崔文昊， 蘇祖波， 康　健， 韓光順， 呂億明， 朱洪征

(1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司第十采油廠，甘肅慶陽 745110)

長慶油田水平井受多段壓裂、注水開發(fā)影響，隨著開發(fā)周期延長，見水井逐年增多，部分水平井見水后含水率快速上升、產(chǎn)油量突降，嚴(yán)重影響了開發(fā)效果。截至2017年底，長慶油田含水率大于80%的水平井超過總井?dāng)?shù)的20%，亟需應(yīng)用水平井找堵水技術(shù)恢復(fù)油井產(chǎn)能。針對常規(guī)生產(chǎn)測井技術(shù)不適應(yīng)長慶油田低液量的問題[1-4]，研究了水平井機(jī)械找水技術(shù)，初步形成了“機(jī)械封隔、逐段拖動、分段測試”的拖動管柱找水技術(shù)[5-9]，解決了低液量水平井找水的難題。但是，前期采用的皮碗封隔器受井深和工具性能等因素影響，存在不適應(yīng)長水平段水平井的問題。為此，筆者通過模擬井下環(huán)境的室內(nèi)試驗(yàn)，得到了皮碗封隔器下深界限，并對Y211型拖動壓裂封隔器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)選膠筒材料，研制了Y211-1型和Y211-2型找水封隔器，同時(shí)研制了可在水平段重復(fù)坐封的Y111型找水封隔器，形成了新型水平井拖動管柱找水技術(shù)，解決了長水平段水平井找水的難題。

1　皮碗封隔器應(yīng)用現(xiàn)狀及下深界限確定

1.1　水平井拖動管柱找水工藝現(xiàn)狀

前期針對不同見水特征的水平井，研究形成了單封和雙封2種拖動管柱找水工藝，采用的皮碗封隔器基本滿足了低液量水平井找水的需求。

1.1.1單封拖動管柱找水工藝

單封拖動找水管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　單封拖動找水管柱結(jié)構(gòu)Fig.1　Pipe string of single-packer water detection by dragging

其工藝原理為：將封隔器下至待測射孔段上部坐封，多段抽汲(自流)生產(chǎn)測試，通過遞減法計(jì)算每段的產(chǎn)液量及含水率，判斷主要出水層段。

工藝特點(diǎn)：1)采用一套封隔器和智能開關(guān)器即可實(shí)現(xiàn)一趟管柱多層段找水測試；2)不受測試井產(chǎn)液量限制；3)出水層段反應(yīng)明顯，找水效率高，套返井單井找水測試周期1～3 d，抽汲井單段找水測試周期2～3 d。

1.1.2雙封拖動管柱找水工藝

雙封拖動找水管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　雙封拖動找水管柱結(jié)構(gòu)Fig.2　Pipe string of dual-packer water detection by dragging

其工藝原理為：采用雙封隔器將待測射孔段封隔，拖動管柱逐段抽汲生產(chǎn)，可定量測試各段的產(chǎn)液量及含水率，確定出水層段。

工藝特點(diǎn)為：1)雙封隔器封隔、單段生產(chǎn)，測試不受層間干擾；2)拖動管柱換層、逐段抽汲，量化出水層段液量、含水率；3)單段找水測試周期1～3 d。

1.1.3Z331型皮碗封隔器的結(jié)構(gòu)與性能

Z331型皮碗封隔器主要依靠皮碗與套管內(nèi)壁的過盈接觸和井內(nèi)壓差來達(dá)到封隔油套環(huán)空的目的，完成測試后直接上提并起出管柱。

封隔器鋼體最大外徑116.0 mm，長度500.0 mm，皮碗最大外徑131.0 mm，內(nèi)通徑60.0 mm，適用內(nèi)徑124.3 mm的套管，承壓35.0 MPa，最大工作溫度120.0 ℃。

1.2　存在的問題

1) 隨著水平段長度不斷增加，同時(shí)高含水井套管壁有砂、垢沉積，造成皮碗封隔器膠筒磨損，導(dǎo)致3口井測試失敗(平均井深3 277.00 m)。

2) 起出皮碗封隔器后發(fā)現(xiàn)膠筒基本脫落，這會給后期采取堵水措施時(shí)清潔井筒帶來困難。

1.3　皮碗封隔器下深界限的確定

為了明確皮碗封隔器的適用條件，有針對性地開展找水措施，對其下深界限進(jìn)行了研究。通過室內(nèi)磨損試驗(yàn)確定皮碗封隔器在拖動時(shí)與套管過盈配合的使用極限，試驗(yàn)采用“伺服電機(jī)+滾珠絲杠”實(shí)現(xiàn)皮碗磨損性能測試。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

在常溫常壓、空氣介質(zhì)條件下對2套皮碗封隔器進(jìn)行磨損試驗(yàn)及不同磨損距離下的承壓試驗(yàn)。2套皮碗封隔器下深為1 500.00，2 000.00，2 500.00，3 000.00和3 500.00 m時(shí)的累計(jì)磨損量和承壓能力見表1。

圖3　皮碗封隔器試驗(yàn)裝置Fig.3　Cup packer test apparatus

表1　皮碗封隔器磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1　Wear test data ofthe cup packer

由表1可知：隨著封隔器下深增加，皮碗磨損量也增加，當(dāng)下深為3 000.00 m時(shí)單邊累計(jì)磨損量接近2.00 mm，但承壓仍達(dá)25.0 MPa；當(dāng)下深達(dá)到3 500.00 m時(shí)，累計(jì)磨損量超過2.00 mm，由于皮碗封隔器起密封作用的區(qū)域主要在碗口，封隔器坐封后密封區(qū)域變短，承壓已不能滿足找水需求；若存在套管變形或封隔器偏心，則易造成密封不可靠甚至失效。因此，皮碗封隔器單邊累計(jì)磨損量不宜超過2.00 mm。綜合磨損試驗(yàn)結(jié)果并考慮到安全系數(shù)不能小于1.2，確定皮碗封隔器的下深界限為2 500.00 m。

2　長水平段水平井拖動找水管柱設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)依據(jù)

針對皮碗封隔器在拖動管柱找水時(shí)存在的問題，需研究一種可下入長水平段水平井、對后期井筒處理不造成影響的找水技術(shù)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水平井拖動壓裂管柱比較成熟，該管柱采用的Y211型拖動壓裂封隔器承上壓差達(dá)70.0 MPa，具有機(jī)械錨定、壓縮封隔、多次重復(fù)坐封且密封可靠的特點(diǎn)，單趟管柱施工能力更強(qiáng)，降低了后期作業(yè)處理井筒的難度[9-12]。因此，可借鑒水平井拖動管柱壓裂工藝，實(shí)現(xiàn)長水平段水平井拖動管柱找水。

2.2　設(shè)計(jì)思路

1) 單封拖動找水管柱。將Y211型封隔器連接在管柱下部，通過上提下放實(shí)現(xiàn)封隔器的坐封與解封，坐封后油管與封隔器下部射孔段連通，抽汲或自流生產(chǎn)，測試每段的產(chǎn)液量及含水率，定性判識出水層段，適用于井口壓力高的套返井。管柱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　Y211型單封拖動找水管柱結(jié)構(gòu)Fig.4　Pipe string of Y211 single-packer water detection by dragging

2) 雙封拖動找水管柱。將Y111型封隔器與Y211型封隔器自上而下連接，下至設(shè)計(jì)位置后，通過上提下放坐封Y211型封隔器，繼續(xù)下放坐封Y111型封隔器,2封隔器坐封后抽汲兩封隔器之間的射孔段，測量其產(chǎn)液量及含水率，確定出水層段。管柱結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　Y111型+Y211型雙封拖動找水管柱Fig.5　Pipe string of Y111+Y211 dual-packer water detection by dragging

3) 特點(diǎn)。與前期拖動找水管柱相比，壓縮式封隔器在拖動時(shí)膠筒損傷小，無需配套井下智能開關(guān)器，管柱更簡單，可降低后期作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3　需解決的關(guān)鍵問題

對拖動找水管柱進(jìn)行了受力分析，如圖6所示(圖6中：p1為Y111型封隔器上部壓力，MPa；p3為Y211型封隔器下部壓力，MPa；p2為2個(gè)封隔器之間的壓力，MPa)。

圖6　雙封拖動找水管柱受力分析示意Fig.6　Force analysis diagram of dual-packer pipe string water detection by dragging

分析可知，找水前p1≈p2≈p3，找水時(shí)p2≤p1≈p3。因此，雙封拖動管柱找水時(shí)Y111型封隔器需承受上壓差，Y211型封隔器需承受下壓差。而Y211型拖動壓裂封隔器要實(shí)現(xiàn)找水工藝，需解決以下問題：1)該封隔器承受下壓差不足10.0 MPa，而雙封拖動找水時(shí)下層液體不能進(jìn)入管內(nèi)，膠筒需承受下層壓力；2)需研制可在水平段重復(fù)坐封、易解封的Y111型拖動找水封隔器。

3　關(guān)鍵工具的研制

3.1　Y211-1型單封拖動找水封隔器

對于單封拖動找水管柱，Y211型拖動壓裂封隔器可以滿足要求，但找水時(shí)上壓差一般不大于25.0 MPa，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，將膠筒由承壓能力較強(qiáng)的材料改為承壓能力較弱的材料。

Y211-1型單封拖動找水封隔器主要由平衡閥、膠筒、卡瓦、摩擦塊、換向槽和導(dǎo)向絲堵(帶孔)等組成，如圖7所示。

圖7　Y211-1型找水封隔器結(jié)構(gòu)示意Fig.7　Structural diagram of Y211-1 water detection packer

封隔器鋼體最大外徑116.0 mm，長度1 750.0 mm，可承上壓差25.0 MPa，可承下壓差10.0 MPa，可坐封載荷50.0 kN，可解封負(fù)荷30.0 kN，可重復(fù)坐封30次，最大工作溫度110.0 ℃。

工作原理為：入井時(shí)，Y211-1型封隔器在短槽位置下鉆至設(shè)計(jì)位置；坐封時(shí)，上提管柱1.5 m切換到長槽，再下放管柱打開卡瓦，繼續(xù)加壓坐封封隔器；解封時(shí)，上提管柱開啟平衡閥，等待30 min膠筒上下壓力達(dá)到平衡后，封隔器解封(見圖8)。這種工作原理可有效保護(hù)膠筒，實(shí)現(xiàn)重復(fù)坐封。

圖8　Y211-1型找水封隔器的工作原理Fig.8　Working principle of Y211-1 water detection packer

3.2　Y211-2型雙封拖動找水封隔器

由于雙封拖動管柱找水時(shí)下層液體不能進(jìn)入管內(nèi)，膠筒坐封后承受的下壓差大于上壓差，需對Y211-1型封隔器進(jìn)行改進(jìn)。首先，優(yōu)化下支撐膠筒材料，降低其硬度，使其坐封后下支撐膠筒能夠承受接近上支撐膠筒的應(yīng)力；然后，將Y211-1型封隔器平衡閥的內(nèi)密封機(jī)構(gòu)從單流閥改為實(shí)心結(jié)構(gòu)，確保下層液體無法進(jìn)入管內(nèi)。

Y211-2型雙封拖動找水封隔器鋼體最大外徑116.0 mm，長度1 750.0 mm，可承受上壓差15.0 MPa，可承受下壓差25.0 MPa，可坐封載荷30.0 kN，可解封負(fù)荷30.0 kN，可重復(fù)坐封30次，最大工作溫度110.0 ℃。

該封隔器坐封原理與Y211-1型封隔器相似，與Y111型封隔器配合使用。

3.3　Y111型雙封拖動找水封隔器

常規(guī)Y111型封隔器抽汲后，由于上壓差大于下壓差，解封時(shí)易損傷膠筒，甚至無法解封，為了解決這一問題，需增加平衡閥和可重復(fù)坐封機(jī)構(gòu)。

Y111型雙封拖動找水封隔器主要由平衡閥、膠筒、防中途坐封機(jī)構(gòu)和重復(fù)坐封機(jī)構(gòu)等組成，如圖9所示。該封隔器設(shè)定坐封載荷，超過設(shè)定值坐封；遇阻后上提，坐封機(jī)構(gòu)重新復(fù)位；上提開啟平衡閥，待壓力平衡膠筒復(fù)位后上提管柱即可解封。

圖9　Y111型水平井找水封隔器的結(jié)構(gòu)Fig.9　Structural diagram of Y111 water detection packer in horizontal wells

Y111型雙封拖動找水封隔器(以下簡稱“新Y111型封隔器”)鋼體最大外徑為116.0 mm，長度為950.0 mm，可承受上壓差25.0 MPa，可承受下壓差10.0 MPa，可坐封載荷50.0 kN，可解封負(fù)荷20.0 kN，可重復(fù)坐封30次，最大工作溫度110.0 ℃。

工作原理為：入井時(shí)，Y211-2型封隔器從短槽位置下至設(shè)計(jì)位置；坐封時(shí)，上提管柱切換到長槽，下放管柱使Y211-2型封隔器先坐封，繼續(xù)加壓使新Y111型封隔器坐封，所有膠筒密封(如圖10所示)；解封時(shí)，上提管柱至正常懸重，新Y111型封隔器的平衡閥先開啟，等待30 min膠筒上下壓力平衡后新Y111型封隔器解封，繼續(xù)上提Y211-2型封隔器解封。

圖10　新Y111型+Y211-2型封隔器工作原理Fig.10　Working principle of new Y111 + Y211-2 packers

4　封隔器室內(nèi)性能試驗(yàn)

4.1　單封隔器承壓試驗(yàn)

將每個(gè)封隔器分別放入試驗(yàn)套管內(nèi)，坐封后采用泵注系統(tǒng)加壓至設(shè)計(jì)值，觀察單封隔器的承壓能力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，Y211-1型封隔器坐封后承受上壓差25.0 MPa、下壓差10.0 MPa時(shí)，膠筒密封完好；Y211-2型封隔器坐封后承受上壓差15.0 MPa、下壓差25.0 MPa時(shí)，膠筒密封完好；室內(nèi)對Y211-1型和Y211-2型封隔器進(jìn)行了30次坐封再加壓，膠筒依然密封完好。新Y111型封隔器坐封后承受上壓差25.0 MPa、下壓差15.0 MPa時(shí)，膠筒密封完好，表明新研制的封隔器均達(dá)到設(shè)計(jì)的承壓能力。

4.2　封隔器推力、拉力試驗(yàn)

為確保雙封拖動管柱時(shí)重復(fù)坐封可靠，進(jìn)行了3組封隔器推力和拉力試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，新Y111型封隔器重復(fù)坐封機(jī)構(gòu)推力大于Y211-2型封隔器摩擦塊推力，新Y111型封隔器重復(fù)坐封機(jī)構(gòu)回拉力較小(見表2)。

表2　封隔器重復(fù)坐封試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2　Experimental data of repeated packer setting

試驗(yàn)結(jié)果說明，雙封隔器配合時(shí)，能夠確保新Y111型封隔器膠筒在不壓縮的情況下推動Y211-2型封隔器，上提時(shí)可在觧封Y211-2型封隔器之前解封。

4.3　雙封隔器承壓試驗(yàn)

將新Y111型封隔器和Y211-2型封隔器連接后放入試驗(yàn)套管內(nèi)(見圖11)，模擬封隔器坐封后，采用泵注系統(tǒng)加壓至25.0 MPa，觀察雙封隔器的承壓能力。

圖11　雙封隔器室內(nèi)承壓試驗(yàn)裝置Fig.11　Apparatus for laboratory bearing tests of dual packers

試驗(yàn)結(jié)果表明，新Y111型封隔器和Y211-2型封隔器均密封完好，說明雙封隔器配合可以有效坐封并能夠承受設(shè)計(jì)壓差。

5　現(xiàn)場應(yīng)用

新型封隔器和拖動找水管柱在長慶油田6口水平井的找水中進(jìn)行了應(yīng)用，6口井平均井深3 382.00 m，改造段數(shù)10段，單井坐封11次?，F(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，1套封隔器可以完成2口井的找水作業(yè)，測試成功率由皮碗封隔器拖動找水管柱的91.3%提高至100.0%，機(jī)械堵水后單井平均含水率由100.0%降至66.3%，單井平均日增產(chǎn)油量2.2 t，單井測試費(fèi)用僅為皮碗封隔器拖動管柱找水的1/2。

以長平X井為例，介紹其具體應(yīng)用情況。該井井深3 210.00 m，改造段數(shù)12段，于2013年6月投產(chǎn)。投產(chǎn)初期平均產(chǎn)液量8.6 m3/d，產(chǎn)油量6.2 t/d，含水率12.3%；2016年1月含水率突升至100.0%，產(chǎn)液量升至16.0 m3/d。由于該井較深，無法應(yīng)用皮碗封隔器拖動管柱找水。因此，2017年7月采用新型雙封拖動找水管柱找水。完成找水作業(yè)前的準(zhǔn)備工作(通井、刮削和洗井)后，將封隔器連接好下至設(shè)計(jì)位置，坐封封隔器后測試卡封射孔段的出水情況，完成該段測試并解封封隔器后，拖動管柱至下一射孔段測試。該井封隔器累計(jì)坐封11次，起出后的新Y111型和Y211-2型封隔器的膠筒均完好無損，并成功找到出水位置。該井進(jìn)行機(jī)械堵水后，產(chǎn)液量8.9 m3/d，含水率由100.0%降至45.0%，日增產(chǎn)油量3.8 t，表明長水平段水平井應(yīng)用新型拖動找水管柱測試結(jié)果準(zhǔn)確，起出的封隔器仍能應(yīng)用于其他水平井的找水中，取得了較好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

6　結(jié)　論

1) 針對皮碗封隔器在長水平段水平井拖動管柱找水時(shí)易出現(xiàn)膠筒密封性變差、起鉆皮碗脫落的問題，通過室內(nèi)耐磨試驗(yàn)，綜合分析得到其下深界限為2 500.00 m。

2) 針對長慶油田長水平段水平井找水需求，研制了Y211-1型、Y211-2型拖動找水封隔器及可在水平段重復(fù)坐封的Y111型雙封拖動找水封隔器，設(shè)計(jì)了新型水平井拖動找水管柱，其具有機(jī)械錨定、壓縮封隔、多次重復(fù)坐封和密封可靠的特點(diǎn)。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用新型拖動找水管柱找水更簡便、結(jié)果更準(zhǔn)確、成本更低。1套封隔器至少可以完成2口井的找水作業(yè)，起出后膠筒仍然完好，降低了后期堵水作業(yè)清潔井筒的難度，在長水平段水平井中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

References

[1]郭洪志，李冬梅.Flagship在中高含水期水平井中的應(yīng)用研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，31(1)：107-110.

GUO Hongzhi,LI Dongmei.Flagship application in high water cut horizontal well[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition),2009,31(1):107-110.

[2]鄭?？疲瑒⑴d斌，樸玉琴，等.水平井油水兩相管流流量和含水率測量方法實(shí)驗(yàn)研究[J].測井技術(shù)，2010，34(4)：323-326.

ZHENG Xike，LIU Xingbin，PIAO Yuqin，et al.Experimental study on measurements of flow-rate and water-cut in horizontal pipes[J].Well Logging Technology,2010,34(4):323-326.

[3]聶飛朋，石瓊，郭林園，等.水平井找水技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].油氣井測試，2011，20(3)：32-34.

NIE Feipeng,SHI Qiong,GUO Linyuan,et al.Present situation and development trend of water detection technology in horizontal well[J].Well Testing,2011,20(3):32-34.

[4]徐昊洋，王燕聲，牛潤海，等.水平井連續(xù)油管輸送存儲式產(chǎn)液剖面測試技術(shù)應(yīng)用[J].油氣井測試，2014，23(3)：46-48.

XU Haoyang,WANG Yansheng,NIU Runhai,et al.Application of memory fluid production profile testing technology conveyed by coiled tubing to horizontal well[J].Well Testing,2014,23(3):46-48.

[5]慕立俊，朱洪征，呂億明，等.低產(chǎn)液量水平井找堵水管柱的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：91-94.

MU Lijun,ZHU Hongzheng,LYU Yiming,et al.Design and application of water detecting and plugging pipe string for low production horizontal wells[J].Petroleum Drilling Techniques,2014,42(1):91-94.

[6]王百，黃偉，李凡書，等.小流量水平井機(jī)械分段找水技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鉆采工藝，2014，37(2)：54-56，74.

WANG Bai,HUANG Wei,LI Fanshu,et al.Research and application of mechanical segmentation water testing technology in horizontal well with small flow[J].Drilling & Production Technology,2014,37(2):54-56,74.

[7]慕立俊，王百，崔文昊，等.套返水平井單封拖動管柱快速找水方法研究與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2014，43(6)：53-58.

MU Lijun,WANG Bai,CUI Wenhao,et al.Study and application of fast-water detection in set return horizontal well using single packing drag pipe[J].Oil Field Equipment,2014,43(6):53-58.

[8]朱洪征，王百，呂億明，等.水平井快速找水管柱的研制與應(yīng)用[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2015，34(1)：87-90.

ZHU Hongzheng,WANG Bai,LYU Yiming,et al.Development and application of the quick water-detecting string for horizontal well[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2015,34(1):87-90.

[9]崔文昊，高榕，陳柯，等.低滲透油田水平井快速找水技術(shù)研究與應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015，12(5)：76-78.

CUI Wenhao,GAO Rong,CHEN Ke,et al.Research of fast water detection technology in horizontal wells of low permeability oilfields and its application[J].Journal of Yangtze University (Natural Science Edition),2015,12(5):76-78.

[10]任國富，徐自強(qiáng)，王在強(qiáng)，等.Y211型拖動壓裂封隔器研制與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2015，44(9)：60-61.

REN Guofu,XU Ziqiang,WANG Zaiqiang,et al.Development and application of Y211 dragging fracturing packer[J].Oil Field Equipment,2015,44(9):60-61.

[11]任勇，馮長青，胡相君，等.長慶油田水平井體積壓裂工具發(fā)展淺析[J].中國石油勘探，2015，20(2)：75-81.

REN Yong,FENG Changqing,HU Xiangjun,et al.Analysis of volume-fracturing tools developed for horizontal wells in Changqing Oilfield[J].China Petroleum Exploration,2015,20(2):75-81.

[12]王金友，許國文，李琳，等.連續(xù)油管拖動底封水力噴射環(huán)空加砂分段壓裂技術(shù)[J].石油礦場機(jī)械，2016，45(5)：69-72.

WANG Jinyou,XU Guowen,LI Lin,et al.Technology of coiled tubing abrasive perforating and annulus fracturing[J].Oil Field Equipment,2016,45(5):69-72.