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        伊朗Y油田水平井封隔器解封技術探析

        2019-03-29 10:15:48韋海濤
        科學與技術 2019年9期
        關鍵詞:水平井

        韋海濤

        摘要:本文探討了在正常解封操作無法實現(xiàn)的情況下,各種非常規(guī)解封方案的可行性,并通過伊朗Y油田S22井封隔器的解封作業(yè),對各種方案一一進行了驗證,最終表明“內(nèi)外掏空法”對此種封隔器在水平井大井斜段解封有十分顯著的作用,具有推廣應用的價值。

        關鍵詞:水平井;封隔器;解封;內(nèi)外掏空

        伊朗Y油田位于伊朗西南部胡澤斯坦省,是世界上有待全面開發(fā)的特大型油田之一。該油田所布26口水平井主要針對Sk重油油藏,水平段長平均為900~1000m,垂直深度在2900m左右。

        1.封隔器的設計

        如圖2-1所示,該封隔器的坐封原理是油管內(nèi)投球后進行打壓,當達到坐封壓力后,壓力通過傳壓孔內(nèi)活塞行程推動膠皮,從而使桶式卡瓦張開坐在7寸套管內(nèi)壁。繼續(xù)打壓使封隔器膠皮壓縮膨脹,而由于封隔器內(nèi)卡瓦的倒楔形設計,外筒上行后不能回落,從而實現(xiàn)封隔作用。

        該封隔器的解封力基于在井底可能承受的最惡劣環(huán)境而設計:假設油管內(nèi)部被瀝青質完全堵塞,而封隔器上部由于后期進行氣舉作業(yè)而將油管內(nèi)部全部替空,此時地層壓力將全部直接作用于封隔器上。

        2解封方案

        該封隔器可通過過提或切割進行解封,當拉力達到剪切銷釘?shù)目估瓘姸群?,銷釘被剪斷,桶式卡瓦相對封隔器下行,而不再卡在7寸套管內(nèi)壁上,隨著油管串慢慢上下活動,膠皮逐漸回縮,從而實現(xiàn)封隔器解封。但在實際解封過程中井口過提至92T(油管自重為42T),達到三寸半油管的抗拉伸強度極限,并未實現(xiàn)封隔器解封。失敗原因初步分析為井斜角過大,導致上提力無法有效作用在剪切銷釘上。由于完井管串較為復雜,因此本著盡量不改變完井管串現(xiàn)有狀態(tài)的原則,從下部受力著手考慮解封方案,其完井管串圖及主要數(shù)據(jù)如下:

        2.1環(huán)空打壓法

        嘗試從環(huán)空打壓,壓力通過膠皮傳遞到剪切銷釘,再配合井口過提解封封隔器。壓力作用的有效面積為7寸油管內(nèi)徑與封隔器心軸外徑形成的環(huán)形空間,即:[(0.157m)2 -(0.118m)2] × π/4;若環(huán)空打壓至3000psi(20.68Mpa),則作用在銷釘上的剪切力為17.92T。而油管在受外擠的情況下抗拉強度降低,根據(jù)有關在三維應力作用下的計算公式,可算得當油管受外擠3000psi時,抗拉強度降低至75T,那么此時作用在銷釘上的力最大可為17.92+75-42=50.92T,然而在實際操作中卻并沒有成功將銷釘剪斷,原因分析如下:

        封隔器心軸外徑與三寸半油管外徑形成一個截面差,當3000psi的壓力作用在這個截面上時,對油管產(chǎn)生一個向下的推力,其大小計算可得9.87T,那么此時實際作用在銷釘上的力最大只有41.05T。若考慮摩擦阻力的影響,實際值會更加小于45T,從而無法順利將銷釘剪斷。

        2.2油管內(nèi)打壓法

        用連續(xù)油管在完井管串3123m Landing nipple處坐入一個堵頭,油管內(nèi)打壓至封隔器傳壓孔處,由于此時活塞已無行程,壓力直接作用在剪切銷釘上。假設油管內(nèi)打壓4000psi,則作用在封隔器活塞上的力為11.62T,而這4000psi同時作用在油管內(nèi)堵頭上,使油管產(chǎn)生12.76的預張力。下表是利用軟件模擬油管內(nèi)施加不同壓力時,封隔器的受力情況,從中可以看出當油管內(nèi)打壓4500psi時,銷釘受力為11.62+33.39=45.01T,接近銷釘?shù)募羟兄担趯嶋H操作中,還是未能實現(xiàn)封隔器的解封。

        3油管內(nèi)外打壓法

        按方案1、2所述,環(huán)空打壓3000psi產(chǎn)生的作用在銷釘上的有效剪切力為:17.92 - 9.87 = 8.05T,而油管內(nèi)打壓4000psi產(chǎn)生的作用在銷釘上的剪切力為11.62T。取摩擦力經(jīng)驗系數(shù)1/6,此時井口拉力需42+(45.36-8.05-11.62)× 7 / 6=72.28T,可實現(xiàn)剪斷銷釘。此時井口理論最大可提升至92-12.76=79.24T。但該方案仍未成功,可能由于封隔器膠皮膨脹后坐在套管內(nèi)壁,環(huán)空的壓力無法傳遞到位于膠皮下方的剪切銷釘上。

        3.1油管內(nèi)部憋壓

        嘗試在油管上部2805m Landing nipple處再投一個堵頭,并在兩個堵頭中間圈閉一定的壓力,使其通過傳壓孔作用在剪切銷釘上,再井口配合過提進行解封。則作用在銷釘上最大力為:(P-Rgh)×S

        其中,P為油管抗內(nèi)壓強度為10000psi,約68.9Mpa;

        R為壓井液密度,1.2g/cm3;

        h為下部塞子垂深,2900m;

        S為傳壓孔處活塞面積,0.004m2;

        當油管內(nèi)憋壓6000psi時,作用在銷釘上的力應為17.43T,而此時井口仍可過提至油管正??估鞆姸?,但最終仍未實現(xiàn)封隔器解封。懷疑封隔器傳壓孔是否產(chǎn)生堵塞,油管內(nèi)打壓并不能有效傳遞到銷釘上;或者由于井斜過大,憋壓對銷釘產(chǎn)生的剪切力仍不足以補償油管過提力損失在井壁上的摩擦力。

        3.2油管內(nèi)掏空法

        泄掉油管內(nèi)壓力后,嘗試將油管上部掏空,利用壓差產(chǎn)生的力作用在銷釘上,同時配合井口過提解封。以替液2000m計算,液柱壓力差產(chǎn)生作用在油管內(nèi)堵頭向上的推力為11.1T,而此時2000m油管內(nèi)外壓差為3480psi,與方案一類似,同樣會導致油管抗拉強度降低,最終該方案未能成功解封封隔器。

        3.3油管內(nèi)外掏空法

        該方法即模擬封隔器設計時的最惡劣工況,打開位于2790m深度的滑套,將上部壓井液盡量用氮氣替空,對返出液體進行精確計量以便計算井內(nèi)替空深度。以替液2000m計算,銷釘處直接承受的剪切力為:2000×1.2×0.0098×145×4.635×4.635×3.14/4=57514lbs,即26.1T,而由于液體替空導致完井管串所受浮力減少4.7T,即不計摩擦阻力的情況下,井口只需過提45-26.1+4.7=23.96T左右即可實現(xiàn)解封。

        在實際操作中,液體替空至1730m,產(chǎn)生的剪切力約為23T,同時井口拉力至78T時,完井管串突然發(fā)生抖動,懸重突然降為3T左右,后再次試提至22T左右,同時節(jié)流管匯有油氣涌出,初步判斷封隔器解封。在循環(huán)壓井兩周后,試提管串至自由懸重42T,至此確認封隔器解封。

        由上述理論計算和實際操作進行對比可以看出,井口過提36T后,實際只有24T傳遞至剪切銷釘處,過提拉力越大,油管柱高邊越容易貼在套管內(nèi)壁形成應力集中點,導致多施加的上提力根本無法傳遞到下面,這也是前面以過提為主的方案解封失敗的原因。

        4結論與建議

        (1)由于完井管串裝有數(shù)百個化學注入管線保護器,其與套管內(nèi)壁形成若干個支點,導致受力情況十分復雜,在受力分析上可根據(jù)現(xiàn)場需要進行適當簡化,嘗試多種解封方案。而在井斜角過大的情況下,上提力無法有效傳遞至井底,應多從下部受力進行分析,增加直接作用在銷釘上的剪切力;

        (2)在進行完井方案設計時,安全系數(shù)的選擇不應過于保守,否則會給后期的修井作業(yè)帶來極大的困難;

        (3)通過對現(xiàn)場實施的各種解封方案進行分析,“內(nèi)外掏空法”看似在操作上存在一定的“誘噴”風險,但只要通過壓力計算好掏空高度,并做好井控防范,確實能成為水平井封隔器解封的一種好辦法,并且在大井斜段解封此類封隔器之前并未見論述,具有推廣應用的價值。

        參考文獻

        [1]宋戰(zhàn)培.伊朗Y油田完井技術探索與提高[J]. 內(nèi)江科技,2012,1

        [2]何漢平.伊朗Y油田基于流動保障的完井設計[J]. 石油鉆探技術,2010,38(5)

        (作者單位:中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司)

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