郝 楠,宋劍鳴,陳世春,曹 博,古 青,蔣立坤,茍旭東,劉新哲
(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院,天津 300457)
二連油田是華北油田公司的主力油田之一,近年來(lái)在阿南和蒙古林區(qū)塊開(kāi)展了老井的套管修復(fù)和產(chǎn)能重新挖掘工作。由于二連油田存在開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)、套管形變比高、高壓注水導(dǎo)致地層壓力紊亂、井漏與井涌的危險(xiǎn)同時(shí)存在、循環(huán)溫度低、水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢、地層水活躍、出砂出水多等客觀因素[1],在老井二次開(kāi)發(fā)的固井作業(yè)中遇到了一定困難。主要表現(xiàn)為:地層多壓力體系共存、老井套管多損壞、井漏與井涌的風(fēng)險(xiǎn)并存;為滿足后期開(kāi)發(fā)需求,老井側(cè)鉆井眼通常為?114 mm,與固井附件之間環(huán)空間隙小,井底易出砂出水、固井施工過(guò)程中水泥漿上返摩阻大,有蹩高壓影響施工的風(fēng)險(xiǎn)[2-3];地層壓力高,固井注入水泥量少,膠塞易替空、碰壓不明顯,現(xiàn)場(chǎng)施工難判斷。為解決上述難題,二連油田引進(jìn)了渤海鉆探公司研發(fā)的BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器及其配套固井附件,取得了良好的效果。
1) 多壓力體系共存,壓力系統(tǒng)混亂,固井施工時(shí)對(duì)地層封隔要求高。二連油田阿南和蒙古林區(qū)塊的開(kāi)發(fā)井因開(kāi)發(fā)多年且長(zhǎng)期注水開(kāi)采,受多層注水或斷層的影響,在一個(gè)井筒剖面上可形成高壓、低壓和常壓共存的多套壓力體系,這樣在不同的層間就產(chǎn)生了壓力差。這種壓力差的存在,既容易導(dǎo)致高壓油氣水層侵入水泥漿中,又容易發(fā)生水泥漿侵入低壓層,水泥漿的侵入導(dǎo)致井筒內(nèi)水泥量減少,降低井底壓力,井底壓力的降低,進(jìn)一步加劇高壓油氣水層的侵入,形成了一個(gè)惡性循環(huán),這一切直接影響到固井質(zhì)量,且易發(fā)生井漏和井涌的險(xiǎn)情[4]。因此在老井修復(fù)過(guò)程中,就非常有必要配套使用懸掛器和封隔器,以達(dá)到封隔漏層或高壓出砂出水層目的。
2) 新鉆井眼與固井附件之間的環(huán)空間隙小,過(guò)流面積有限,地層孔隙壓力高,固井施工時(shí)易出現(xiàn)異常高壓。二連油田老井修復(fù)作業(yè)中新鉆的井眼直徑通常為?114 mm,而?139.7 mm的尾管懸掛器外徑可達(dá)到?108 mm,與井眼間的間隙僅有2~3 mm,在固井施工的循環(huán)過(guò)程中,很容易在懸掛器的卡瓦錐套關(guān)鍵位置處形成壓力蹩堵[5];此外根據(jù)調(diào)研的地層孔隙壓力資料分析,二連地區(qū)原始地層孔隙壓力系數(shù)為0.881~0.927,自1989年以來(lái),由于高壓注水方式的影響,目前地層孔隙壓力系數(shù)上升很快,最高達(dá)1.70[6]。兩者交互作用,固井施工時(shí)出現(xiàn)異常高壓的風(fēng)險(xiǎn)大。
3) 地層壓力高,固井注入水泥量少,膠塞易替空、碰壓不明顯,現(xiàn)場(chǎng)施工有效判斷困難,影響后續(xù)固井作業(yè)。固井膠塞碰壓時(shí),由于地層反壓大,常規(guī)膠塞一旦復(fù)合不成功,就會(huì)影響后期水泥漿固井質(zhì)量,甚至有替空整個(gè)固井封固段,導(dǎo)致固井作業(yè)施工失敗的風(fēng)險(xiǎn)。
為解決上述施工難題,渤海鉆探公司對(duì)其BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)和改造。
BH-XGY系列帶頂封裝置的尾管懸掛器是一款液壓坐掛式懸掛器,可適用于直井,大斜度井及水平井篩(尾)管完井作業(yè),也可配合其它工具實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的完井作業(yè)。其結(jié)構(gòu)由上往下依次包括主體、液缸、卡瓦、扶正器、封隔膠塞和回接筒,如圖1所示。該懸掛器自帶可漲封地層的封隔膠筒,當(dāng)下入到指定位置后,可通過(guò)管柱下壓的操作方式實(shí)現(xiàn)膠筒的漲封,也可配套管外封隔器達(dá)到封隔多個(gè)油氣水層的目的。具有液壓控制實(shí)施座掛,現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單,滾珠倒扣軸承軸向載荷大、0~80 kN負(fù)載范圍內(nèi)皆可實(shí)施倒扣,丟手操作安全可靠,密封套及球座隨鉆具一同起出,內(nèi)通徑與篩(尾)管一致,整體組裝、便于現(xiàn)場(chǎng)連接的特點(diǎn)。
圖1 BH-XGY型系列帶頂封裝置的尾管懸掛器結(jié)構(gòu)示意
在保留工具原特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,BH-XGY系列帶頂封裝置的尾管懸掛器專門針對(duì)二連油田老井開(kāi)發(fā)的小間隙井眼固井施工難題,改進(jìn)了多項(xiàng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。
采用帶流通槽的新型錐套結(jié)構(gòu),在保證坐掛力的前提下,有效流通面積與常規(guī)工具相比,提高近30 %,特別適合小間隙井眼的固井施工作業(yè)。如圖2所示。
圖2 三瓣式帶流通槽錐套結(jié)構(gòu)示意
針對(duì)原來(lái)錐套導(dǎo)流面積偏小的特點(diǎn),在不影響坐掛力的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了導(dǎo)流槽,可有效增大過(guò)流面積;錐套上均布3個(gè)錐塊,每個(gè)錐塊上增設(shè)n道相同的導(dǎo)流槽,整個(gè)錐套上共開(kāi)有3n個(gè)導(dǎo)流槽。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,將整個(gè)導(dǎo)流槽近似看作長(zhǎng)方形,計(jì)算得出可增加的流通面積為[7-8]:
S=3nSa
(1)
Sa=L(?1-?2)/2
(2)
S=3nL(?1-?2)/2
(3)
式中:S為開(kāi)導(dǎo)流槽增加過(guò)流面積,mm2;Sa為每個(gè)導(dǎo)流槽的流通面積,mm2;L為導(dǎo)流槽寬度,mm;?1為錐套最大外徑,mm;?2為錐套本體外徑,mm。
取n=3,L=10,?1=108,?2=78,計(jì)算可得S=1 350 mm2,即錐套上的導(dǎo)流槽增加了1 350 mm2的過(guò)流面積,相當(dāng)于一個(gè)?41.5 mm的流通孔,相對(duì)改進(jìn)前增加了29.7 %的過(guò)流面積。過(guò)流面積的顯著增大可有效降低固井施工的井筒壓力,降低施工風(fēng)險(xiǎn),保證固井質(zhì)量。
直連復(fù)合型尾管膠塞總成由中心管旋轉(zhuǎn)短節(jié)、空心短節(jié)與復(fù)合膠塞3部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。中心管旋轉(zhuǎn)短節(jié)下端與空心短節(jié)通過(guò)密封圈卡槽連接;空心短節(jié)與復(fù)合膠塞通過(guò)螺紋連為一體。中心管旋轉(zhuǎn)短節(jié)的作用是倒扣操作時(shí),當(dāng)中心管轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),保證復(fù)合膠塞不隨中心管一起轉(zhuǎn)動(dòng),提高膠塞復(fù)合成功率;空心短節(jié)的作用是即使鉆桿膠塞和復(fù)合膠塞復(fù)合時(shí)沒(méi)有完全鎖死,在頂替下行時(shí),鉆桿膠塞也不會(huì)從復(fù)合膠塞中脫出,避免替空的危險(xiǎn),同時(shí)可提高碰壓成功率。
圖3 直連復(fù)合型尾管膠塞總成結(jié)構(gòu)示意
復(fù)合膠塞結(jié)構(gòu)如圖4所示,其膠盤采用3大2小的組合方式。d部分為3片?139.7 mm膠盤,e部分為2片?127 mm膠盤,所有膠盤整體硫化為一體。復(fù)合膠塞上部設(shè)有和鉆桿膠塞鎖死的內(nèi)卡槽、下部設(shè)有和球座鎖死的卡環(huán),其自鎖結(jié)構(gòu)能承受25 MPa以上的反壓。
圖4 復(fù)合膠塞結(jié)構(gòu)示意
針對(duì)傳統(tǒng)的分體式鉆桿膠塞易發(fā)生“脫褲子”事故、通過(guò)通徑大小不同的鉆具時(shí)易刮傷皮碗等缺點(diǎn)[9],設(shè)計(jì)了交錯(cuò)一體式復(fù)合鉆桿膠塞[10-12],如圖5所示。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為:大小膠盤為交替排列后整體硫化形成一體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既能保證鉆桿膠塞在通過(guò)不同通徑的鉆具時(shí),膠碗有充分空間變形而不會(huì)過(guò)分磨損,也能將不同內(nèi)徑的鉆具內(nèi)壁上附著的水泥漿充分刮擦干凈;大小膠碗交錯(cuò)分布的結(jié)構(gòu)也能有效防止復(fù)合膠塞脫出,提高碰壓成功率。
圖5 交錯(cuò)一體式復(fù)合鉆桿膠塞改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)示意
近年來(lái),BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器在二連油田阿南和蒙古林區(qū)塊完成數(shù)十口井的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù),與常規(guī)懸掛器相比,均取得了良好的施工效果。表1中列出了其中的幾口典型井施工數(shù)據(jù),并與常規(guī)懸掛器的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。
由表1可以看出,在上層套管直徑、鉆頭直徑相同的施工條件下,BH-XGY系列懸掛器均能保證懸掛穩(wěn)定,固井時(shí)壓力保持正常,未出現(xiàn)環(huán)空蹩堵等異常現(xiàn)象,球座蹩脫及水泥頂替也符合施工設(shè)計(jì)要求。與常規(guī)懸掛器數(shù)據(jù)相比,丟手作業(yè)操作簡(jiǎn)便易行;膠塞復(fù)合成功率明顯提高,固井后循環(huán)泵壓平均下降3~5 MPa,現(xiàn)場(chǎng)施工效果提升顯著。
1) BH-XGY系列?139.7 mm帶頂封裝置的尾管懸掛器,在二連地區(qū)小井眼老井挖潛的施工中,可有效改善因原井眼尺寸限制導(dǎo)致后期完井時(shí)套管與井壁之間的環(huán)空阻力大、固井水泥充填不均勻的情況,提高固井質(zhì)量。
2) BH-XGY系列懸掛器采用的三瓣式帶流通槽新型錐套與常規(guī)懸掛器錐套相比,可有效提高近30%的過(guò)流面積,在小間隙井眼的固井施工過(guò)程中,可顯著降低循環(huán)泵壓,降低施工風(fēng)險(xiǎn);直連式復(fù)合尾管膠塞結(jié)構(gòu),通過(guò)鉆桿膠塞和復(fù)合膠塞、復(fù)合膠塞和球座的雙碰壓設(shè)計(jì),可有效提高碰壓成功率,且能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)有效判斷施工過(guò)程。
表1 BH-XGY系列?139.7 mm尾管懸掛器與常規(guī)懸掛器施工參數(shù)對(duì)比
3) BH-XGY系列懸掛器的交錯(cuò)式鉆桿膠塞采用大小膠盤交替排列,硫化后形成整體結(jié)構(gòu),可增強(qiáng)鉆桿膠塞的居中度和密封能力,保證其與尾管膠塞的復(fù)合,增加了碰壓成功率。