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        水平井篩管分段噴射解卡工具研制與試驗(yàn)

        2018-07-06 01:32:38劉言理
        石油鉆探技術(shù) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:解卡皮碗沖砂

        劉言理

        (中國(guó)石油大港油田分公司石油工程研究院,天津 300280)

        海上油田由于井位有限,為獲得較高產(chǎn)量多采用水平井或大斜度井開(kāi)發(fā),井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。大港灘海油田埕海一區(qū)主力含油層系為沙河街組和館陶組,出砂較為嚴(yán)重,均采用懸掛篩管或礫石充填完井。目前近30%的油井篩管防砂失效,需要進(jìn)行篩管打撈作業(yè),然后進(jìn)行二次防砂完井。在篩管打撈過(guò)程中出現(xiàn)了篩套環(huán)空被充填礫石和地層砂堵住,導(dǎo)致篩管無(wú)法拔出的情況,常規(guī)的直井套銑打撈工藝在水平井中由于套銑筒長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法使用。因此急需研制一套水平井篩管解卡工具,實(shí)現(xiàn)水平井失效長(zhǎng)篩管的快速打撈。沙磊等人[1-2]研究了井下液力提拉解卡打撈技術(shù),通過(guò)液壓錨定裝置和液壓拉拔裝置提高有效解卡力;李貴川等人[3-9]研究了防砂管柱水力內(nèi)切割等技術(shù),采用水力與機(jī)械聯(lián)合控制的方式對(duì)失效篩管進(jìn)行切割,然后分多次打撈。但上述方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)水平井較長(zhǎng)篩管任意位置的分段解卡,無(wú)法將篩套環(huán)空中的砂清除干凈,致使篩管在打撈過(guò)程中仍存在較高的砂卡風(fēng)險(xiǎn);且上述打撈工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工成本高。為此,筆者研制了導(dǎo)流式小直徑噴射裝置和一體式多級(jí)封隔沖砂裝置,并與小直徑?jīng)_管、φ73.0 mm油管、專用吊卡等配合使用,形成了水平井篩管分段噴射解卡工藝,實(shí)現(xiàn)了水平井失效篩管的快速解卡打撈。

        1 篩管分段噴射解卡工具的研制

        1.1 導(dǎo)流式小直徑噴射裝置

        水平井完井篩管長(zhǎng)度均在20.00 m以上,為建立有效的篩套環(huán)空砂清洗通道,篩管每隔5.00 m進(jìn)行噴砂射孔。利用導(dǎo)流式小直徑噴射裝置在篩管壁上噴射出孔眼,通過(guò)孔眼將篩套環(huán)空中的砂清洗出來(lái)。

        導(dǎo)流式小直徑噴射裝置主要由上接頭、紫銅密封圈、厭氧鎖固脂、橡膠密封圈、噴嘴、硬質(zhì)合金涂層、本體、導(dǎo)流棒和導(dǎo)向頭組成(見(jiàn)圖1)。其中上接頭與本體采用螺紋連接,上接頭螺紋端部安置橡膠密封圈實(shí)現(xiàn)一級(jí)密封,在螺紋上涂抹厭氧鎖固脂實(shí)現(xiàn)二級(jí)密封和防轉(zhuǎn)動(dòng)的功能,在上接頭外部臺(tái)階處安置紫銅密封圈實(shí)現(xiàn)三級(jí)密封。噴嘴采用硬質(zhì)合金耐磨材質(zhì)制作,與本體通過(guò)螺紋連接,噴嘴螺紋末端安置有橡膠密封圈,實(shí)現(xiàn)與本體之間的密封。噴嘴液流腔采用組合錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖2所示),一級(jí)錐角設(shè)計(jì)為25°,二級(jí)錐角設(shè)計(jì)為13°,以實(shí)現(xiàn)磨料粒子充分加速,同時(shí)延長(zhǎng)噴嘴壽命[10]。噴射裝置內(nèi)腔設(shè)計(jì)有導(dǎo)流棒,導(dǎo)流棒頂部采用90°圓錐設(shè)計(jì),引導(dǎo)液體流向噴嘴,圓錐表面涂有硬質(zhì)合金涂層,以降低磨損。導(dǎo)流棒與本體采用螺紋連接。該噴射裝置的總長(zhǎng)度為360.0 mm,外徑為56.0 mm,內(nèi)徑為24.0 mm;噴嘴內(nèi)徑為5.0 mm。

        圖1 導(dǎo)流式小直徑噴射裝置Fig.1 The diversion type small diameter jetting device

        圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 The nozzle structure

        1.2 一體式多級(jí)封隔沖砂裝置

        在對(duì)篩管進(jìn)行定點(diǎn)噴砂射孔后,進(jìn)行分段沖砂作業(yè),分段沖砂需要將相鄰噴射孔眼封隔,因此設(shè)計(jì)了一體式多級(jí)封隔沖砂裝置,通過(guò)四級(jí)封隔皮碗實(shí)現(xiàn)封隔。

        一體式多級(jí)封隔沖砂裝置主要由上接頭、中心管、一級(jí)封隔皮碗、二級(jí)封隔皮碗、三級(jí)封隔皮碗、四級(jí)封隔皮碗、頂絲和導(dǎo)向頭組成(見(jiàn)圖3),內(nèi)腔為全通徑。其中,上接頭與中心管為一體件,以充分保證機(jī)械強(qiáng)度,中心管外部加工有4段螺紋,4級(jí)封隔皮碗通過(guò)螺紋依次連接在中心管上。中心管相鄰螺紋段之間為縮頸結(jié)構(gòu),封隔皮碗被壓縮后緊貼縮頸,與上接頭、導(dǎo)向頭保持外徑一致。同時(shí)設(shè)計(jì)了頂絲,以防止產(chǎn)生零件之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)。該沖砂裝置的總長(zhǎng)度為740.0 mm,皮碗最大外徑為66.0 mm,剛體外徑為56.0 mm,內(nèi)通徑為24.0 mm。

        圖3 一體式多級(jí)封隔沖砂裝置Fig.3 Integrated multi-stage sealing sand-washing device

        單個(gè)封隔皮碗結(jié)構(gòu)[11]主要由皮碗本體、上頂絲、上鎖環(huán)、硫化金屬環(huán)、下鎖環(huán)和下頂絲組成(見(jiàn)圖4)。其中,上鎖環(huán)、硫化金屬環(huán)及下鎖環(huán)均通過(guò)螺紋與中心管連接,硫化金屬環(huán)外表面加工有凹槽,通過(guò)硫化與皮碗本體成為一體。上鎖環(huán)與下鎖環(huán)將硫化金屬環(huán)擠壓在中間防止硫化金屬環(huán)松動(dòng),同時(shí)設(shè)計(jì)了上頂絲和下頂絲使封隔皮碗結(jié)構(gòu)成為一個(gè)不會(huì)發(fā)生松動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的整體。皮碗采用雙級(jí)錐度組合,以提高入井順暢程度,降低皮碗入井過(guò)程中的磨損。

        圖4 封隔皮碗結(jié)構(gòu)Fig.4 The packer cup structure

        2 工藝管柱結(jié)構(gòu)

        水平井篩管分段噴射解卡工具主要包括2套管柱結(jié)構(gòu),分別是小直徑噴砂射孔管柱和一體式多級(jí)封隔沖砂管柱。

        2.1 小直徑噴砂射孔管柱結(jié)構(gòu)

        原井筒結(jié)構(gòu)最外側(cè)為油層套管,懸掛器坐掛在油層套管上,底部懸掛擋砂篩管,篩管與套管環(huán)空之間充填擋砂礫石,形成礫石充填層,實(shí)現(xiàn)以砂防砂。

        小直徑噴砂射孔管柱主要包括噴射裝置、變扣接頭、小直徑?jīng)_管和油管,如圖5所示。其中,小直徑?jīng)_管外徑為56.0 mm,以確??梢赃M(jìn)入φ73.0 mm篩管(內(nèi)徑為62.0 mm)內(nèi)腔。小直徑?jīng)_管總長(zhǎng)度要大于失效篩管總長(zhǎng)度,以便于噴射裝置進(jìn)入篩管內(nèi)腔實(shí)現(xiàn)任意位置的噴砂射孔。同時(shí),相鄰兩噴射孔眼距離要大于一體式多級(jí)封隔沖砂裝置總長(zhǎng)度,以實(shí)現(xiàn)有效封隔。噴砂射孔作業(yè)從下到上依次進(jìn)行。

        圖5 小直徑噴砂射孔管柱Fig.5 The small diameter sandblasting perforating string

        2.2 一體式多級(jí)封隔沖砂管柱結(jié)構(gòu)

        一體式多級(jí)封隔沖砂管柱主要包括沖砂裝置、變扣接頭、小直徑?jīng)_管和油管,如圖6所示。其中,沖砂裝置剛體外徑最大為56.0 mm,以確??梢赃M(jìn)入篩管內(nèi)腔,皮碗最大外徑為66.0 mm,皮碗進(jìn)入篩管內(nèi)腔后與篩管內(nèi)壁過(guò)盈緊貼實(shí)現(xiàn)封隔。沖砂流體流動(dòng)方向如圖6中紅色箭頭所示,分段沖砂從上往下依次進(jìn)行。

        圖6 一體式多級(jí)封隔沖砂管柱Fig.6 The integrated multi-stage sealing and sand-washing string

        3 工作原理與技術(shù)特點(diǎn)

        3.1 工作原理

        將小直徑噴砂射孔管柱下至預(yù)定位置,在失效篩管上進(jìn)行噴砂射孔,射孔結(jié)束后上提管柱進(jìn)行下一位置的噴砂射孔。全部點(diǎn)位噴砂射孔結(jié)束后起出小直徑噴砂射孔管柱,下入一體式多級(jí)封隔沖砂管柱,使封隔皮碗位于相鄰噴射孔眼之間,然后從油套環(huán)空泵入液體反循環(huán)沖砂,沖洗至出口無(wú)砂后下放管柱到下一沖砂段,重復(fù)沖砂過(guò)程。最終將篩管和油層套管之間的砂全部清洗出來(lái),解除篩管外部砂卡,下一步下?lián)泼驌疲瑢?shí)現(xiàn)水平井失效篩管的快速解卡打撈。

        3.2 技術(shù)特點(diǎn)

        1) 實(shí)現(xiàn)了小直徑篩管內(nèi)部噴砂射孔。研制的導(dǎo)流式小直徑噴射裝置最大外徑為56.0 mm,可以進(jìn)入φ73.0 mm篩管內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)了任意設(shè)計(jì)位置的噴砂射孔作業(yè),砂漿流動(dòng)方向可控,避免了噴射磨料堆積堵塞。

        2) 提高了長(zhǎng)篩管打撈成功率。一體式多級(jí)封隔沖砂裝置下至設(shè)計(jì)位置后通過(guò)在不同位置噴砂射孔建立沖砂通道,將長(zhǎng)篩管外部的砂分段清洗干凈,避免在上提篩管過(guò)程中發(fā)生砂卡,提高了長(zhǎng)篩管的打撈成功率。

        3) 降低了打撈力。由于將篩套環(huán)空中的砂清除干凈,在上提篩管過(guò)程中,增加的懸重只是篩管的重量,避免了大修作業(yè),確保了作業(yè)的經(jīng)濟(jì)、安全。

        4 工藝流程

        水平井篩管分段噴射解卡的工藝流程為:

        1) 施工準(zhǔn)備。向井筒內(nèi)擠入一定量清水,關(guān)井?dāng)U散壓力,使篩套環(huán)空間的砂變得松散。

        2) 通井洗井。下入底部帶橄欖形通井規(guī)、試壓球座和泄油器的通井管柱通井至懸掛器頂部,到位后調(diào)整成洗井管柱。大排量反循環(huán)洗井直至進(jìn)出口液體一致,洗井后對(duì)油管試壓。

        3) 內(nèi)沖砂。下入底部帶沖管的內(nèi)沖砂管柱沖砂至篩管末端的絲堵位置,將防砂管柱內(nèi)的沉積細(xì)砂沖洗干凈。

        4) 噴砂射孔。管柱組合為噴射裝置+φ56.0 mm沖管+變扣接頭+φ73.0 mm外加厚油管至井口。將噴嘴對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)位置,接正洗管線,循環(huán)正常后加砂,砂比為5%~8%,同時(shí)計(jì)時(shí)10 min進(jìn)行噴砂射孔,加砂結(jié)束后繼續(xù)正洗頂替至出口無(wú)砂,調(diào)整管柱自下而上依次進(jìn)行噴砂射孔。

        5) 內(nèi)沖砂。下入底部帶沖洗頭和φ56.0 mm沖管的內(nèi)沖砂管柱沖至絲堵位置。大排量反循環(huán)洗井,直至出口無(wú)砂。

        6) 分段封隔沖砂。管柱結(jié)構(gòu)為封隔沖砂裝置+φ56.0 mm沖管+變扣接頭+φ73.0 mm外加厚油管至井口。進(jìn)行反循環(huán)沖砂作業(yè),封隔器分別在對(duì)應(yīng)噴砂射孔位置以上2.00 m處,自上而下分段大排量反沖篩管外砂,每個(gè)點(diǎn)要求沖洗至出口無(wú)砂為止。

        7) 起出分段封隔沖砂管柱,下入打撈管柱進(jìn)行打撈篩管作業(yè)。

        5 室內(nèi)試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)選

        國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)套管噴砂射孔技術(shù)做過(guò)大量研究,較優(yōu)的噴射參數(shù)為:排量600~800 L/min,砂比6%~8%,磨料粒徑0.4~0.6 mm,施工壓力30~40 MPa,噴嘴尺寸4.0~7.0 mm[12-16]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況優(yōu)選噴射參數(shù),在實(shí)現(xiàn)對(duì)篩管高效噴砂射孔的同時(shí)避免對(duì)套管的損傷。現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)泵車最大排量為500 L/min,優(yōu)選排量300~400 L/min;砂比控制在3%~5%;磨料選用常見(jiàn)的石英砂,粒徑0.425~0.850 mm;攜砂液選用清水;現(xiàn)場(chǎng)泵車施工壓力不允許超過(guò)25 MPa,優(yōu)選16~25 MPa;設(shè)計(jì)2個(gè)噴嘴,直徑為5.0 mm。

        室內(nèi)試驗(yàn)中,首先單獨(dú)對(duì)篩管進(jìn)行噴砂射孔試驗(yàn),噴射2 min時(shí)φ73.0 mm篩管被射穿,5 min時(shí)篩管被完全射穿且繼續(xù)噴射后噴射孔眼直徑?jīng)]有變化,最終射孔直徑保持在13.0~18.0 mm。隨后將φ73.0 m篩管放置在φ139.7 mm的短套管中,并將篩套環(huán)空填滿直徑為0.425~0.850 mm的陶粒,第一組試驗(yàn)中用噴射裝置對(duì)篩管進(jìn)行噴砂射孔,連續(xù)噴射5 min后停止噴射。拆除篩管檢驗(yàn)噴射孔徑和對(duì)套管的影響,發(fā)現(xiàn)篩管已射穿,孔徑為11.0~13.0 mm,套管內(nèi)壁沒(méi)有損傷。第二組試驗(yàn)施工參數(shù)與第一組完全一致,連續(xù)噴射10 min,篩管完全射穿,孔徑為14.0~18.0 mm,套管內(nèi)壁沒(méi)有損傷。第三組試驗(yàn)施工參數(shù)與第一組完全一致,連續(xù)噴射15 min,篩管完全射穿,孔徑為14.0~18.0 mm,射孔孔徑?jīng)]有增大,套管內(nèi)壁出現(xiàn)點(diǎn)蝕狀損傷,但對(duì)套管整體強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響,噴嘴表面基本沒(méi)有磨損,保持較好的完整性和可再用性。需要說(shuō)明的是,由于篩管段及噴砂射孔位置對(duì)應(yīng)油層,其套管本身已用射孔槍進(jìn)行了射孔作業(yè),即使在噴射施工過(guò)程中因?qū)κ┕?shù)控制不精準(zhǔn)而出現(xiàn)了噴傷套管的情況,對(duì)套管本體強(qiáng)度、井筒完整性及后續(xù)防砂施工等均不會(huì)產(chǎn)生影響。

        試驗(yàn)結(jié)果表明,最佳篩管噴射參數(shù)為:排量300~400 L/min,砂比3%~5%,磨料粒徑0.425~0.850 mm,施工壓力16~25 MPa,噴射時(shí)間10 min。該套參數(shù)下能夠?qū)崿F(xiàn)篩管高效噴砂射孔,建立有效的大尺寸沖砂通道,同時(shí)可以通過(guò)控制噴射時(shí)間,避免對(duì)套管造成損傷。

        6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        6.1 整體情況

        大港灘海油田埕海一區(qū)莊海8斷塊高部位主力層位為沙河街組、館陶組和明化鎮(zhèn)組,地層巖石膠結(jié)疏松,在生產(chǎn)過(guò)程中出砂嚴(yán)重,多采用懸掛篩管完井或礫石充填完井。該區(qū)塊水平井井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,篩管失效后由于外部環(huán)空充滿砂而導(dǎo)致打撈難度極大。水平井篩管分段噴射解卡工藝在該區(qū)塊的4口停產(chǎn)井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(結(jié)果見(jiàn)表1),噴砂射孔后解卡成功率100%,打撈成功率100%,實(shí)現(xiàn)了水平井失效篩管的快速解卡打撈,降低了施工成本,縮短了油井投產(chǎn)時(shí)間。

        表1 水平井篩管分段噴射解卡工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Staged jetting screen releasing tool for horizontal wells and field application effect

        截至2017年11月底,4口井累計(jì)增油4 914.0 t,增注6 565.0 m3,應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益顯著。下面以莊海1#井為例介紹現(xiàn)場(chǎng)具體試驗(yàn)情況。

        6.2 典型井例

        莊海8斷塊為疏松砂巖油藏,地層出砂嚴(yán)重,莊海1#井在2014年10月采用“篩管+礫石充填”方式完井,完井篩管管柱結(jié)構(gòu)如圖7所示。該井在投產(chǎn)26個(gè)月后出砂嚴(yán)重、篩管防砂失效,為盡快恢復(fù)產(chǎn)能需打撈原井篩管后進(jìn)行二次防砂完井。首先下入專用撈矛將懸掛器單獨(dú)打撈出井,再用可退式撈矛對(duì)篩管進(jìn)行多次打撈,在修井機(jī)提拉力達(dá)到650 kN的情況下未能將篩管撈出,判斷篩套環(huán)空砂卡嚴(yán)重。分析后決定采用水平井篩管分段噴射解卡工藝解除篩管砂卡,實(shí)現(xiàn)失效篩管的快速有效打撈。

        噴射施工前對(duì)篩套之間充滿砂的情況進(jìn)行了確認(rèn),下入套銑筒,到達(dá)篩管頂部后遇阻,多次活動(dòng)后仍無(wú)進(jìn)尺。

        噴砂射孔管柱下至預(yù)定位置后,在井深3 164.00,3 157.00,3 148.00,3 140.00,3 132.00和3 124.00 m的6個(gè)位置自下而上依次進(jìn)行噴砂射孔,噴射過(guò)程中排量為300~400 L/min,砂比為3%~5%,磨料粒徑為0.425~0.850 mm,施工壓力為16~25 MPa,每個(gè)點(diǎn)位噴砂射孔10 min。噴射結(jié)束后下入內(nèi)沖管柱將篩管內(nèi)腔的砂沖洗出來(lái),然后下入分段封隔沖砂管柱,封隔皮碗分別在對(duì)應(yīng)噴砂射孔位置以上2.00 m處封隔,自上而下分段大排量反沖洗篩管外的砂,在出口處用濾網(wǎng)收集砂,共計(jì)收集0.33 m3砂,與篩套環(huán)空實(shí)際容積匹配,由此可以判斷篩管外的砂已被完全沖洗干凈。同時(shí)再次下入10.00 m套銑筒驗(yàn)證沖砂效果,套銑筒到達(dá)篩管頂部未遇阻,順利將第一根篩管完全套住,證明篩套環(huán)空中的砂確實(shí)已沖洗干凈。

        圖7 莊海1#井失效篩管管柱Fig.7 Failed screen string in Well Zhuanghai 1#

        下入撈矛打撈失效篩管,管柱原懸重220 kN,順利將管柱提起后管柱懸重穩(wěn)定在250 kN,說(shuō)明整個(gè)篩管串已完全解卡。后測(cè)量起出篩管的噴射孔眼,發(fā)現(xiàn)噴射孔眼直徑在14.0~16.0 mm,說(shuō)明建立了篩套環(huán)空砂的有效流動(dòng)通道,噴砂射孔效果較好。

        該井隨后進(jìn)行了二次防砂完井,油井投產(chǎn)后初期日產(chǎn)油15.9 t,日產(chǎn)液49.4 m3,截至2017年11月底已穩(wěn)定生產(chǎn)216 d,共計(jì)增產(chǎn)原油2 218.0 t,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

        7 結(jié)論與建議

        1) 研制的導(dǎo)流式小直徑噴射裝置優(yōu)化了砂漿的流動(dòng)方向,延長(zhǎng)了工具的使用壽命,可順利進(jìn)入φ73.0 mm篩管內(nèi)腔實(shí)現(xiàn)噴射射孔。研制的一體式多級(jí)封隔沖砂裝置整體機(jī)械強(qiáng)度高,皮碗封隔效果可靠,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,組裝方便。

        2) 水平井篩管分段噴射解卡工藝噴砂射孔效果和沖砂效果較為理想,可建立有效的沖砂通道并解除篩管外部砂卡,實(shí)現(xiàn)水平井較長(zhǎng)篩管任意位置分段解卡和水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井失效篩管的快速打撈。

        3) 該技術(shù)在大港灘海油田4口水平井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),大大降低了作業(yè)成本、縮短了施工周期,經(jīng)濟(jì)效益顯著,有效盤(pán)活了失效水平井,為灘海油田中后期的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

        4) 該技術(shù)在水平井割縫篩管分段解卡中應(yīng)用效果較好,在精密復(fù)合篩管中由于篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜還不適用,因此建議下一步對(duì)適用于精密復(fù)合篩管分段解卡的配套工具及工藝進(jìn)行攻關(guān)研究。

        參考文獻(xiàn)
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