劉東明中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部

不壓井工藝在海洋油田不同管柱的應(yīng)用分析

劉東明
中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部

不壓井技術(shù)設(shè)備對(duì)其所起下的管柱結(jié)構(gòu)的要求嚴(yán)格，首先對(duì)海洋油田目前常見(jiàn)的各種生產(chǎn)管柱與該項(xiàng)工藝的適用性和受力情況進(jìn)行了分析，其次分別對(duì)帶電纜的生產(chǎn)管柱、帶射孔槍的管柱、氣舉生產(chǎn)管柱、射流泵生產(chǎn)管柱、壓裂管柱、自噴管柱、帶封隔器的完井管柱等在模擬海上油氣田井下環(huán)境的情況下進(jìn)行了起下作業(yè)。模擬實(shí)驗(yàn)表明：不壓井工藝可以在海上進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，但從井控角度考慮，對(duì)管柱上不帶有電纜等管線的生產(chǎn)管柱，要對(duì)其防噴器系統(tǒng)的密封性進(jìn)行改進(jìn)，以確保防噴器組的壓降控制在2%以內(nèi)。

不壓井；儲(chǔ)層保護(hù)；生產(chǎn)管柱；模擬實(shí)驗(yàn)

能量衰竭和保護(hù)儲(chǔ)層不被污染是油氣田開(kāi)發(fā)中必須面臨的2個(gè)問(wèn)題，而氣層和低滲油氣田對(duì)儲(chǔ)層的污染反應(yīng)更為敏感。同時(shí)，井下作業(yè)也是確保油氣田正常開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的重要手段之一。但常規(guī)的井下作業(yè)由于有外來(lái)液進(jìn)入儲(chǔ)層，因此，往往會(huì)伴隨著或多或少儲(chǔ)層的污染。不壓井作業(yè)技術(shù)，由于其在作業(yè)過(guò)程中沒(méi)有外來(lái)液進(jìn)入井筒，也就不會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層的污染，因此是解決這一問(wèn)題的有效手段［1］。然而，對(duì)海洋油田而言，其緊湊、集約式的生產(chǎn)、工作環(huán)境，以及嚴(yán)格的安全和環(huán)保要求又使得當(dāng)前不壓井作業(yè)中使用的設(shè)施和工藝要求難以滿足。因此，改進(jìn)當(dāng)前的不壓井設(shè)施和工藝成為其能否應(yīng)用到到海上油氣田勢(shì)在必行的道路。

1 不壓井作業(yè)技術(shù)簡(jiǎn)介Brief introduction to snubbing operations

不壓井作業(yè)是指在井筒內(nèi)有壓力存在的情況下，不放噴、不壓井，利用專門(mén)的管柱起下設(shè)備，并通過(guò)油管堵塞器與不壓井作業(yè)設(shè)備的配合使用，克服井筒上頂力，進(jìn)而完成生產(chǎn)或作業(yè)管柱的帶壓起出或者下入的一種作業(yè)方法［2］。不壓井作業(yè)時(shí)，油、套環(huán)空處于封閉狀態(tài)，油管內(nèi)用堵塞器，環(huán)空用防噴器來(lái)確保起下鉆期間，井筒內(nèi)壓力不會(huì)噴出到地面。

不壓井作業(yè)在我國(guó)的遼河油田、大慶油田、吐哈油田都有一定規(guī)模的應(yīng)用。國(guó)外諸如美國(guó)、加拿大等國(guó)的陸地油田也有應(yīng)用的報(bào)道。但在海上油氣田還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，或者還處在試驗(yàn)性階段。

2 海上不壓井作業(yè)適用性分析Applicability of snubbing operations in offshore fields

2.1海洋油田常見(jiàn)生產(chǎn)管柱類型

Conventional production strings in offshore oilfields

目前，海洋油氣田開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的生產(chǎn)管柱比較多，總體分兩大類：一類是用來(lái)采油、采水或采氣的生產(chǎn)管柱，另一類是用以維持儲(chǔ)層能量的注水、注氣等生產(chǎn)管柱。

一般而言，注水、注氣等管柱的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，整個(gè)管柱組合除了直徑不同的油管外，基本沒(méi)有像電纜、控制管線等。但生產(chǎn)管柱則相對(duì)要復(fù)雜的多?？傮w上，生產(chǎn)管柱可分為2種，即自噴生產(chǎn)管柱和具有人工舉升功能的生產(chǎn)管柱。不管是哪一種生產(chǎn)管柱，管柱組合上基本都有電纜、控制管線等，用以提供動(dòng)力、控制管柱上的相關(guān)工具、諸如藥劑、或者測(cè)試生產(chǎn)參數(shù)等。

2.2不同生產(chǎn)管柱下不壓井作業(yè)工藝適用性分析

Applicability analysis of non pressure well operation in different prodution pipe column

由于不壓井作業(yè)是帶壓作業(yè)，因此，井控是作業(yè)中最重要的一環(huán)。眾所周知，管柱內(nèi)的壓力可通過(guò)下入堵塞器來(lái)隔離，油套環(huán)空則需要通過(guò)防噴器來(lái)控制。就當(dāng)前油田常用的防噴器組而言，不規(guī)則的管柱外壁結(jié)構(gòu)，或管柱外攀附有電纜、控制管線時(shí)，井控通常比較困難，或者難以實(shí)現(xiàn)非常有效、且長(zhǎng)期的控制。而不壓井起下管柱作業(yè)，就是在關(guān)閉防噴器的情況下來(lái)實(shí)施。井控的難度就會(huì)較大一些。

表1是國(guó)內(nèi)目前海上油氣田常見(jiàn)的生產(chǎn)管柱，結(jié)合不壓井作業(yè)的技術(shù)和裝備特點(diǎn)進(jìn)行了不壓井作業(yè)可行性分析。

表1　海上油氣田常見(jiàn)的生產(chǎn)井進(jìn)行劃分［3］Table 1 Classification of conventional producers in offshore fields

2.3井內(nèi)管柱對(duì)不壓井設(shè)備的作用力分析

Forces of wellbore string on snubbing equipment

以垂直井深不超過(guò)3 000 m的氣井生產(chǎn)管柱的不壓井起下管柱作業(yè)為例來(lái)進(jìn)行分析。生產(chǎn)管柱選取有代表性的?73 mm、?88.9 mm和?114.3 mm等3種類型，井筒內(nèi)壓力值取常見(jiàn)的20 MPa。起下鉆作業(yè)時(shí)，不壓井設(shè)備來(lái)自管柱的作用力情況見(jiàn)表2。

實(shí)際上，在油氣田現(xiàn)場(chǎng)井下作業(yè)中，設(shè)備所承受的作用力還受到井斜、摩阻、井內(nèi)流體對(duì)管柱產(chǎn)生的浮力等因素的影響。因此，在實(shí)際工作時(shí)，要充分考慮全部影響因素。并通過(guò)專門(mén)的軟件進(jìn)行受力計(jì)算。

2.4井下管柱最大外徑分析

Maximum OD of downhole pipe strings

國(guó)內(nèi)海上油氣田的生產(chǎn)套管主要有?244.48 mm和?177.8 mm 2種，其對(duì)應(yīng)的最小內(nèi)徑分別在205.74 mm和154.94 mm左右。因此，生產(chǎn)管柱的最大外徑不能超過(guò)這2種生產(chǎn)套管的最小內(nèi)徑。若是用不壓井設(shè)備完成管柱起下，那設(shè)備的內(nèi)通徑應(yīng)大于244.48 mm和177.8 mm（海上油田常用的BOP組的內(nèi)通徑一般都是279.4 mm）。根據(jù)目前常規(guī)的工作要求，并便于管柱的起下，避免卡鉆，通常入井工具的最大外徑應(yīng)小于199.90 mm和152.4 mm。

表2　不壓井設(shè)備受力分析Table 2 Stress distribution on snubbing equipment

3 不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)Simulation of snubbing operations

為獲取較為詳細(xì)的資料，并更好地進(jìn)行分析，利用陸地油田的實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M不壓井作業(yè)下的井口裝置和防噴系統(tǒng)，以及井下油氣、壓力環(huán)境，并對(duì)不同的管柱帶壓起下。因?qū)嶒?yàn)在陸地完成，所以未考慮海上氣候環(huán)境。

3.1實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

Basic data

實(shí)驗(yàn)井井深150 m，套管外徑為244.48 mm（N80鋼級(jí)、 69.94 kg/m）的套管固井后試壓35 MPa；井筒介質(zhì)為自來(lái)水與氮?dú)獾幕旌弦?，混合比例?∶1；實(shí)驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)為0～20 MPa。

3.2實(shí)驗(yàn)裝備和井下工具

Experimental equipment and downhole tools

3.2.1實(shí)驗(yàn)裝備 不壓井作業(yè)系統(tǒng)由防噴器組、過(guò)渡管、強(qiáng)行起下裝置、編程傳感記錄系統(tǒng)、電/液動(dòng)力控制系統(tǒng)、打壓設(shè)備、遠(yuǎn)程控制臺(tái)等設(shè)施組成［4］。

3.2.2實(shí)驗(yàn)井下管柱和工具 為充分驗(yàn)證不壓井作業(yè)的可行性，實(shí)驗(yàn)選擇了7種具有代表性的管柱，分別為：壓裂管柱、帶電纜生產(chǎn)管柱、氣舉管柱和射孔管柱、射流泵生產(chǎn)管柱、自噴管柱、帶封隔器的完井管柱。根據(jù)管柱的功能不同，這些管柱上面分別連接有封隔器、射孔槍、座落接頭、變扣、震擊器、滑套、電潛泵機(jī)組、電纜、射流泵等工具。工具間用外徑為73 mm （N80、 9.67 kg/m）的油管或油管短節(jié)連接。工具最大外徑不大于199.90 mm，內(nèi)徑不小于58.75 mm。

3.3模擬實(shí)驗(yàn)

Simulation test

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖乔笞C不同生產(chǎn)管柱下，采用不壓井作業(yè)技術(shù)和裝備進(jìn)行起下作業(yè)（包括解封封隔器）等的可行性，并測(cè)試起下管柱期間，管柱上不同外徑工具和油管截面力的變化情況。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，首先通過(guò)試壓確保井筒和防噴器組的壓降控制在2%以內(nèi)。起下管柱時(shí)，安裝于井口的壓力傳感器采集井筒壓力并傳遞到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析整理后，在顯示器上顯示出壓力隨時(shí)間變化曲線和相應(yīng)的數(shù)值。井筒壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線如圖1所示。

圖1　井筒壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線Fig.1 Curves for real-time monitoring of wellbore pressures

3.4試驗(yàn)結(jié)果分析

Analysis of test results

圖1數(shù)據(jù)曲線是不同管柱下是壓力隨時(shí)間的變化曲線。壓力波動(dòng)的原因主要與井筒內(nèi)介質(zhì)的氣液比變化、管柱上起下入時(shí)與井壁產(chǎn)生的摩擦力、不壓井設(shè)備對(duì)管柱的上提力和下壓力，以及管柱起下時(shí)對(duì)井筒內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的激動(dòng)力等有關(guān)。

由于海上平臺(tái)作業(yè)時(shí)，不壓井設(shè)備要坐在井口，與常規(guī)作業(yè)時(shí)使用的BOP組相連接。而套管頭又是套管與防噴裝置之間的重要連接件。油氣井無(wú)井下作業(yè)時(shí)，套管頭不僅要承受除表層套管以外的其他套管的重量，還起著密封各層套管環(huán)空，承受套管環(huán)空壓力的作用［5-7］，對(duì)油氣井的安全起著關(guān)鍵的作用。

在井下作業(yè)時(shí)，套管頭除了承受BOP組的重量外，還將承受其他的重量。這些重量包括：管柱自身重量和不壓井設(shè)備的重量（G1+G2）、 管柱起下時(shí)對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生的激動(dòng)力F激、管柱下入時(shí)不壓井設(shè)備對(duì)作用在管柱上的下壓力F壓、管柱上提時(shí)不壓井設(shè)備對(duì)管柱的上提力F提、管柱起下時(shí)與井壁產(chǎn)生的摩擦力F摩等。因此，有必要對(duì)套管頭的承載進(jìn)行分析和計(jì)算。

以下入帶有封隔器的完井管柱為例來(lái)分析、計(jì)算管柱起下時(shí)井口套管頭需要額外承受的載荷。相應(yīng)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

從表3 可以看出，取井筒壓力值的平均值為18 MPa，計(jì)算得到起下完井管柱時(shí)，套管頭額外增加的最大重量F為19.6 t，是發(fā)生在封隔器解封時(shí)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）管柱和工具在起下時(shí)所受的截面力與管柱和工具的外徑無(wú)關(guān)。

（2）管柱上的封隔器在解封和通過(guò)不壓井設(shè)備的防噴器時(shí)，其受到的作用力會(huì)有明顯的升高。但其反作用在井口套管頭的最大作用力是在其解封時(shí)。其原因是，為封隔器解封所提供的作用力是由不壓井設(shè)備上的液壓系統(tǒng)來(lái)提供，因此會(huì)在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)曲線上顯示出來(lái)。這也與油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)相符。

（3）在對(duì)其他管柱的起下時(shí)也得到相似的結(jié)果。各種管柱的起下也十分順利。

表3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Table 3 Analysis of test data

4 結(jié)論及建議Conclusions and suggestions

（1） 不壓井作業(yè)模擬實(shí)驗(yàn)表明，可以在海上油田進(jìn)行不壓井作業(yè)的可行性實(shí)驗(yàn)研究。

（2） 對(duì)井型和管柱結(jié)構(gòu)適用性研究、分析表明，海上油田開(kāi)展不壓井作業(yè)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議先在注氣井、注水井等低風(fēng)險(xiǎn)的井上進(jìn)行試用，在取得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行深入研究。

（3） 海上油田的管柱類型較多，管柱結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，建議在使用不壓井作業(yè)技術(shù)時(shí)，要充分考慮管柱的結(jié)構(gòu)，對(duì)不壓井設(shè)備進(jìn)行必要的改進(jìn)，尤其是其防噴系統(tǒng)方面。

（4） 海洋油氣田環(huán)境的特殊性，以及對(duì)安全、環(huán)保的要求，防噴和井控是下一步對(duì)該項(xiàng)工藝能否切實(shí)應(yīng)用的重要研究對(duì)象。

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（修改稿收到日期 2016-02-11）

〔編輯 薛改珍〕

Application of snubbing process in different pipe strings in offshore oilfields

LIU Dongming
Oilfield Production Department， CNOOC Energy Technology & Services Limited， Tianjin 300450， China

Snubbing process and equipment present strict requirements for structures of pipe strings. In this study， analysis was made on commonly used production strings in offshore oilfields， together with suitability and forces of snubbing process. Then，tripping operations were conducted for production string with cables， pipe string with perforation guns， production string for gas-lifting operations， production string with jet pumps， pipe string for fracturing operations， pipe string for open flow development， completion pipe string with packer and other pipe strings in simulated dowehole conditions of offshore oil/gas fields. Results of simulation tests show that snubbing process can be tested and deployed in offshore oilfields. Sealing capacity of BOP system in production string with no cable shall be enhanced to ensure safety of relevant operations.

snubbing process； reservoir protection； production string； simulation test； BOP System

LIU Dongming. Application of snubbing process in different pipe strings in offshore oilfields［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 191-194.

TE931

B

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0191-04

10.13639/j.odpt.2016.02.012

劉東明（1974-），1999年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆修井作業(yè)技術(shù)相關(guān)工作，碩士，高級(jí)工程師。通訊地址：（300452）天津市濱海新區(qū)塘沽區(qū)營(yíng)口道938號(hào)。E-mail：liudm5@cosl.com.cn

引用格式：劉東明.不壓井工藝在海洋油田不同管柱的應(yīng)用分析［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：191-194.