電液聯(lián)控井口保護(hù)器具有控制單元,包括轉(zhuǎn)角編碼器、傳感器和液壓控制系統(tǒng)。

壓裂施工時(shí),保護(hù)器通過處于井場(chǎng)安全區(qū)的液壓控制系統(tǒng)(控制柜)控制。轉(zhuǎn)角編碼器用于測(cè)量轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)角度并顯示在控制柜操作面板上;位置傳感器將滑管的位置傳遞并顯示在控制柜操作面板上;面板上還設(shè)置了兩個(gè)手動(dòng)閥,分別控制液壓缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)方向和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,活塞的運(yùn)動(dòng)速度和液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速分別由各自的調(diào)速閥來調(diào)節(jié);面板還能實(shí)時(shí)顯示液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角并監(jiān)控油箱內(nèi)和采油樹內(nèi)的壓力。

電液聯(lián)動(dòng)井口保護(hù)器與其他類型井口保護(hù)器相比,增加了對(duì)保護(hù)器工作過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能,能夠?qū)钊\(yùn)動(dòng)位置、進(jìn)液孔方向及壓裂泵壓和采油樹壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并設(shè)有超壓報(bào)警功能;操作面板上的人機(jī)交互界面也使調(diào)節(jié)操作更為簡(jiǎn)單方便。

該保護(hù)器的密封方式是膠筒膨脹密封在油管掛下的油管內(nèi),屬于管內(nèi)表面密封方式,所以其仍然無法在通徑尺寸上實(shí)現(xiàn)突破。

2 存在問題及建議

中國(guó)的壓裂井口保護(hù)器技術(shù)已日趨成熟,在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也越來越廣泛,效果顯著。然而隨著非常規(guī)油氣田的出現(xiàn),其開采復(fù)雜性及長(zhǎng)水平井和大型水力壓力技術(shù)使得現(xiàn)有壓裂井口保護(hù)器無法滿足作業(yè)要求,存在的問題和不足已日益凸顯出來。

(1)現(xiàn)有井口保護(hù)器的坐封方式均采用膠筒組與管內(nèi)表面密封,坐封位置位于油管掛處,且承壓鋼管的壁厚大,這些因素最終限制了保護(hù)器的通徑尺寸。

對(duì)于常規(guī)的油氣井來說,此類保護(hù)器尚可滿足要求,但對(duì)于非常規(guī)油氣如頁巖氣的開采而言,現(xiàn)有保護(hù)器通徑尺寸較小,射孔橋塞聯(lián)作工具和連續(xù)油管鉆橋塞等專用工具不能穿過保護(hù)器,無法滿足下放橋塞和連續(xù)油管等要求。

(2)常規(guī)井口保護(hù)器的最高壓力級(jí)別大多在70MPa左右,而頁巖氣井大型壓裂施工中的壓力等級(jí)高達(dá)105MPa,常規(guī)井口保護(hù)器可能會(huì)出現(xiàn)密封失效等問題,不能用于非常規(guī)油氣的增產(chǎn)作業(yè)。

針對(duì)現(xiàn)有壓裂井口保護(hù)器存在的問題和不足,提出以下建議:

一是從改變常規(guī)保護(hù)器的密封方式上實(shí)現(xiàn)突破,如將常規(guī)保護(hù)器膠筒組與管內(nèi)表面密封的方式改成端面密封方式,使保護(hù)器的通徑尺寸與套管內(nèi)徑一致,真正實(shí)現(xiàn)大通徑、大排量。

二是改變壓裂井口保護(hù)器的坐封位置,將上法蘭與壓裂井口裝置相連,使壓裂保護(hù)芯筒穿過油管頭主通徑,與套管頭坐封,將高壓壓裂液與油管頭隔開,降低油管頭的壓力等級(jí)。

3 前景展望

從國(guó)內(nèi)外油氣田的開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來看,無論是常規(guī)油氣的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),還是非常規(guī)油氣(如頁巖氣)的開發(fā),水平井+大型壓裂技術(shù)都是油氣開采的必然選擇。射孔橋塞聯(lián)作、連續(xù)油管作業(yè)及大型壓裂技術(shù)均是頁巖氣等非常規(guī)油氣藏開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。目前現(xiàn)有油氣井壓裂井口保護(hù)器無論從結(jié)構(gòu)上還是承壓級(jí)別上,都無法滿足非常規(guī)油氣的開發(fā)需求[9-17]。

面對(duì)常規(guī)及非常規(guī)油氣的發(fā)展趨勢(shì),以及中國(guó)頁巖氣專用井口保護(hù)器技術(shù)領(lǐng)域的空白現(xiàn)狀,建議中國(guó)應(yīng)盡早著手研發(fā)適用于頁巖氣等非常規(guī)油氣的專用壓裂井口保護(hù)器。

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Technical Status of Wellhead Protector for Oil and Gas Well Fracturing Presently in China

Li Xuesong
(Research Institute of Sinopec Oilfield Equipment Corporation,Wuhan,Hubei 430223,China)

The function of wellhead protector for oil and gas well fracturing is to protect wellhead device,prevent it from being washed and corroded in the process of acidizing and fracturing,avoid to choose the high pressure-rating wellhead that used to meet the need of acid fracturing,so as to save the cost.Compared with the structure,working principle and characteristics of current several kinds of wellhead protectors for oil and gas well fracturing in China,the results showed that existing wellhead protectors are sealed by rubber tube on inner surface of pipe,the position is located in the tubing hanger, which restricts the bore size of protector,so,the special tools for large scale fracturing can′t pass through the protector. Moreover,the maximum pressure level of conventional wellhead protector is only 70 MPa,and lower than the pressure level in the process of shale gas fracturing,preventing it from being used to the stimulation of unconventional oil and gas.In the paper,the technical measures to change the sealing method and position of conventional protectors are proposed,and suggested that China should be early developed the special wellhead protectors for unconventional oil and gas fracturing,e.g. shale gas.

protector;fracturing;wellhead;wellhead protection;shale gas

TE931

:A

李雪松(1986年生),助理工程師,現(xiàn)從事石油井下工具產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)工作。郵箱:275851802@qq.com。