萬宏春 李艷飛 葛俊瑞 蔡斌 吳健

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司上海工程技術(shù)公司；2.中海石油(中國)有限公司上海分公司

水平裸眼氣井完井修井作業(yè)過程中，為保證井控安全，需要連續(xù)向井筒內(nèi)灌滿工作液，加之循環(huán)洗井期間工作液漏失量遠超估計值［1］，對近井帶儲層造成傷害，影響油氣井產(chǎn)量，為此，引入儲層保護工具??油藏隔離閥。常用的機械式隔離閥包括板閥式防漏失閥和球閥式油藏隔離閥，2 種隔離閥都需要連接在懸掛封隔器下部，隨懸掛封隔器一起下入井筒，與懸掛封隔器組成隔離系統(tǒng)［2］。板閥式防漏失閥為單向閥，僅能防止井筒流體向地層漏失，不能防止地層流體向井筒流入，無法保障井筒井控安全，且板閥一旦打碎便無法再使用［3］，在后期檢泵、修井等作業(yè)中失去防止漏失保護油藏功能。目前國內(nèi)球閥式油藏隔離閥使用經(jīng)驗少，國外機械式油藏隔離閥為球閥式雙向閥，可以實現(xiàn)井筒及地層流體的雙向隔離［4］，價格昂貴、成本高。

在國內(nèi)外傳統(tǒng)儲層保護工具調(diào)研基礎(chǔ)上設(shè)計了一種機械式油藏隔離閥，可實現(xiàn)井筒與地層雙向隔離［5］，為解決水平裸眼氣井儲層保護、提高井筒清潔效率、降低井控風(fēng)險進而實現(xiàn)油氣井全壽命周期儲層保護提供了一種安全有效的技術(shù)手段。

1 油藏隔離閥及其開關(guān)工具

新型油藏隔離閥是一種機械式可重復(fù)開關(guān)球閥，安裝在懸掛封隔器下部，與懸掛封隔器組成隔離系統(tǒng)，由專用開關(guān)工具打開和關(guān)閉球閥［6］，開關(guān)工具分為單開工具、單關(guān)工具、開關(guān)工具3 種。油藏隔離閥與懸掛封隔器組成的隔離系統(tǒng)可以防止球閥上部流體向下流動，又可以防止球閥下部流體及氣體向上流動［7］。既實現(xiàn)了井筒工作液的防漏，又防止地層氣體侵入井筒造成井控安全問題。

油藏隔離閥主要由本體、開關(guān)槽、推筒、球閥、球閥閥座、底部接頭組成，開關(guān)工具主要由本體、開關(guān)套、開關(guān)套壓環(huán)、應(yīng)急銷釘、底部接頭組成，見圖1。油藏隔離閥開關(guān)原理為專用開關(guān)工具下入到油藏隔離閥內(nèi)，開關(guān)工具開關(guān)套與油藏隔離閥內(nèi)部推筒上部開關(guān)槽咬合［8］，下壓開關(guān)工具帶動推筒下移，球閥打開；繼續(xù)下壓開關(guān)工具，開關(guān)工具開關(guān)套與開關(guān)槽脫手，開關(guān)工具通過油藏隔離閥。關(guān)閉球閥時，上提開關(guān)工具，開關(guān)工具開關(guān)套與油藏隔離閥推筒上部開關(guān)槽咬合，開關(guān)工具帶動推筒上移，球閥關(guān)閉，繼續(xù)上提開關(guān)工具，開關(guān)工具開關(guān)套與油藏隔離閥開關(guān)槽脫手。為了防止開關(guān)工具熱處理過程中應(yīng)力集中，開關(guān)工具開關(guān)套設(shè)計過渡倒角，可以釋放應(yīng)力集中，避免了開關(guān)套受力不均而出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。為了保證開關(guān)套打開槽具備足夠的彈性，對熱處理工藝進行有效控制，處理過程中打開槽不完全打通，處理完成后打通，確保打開槽淬火變形小。

圖1 油藏隔離閥及開關(guān)工具結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagrams of the reservoir isolation valve and switch tool

開關(guān)工具設(shè)計了應(yīng)急脫手機構(gòu)，防止開關(guān)工具無法向上關(guān)閉球閥［9］，造成井下復(fù)雜情況。該應(yīng)急脫手機構(gòu)為上提開關(guān)工具，過提78.5 kN，將應(yīng)急銷釘剪斷，開關(guān)套壓環(huán)將開關(guān)套外徑壓縮變小，從而通過油藏隔離閥。

新型油藏隔離閥適用于?244.475 mm 套管，L80-13 Cr 材質(zhì)，最大外徑208.0 mm，打開后最小內(nèi)徑116 mm，壓力等級51.7 MPa，溫度等級150 ℃，閥體密封方式為非彈性體密封、材質(zhì)PTFE，開關(guān)力9.8～19.6 kN，開關(guān)行程0.06 m，打開方式為機械工具開關(guān)，閥結(jié)構(gòu)為整體全球閥式；開關(guān)工具適用于?244.475 mm 套管，合金鋼材質(zhì)，最大外徑（剛體、膨脹件）113、134 mm，最小內(nèi)徑50 mm，壓力等級35 MPa，溫度等級150 ℃，剪切銷釘數(shù)量8 個，開關(guān)力9.8～19.6 kN，長度1.3 m，下部可接短節(jié)長度小于1 m，緊急釋放剪切力78.5 kN。

2 室內(nèi)性能測試

2.1 油藏隔離閥密封性能測試

將油藏隔離閥置于支撐架上，下端連接試壓接頭及管線，置于試壓區(qū)(圖2)，啟動試壓泵B，用清水對球閥進行反向試壓53 MPa、15 min［10］，無泄漏，泄壓。拆卸下端試壓接頭，并將試壓接頭及試壓管線連接在油藏隔離閥上端，啟動試壓泵A，用清水對球閥進行正向試壓53 MPa、15 min，無泄漏，泄壓。試驗結(jié)果：油藏隔離閥球閥正、反向密封性良好。

圖2 油藏隔離閥正反向試壓示例圖Fig.2 Example of forward/backward pressure testing of the reservoir isolation valve

2.2 油藏隔離閥開關(guān)性能測試

將開關(guān)工具插入油藏隔離閥內(nèi)，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，整體放入臥式拉力架上，開關(guān)工具上端連接拉力接頭，測試開關(guān)工具開啟球閥以及與油藏隔離閥的脫手力。

開啟拉力架，下壓開關(guān)工具，記錄開關(guān)工具開啟球閥及脫手力，重復(fù)上述操作6 次，試驗數(shù)據(jù)見表1。試驗結(jié)果：油藏隔離閥開啟力13.7～23.5 kN，關(guān)閉力17.7～20.6 kN，脫手力39.2～49.0 kN，重復(fù)性和穩(wěn)定性較好。

表1 油藏隔離閥開關(guān)性能測試Table 1 Switching performance testing of the reservoir isolation valve

2.3 油藏隔離閥重入密封性測試

進行油藏隔離閥開關(guān)試驗后，提出開關(guān)工具，拆卸油藏隔離閥，檢查球閥完好性，對球閥進行無損檢測，無異常，見圖3。將球閥重新裝配進油藏隔離閥，關(guān)閉球閥，再次用清水對球閥進行正、反向試壓53 MPa、15 min，均無泄漏，泄壓。試驗結(jié)果：油藏隔離閥經(jīng)多次開關(guān)后，球閥無損傷，密封性能穩(wěn)定，可重復(fù)使用。

圖3 油藏隔離閥多次開關(guān)后無損檢測Fig.3 Non-deductive inspection of the reservoir isolation valve after repeated switching

3 油藏隔離閥下入關(guān)鍵技術(shù)

新型油藏隔離閥現(xiàn)場應(yīng)用主要包括油藏隔離閥與懸掛封隔器、打孔管一起下入，同時考慮首次應(yīng)用，為生產(chǎn)管柱攜帶開關(guān)工具開啟油藏隔離閥提供實踐依據(jù)［11］，設(shè)計刮管洗井管柱攜帶油管對油藏隔離閥球閥進行開關(guān)試驗［12］，進一步驗證油藏隔離閥在井下開關(guān)性能的穩(wěn)定性。

3.1 打孔管柱下入設(shè)計

新型油藏隔離閥下入分為外層管柱及內(nèi)層中心管柱下入，外層管柱結(jié)構(gòu)為：?177.8 mm 裸眼循環(huán)閥+?177.8 mm 短盲管+?177.8 mm 密封筒+?177.8 mm 打孔管+油藏隔離閥+?177.8 mm 盲管×2 根+快速接頭+?212 mm 懸掛封隔器，如圖4 所示。內(nèi)層管柱結(jié)構(gòu)為：?107.95 mm 洗井插入頭+?134 mm 油藏隔離閥開關(guān)工具+?73 mm NU 油管+旋轉(zhuǎn)接頭+坐封工具，如圖5 所示。

圖4 外層打孔管管柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of the outer bored pipe

圖5 內(nèi)層管柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of the inner pipe

先下入裝有新型油藏隔離閥與打孔管的外層打孔管柱，再下入攜帶油藏隔離閥開關(guān)工具內(nèi)層中心管柱，內(nèi)層中心管柱洗井插入頭插入裸眼循環(huán)閥，裸眼循環(huán)閥單流閥頂通，使打孔管柱內(nèi)外連通，實現(xiàn)下鉆過程自動灌液。打孔管柱下至設(shè)計深度后，首先坐封、坐掛外層打孔管柱懸掛器，然后將內(nèi)層中心管柱丟手，起出油藏隔離閥開關(guān)工具，使油藏隔離閥保持關(guān)閉狀態(tài)，從而使水平段裸眼儲層得到完全隔離。在油藏隔離閥上部套管刮管洗井過程中，采用較大的循環(huán)排量及循環(huán)壓力清洗套管，下部儲層也不存在漏失，從而實現(xiàn)洗井過程中儲層的0 漏失和0污染。

下入油藏隔離閥時，油藏隔離閥與懸掛封隔器之間需要連接2～3 根盲管，使油藏隔離閥與懸掛封隔器保持一定距離，防止油藏隔離閥開關(guān)工具對懸掛封隔器解封機構(gòu)造成不利影響。

油藏隔離閥開關(guān)工具下部連接的洗井插入頭長度要小于油藏隔閥開關(guān)頭到球閥距離，以免影響球閥開關(guān)。要對入井前油藏隔離閥球閥做壓力測試，關(guān)閉后正向打壓35 MPa 保持15 min，合格后才能入井。由于開關(guān)工具通過油藏隔離閥時需要9.8～19.6 kN 的力，在井口下入開關(guān)工具時，需要準(zhǔn)備2 根導(dǎo)鏈，將導(dǎo)鏈下端固定在井口套管卡瓦上，上端通過安全卡瓦固定在中心管本體上，通過拉導(dǎo)鏈增加中心管下壓力，使開關(guān)工具順利通過油藏隔離閥本體。

裝有油藏隔離閥的管柱入井時要控制下鉆速度，下放速度不超過0.3 m/s，下放速度過快會導(dǎo)致銷釘壓力激動，從而引起懸掛封隔器提前坐封。管柱下至設(shè)計深度，坐封懸掛封隔器，關(guān)閉球閥后，需要對井筒打壓13.8 MPa，驗證井筒及球閥的密封性能。

3.2 刮管洗井管柱下入設(shè)計

生產(chǎn)管柱下至井底需要通過油藏隔離閥，由于該井比較深，生產(chǎn)管柱采用?73 mm 油管組合，下壓載荷不宜過大，否則易使管柱發(fā)生形變彎曲，導(dǎo)致油藏隔離閥難以開啟的情況。因此設(shè)計在刮管洗井管柱上使用?73 mm 油管攜帶油藏隔離閥開關(guān)工具，模擬生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)，測試?73 mm 油管在設(shè)計載荷下油藏隔離閥球閥開關(guān)情況，為生產(chǎn)管柱攜帶油藏隔離閥開關(guān)工具打開油藏隔離閥提供實踐依據(jù)［13］。由于?73 mm 油管不能實施過大下壓噸位，設(shè)計油藏隔離閥下壓開啟力控制在39.2～49 kN，油藏隔離閥最小內(nèi)徑為116 mm，生產(chǎn)油管接箍外徑為114 mm，與油藏隔離閥內(nèi)徑比較接近，因此生產(chǎn)油管不能下過油藏隔離閥球閥，必須設(shè)計2～3 根外徑較小的無接箍油管，方便油藏隔離閥開關(guān)工具通過油藏隔離閥球閥，驗證球閥能夠順利打開。

管柱結(jié)構(gòu)自下而上為：?107.95 mm 洗井插入頭+?134 mm 油藏隔離閥開關(guān)工具+?73 mm 無接箍油管×2 根+變扣+?88.9 mm EU 倒角油管×4 根+?146.05 mm 可變徑刮管器+?177.8 mm 鉆桿(圖6)。該管柱要求刮管器采用可旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，大斜度井遇復(fù)雜情況可以旋轉(zhuǎn)管柱，增加應(yīng)急手段。

圖6 刮管洗井管柱結(jié)構(gòu)Fig.6 Configuration of the well flushing scraper string

3.3 攜帶開關(guān)工具的生產(chǎn)管柱下入設(shè)計

攜帶油藏隔離閥開關(guān)工具生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)自下而上為：?107.95 mm 洗井插入頭+?134 mm 油藏隔離閥開關(guān)工具+?73 mm 帶孔管+?73 mm 固定球座+?73 mm 倒角油管+?213 mm 生產(chǎn)封隔器+?73 mm油管+井下安全閥+?88.9 mm 油管，見圖7。采用洗井插入頭，方便生產(chǎn)管柱引入懸掛封隔器密封延伸筒；采用固定球座投球坐封生產(chǎn)封隔器。

圖7 生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Configuration of the production string

下放生產(chǎn)管柱至油藏隔離閥以上10 m，以速度0.2～0.3 m/s 勻速緩慢下入，密切注意指重表變化，若指重表明顯跳動，立即停止下入，在管柱上做標(biāo)記，作為球閥打開參考標(biāo)記；繼續(xù)緩慢下放管柱，下壓39.2 kN 打開油藏隔離閥。后期修井起原井生產(chǎn)管柱時，可以上提生產(chǎn)管柱關(guān)閉油藏隔離閥，修井過程中可防止井液漏失［14］，實現(xiàn)油藏保護的目的。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 基本數(shù)據(jù)

A4H 井為海上水平裸眼氣井，?212.7 mm 水平裸眼段長700 m，目的層壓力系數(shù)0.92，地層壓力32.4 MPa，地溫梯度3.38 ℃/100 m。一開?444.5 mm井眼鉆至2 206 m，?339.7 mm 套管下深2 205 m，材質(zhì)N80，公稱質(zhì)量90.8 kg/m。二開?311.2 mm 井眼鉆進至4 490 m，?244.5 mm 套管下深4 487 m，0～2 363.88 m 套管材質(zhì)3Cr-L80，公稱質(zhì)量69.9 kg/m；2 363.88～4 106.75 m 套管材質(zhì)3Cr-P110，公稱質(zhì)量79.6 kg/m；4 016.75～4 487 m 套管材質(zhì)13Cr-L80，公稱質(zhì)量79.6 kg/m。三開?212.7 mm 井眼鉆至5 190 m。井身結(jié)構(gòu)見圖8，井眼軌跡見表2。

表2 A4H 井造斜段井眼軌跡數(shù)據(jù)Table 2 Well trajectory data in build-up interval of Well A4H

圖8 某區(qū)塊A4H 井井身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Casing program of Well A4H

4.2 施工過程

(1)下入打孔管作業(yè)。下入外層打孔管，將油藏隔離閥與下部打孔管連接并坐于井口，油藏隔離閥入井前為打開狀態(tài)，使用開關(guān)工具對球閥進行開關(guān)及脫手測試。使用拉導(dǎo)鏈方式將開關(guān)工具通過及起出油藏隔離閥，球閥關(guān)閉后，打壓13.8 MPa，穩(wěn)壓15 min，試壓合格。對球閥測試合格后，連接剩余管柱及懸掛封隔器，管柱順利入井。管柱到位后，坐封懸掛封隔器，對懸掛封隔器膠皮驗封合格后，脫手坐封工具，上提中心管柱，在開關(guān)工具進入油藏隔離閥后，緩慢上提，待開關(guān)工具開關(guān)套與油藏隔離閥內(nèi)部開關(guān)槽咬合后，繼續(xù)上提管柱，過提9.8 kN 關(guān)閉油藏隔離閥球閥；過提44.1 kN 開關(guān)工具開關(guān)套和油藏隔離閥內(nèi)部開關(guān)槽脫手，繼續(xù)上提管柱，將中心管全部起出懸掛封隔器，關(guān)閉防噴器，測試油藏隔離閥內(nèi)部球閥是否完全關(guān)閉，管柱正打壓13.8 MPa，穩(wěn)壓15 min，壓力不降。

(2)刮管洗井作業(yè)。開關(guān)工具隨刮管洗井管柱入井，開關(guān)工具進入油藏隔離閥前開泵，測量管柱上提下放懸重并記錄，大排量循環(huán)沖洗油藏隔離閥球閥，緩慢下放管柱，下壓9.8 kN，判斷開關(guān)工具開關(guān)套與油藏隔離閥嚙合齒咬合，繼續(xù)下放管柱0.5 m，下壓39.2 kN，下放懸重恢復(fù)正常懸重，判斷開關(guān)工具開關(guān)套和內(nèi)部開關(guān)槽脫手，繼續(xù)下放管柱通過油藏隔離閥以下20 m，確認球閥已經(jīng)完全打開。起出開關(guān)工具，過提14.7 kN，關(guān)閉油藏隔離閥內(nèi)部球閥；過提39.2 kN，開關(guān)工具開關(guān)套和油藏隔離閥內(nèi)部開關(guān)槽脫手，繼續(xù)上提管柱將中心管全部起出懸掛封隔器。關(guān)閉防噴器，管柱正打壓13.8 MPa，穩(wěn)壓15 min，試壓合格，確認油藏隔離閥球閥完全關(guān)閉，大排量循環(huán)洗井清潔井筒，洗井排量4 m3/min，洗井時間7.5 h，最終洗井NTU 值為28。

(3)下入生產(chǎn)管柱作業(yè)。開關(guān)工具隨生產(chǎn)管柱入井，開關(guān)工具進入油藏隔離閥前測量管柱上提下放懸重并記錄，緩慢下放管柱，下壓9.8 kN 遇阻，多次下壓39.2 kN 管柱無法通過，最后一次快速下放管柱下壓49 kN，下放懸重恢復(fù)正常，此時開關(guān)工具開關(guān)套和油藏隔離閥內(nèi)部開關(guān)槽脫手，繼續(xù)下放管柱通過油藏隔離閥內(nèi)部球閥位置以下30 m，確認球閥已經(jīng)完全打開，繼續(xù)下放管柱至指定深度。

4.3 應(yīng)用效果

水平裸眼段下入油藏隔離閥及打孔管、刮管洗井、生產(chǎn)管柱作業(yè)，每趟作業(yè)順利完成油藏隔離閥設(shè)定開關(guān)動作，各種工況下球閥開關(guān)力及脫手力與室內(nèi)評價試驗結(jié)果相近，見表3。

表3 每趟作業(yè)球閥打開及關(guān)閉壓力對比Table 3 Opening and closing pressure of the ball valve for each run of operations

采用新型油藏隔離閥后，整個完井過程實現(xiàn)工作液0 漏失。刮管洗井過程中采用海水作為洗井液，較常規(guī)完井方式減少工作液損耗50 m3左右。洗井排量高達4 m3/min，較常規(guī)洗井節(jié)約3.5 h，大幅度提高洗井效率，且洗井返出液濁度明顯減小，在此海域首次實現(xiàn)裸眼水平井洗井濁度NTU 值小于30，見表4。

表4 下入油藏隔離閥與常規(guī)水平井洗井效率對比Table 4 Comparison of well clean-up efficiency between horizontal wells with and without the reservoir isolation valve

開關(guān)工具隨生產(chǎn)管柱下入，開關(guān)工具進入油藏隔離閥，與內(nèi)部開關(guān)槽咬合后多次下壓管柱39.2～49 kN，開關(guān)工具開關(guān)套和油藏隔離閥內(nèi)部開關(guān)槽脫手［15］。

5 結(jié)論與認識

(1)該新型油藏隔離閥密封性能可靠，球閥及開關(guān)工具機構(gòu)能夠在設(shè)定工況下準(zhǔn)確動作，說明該工具設(shè)計合理，可滿足施工作業(yè)要求，可進一步推廣應(yīng)用。

(2)該油藏隔離閥球閥開關(guān)力對生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)要求偏高，建議隨生產(chǎn)管柱入井的開關(guān)工具選擇為單關(guān)工具或者減小開關(guān)槽與開關(guān)套的脫手力。

(3)該新型油藏隔離閥解決了海上油氣田水平裸眼氣井儲層保護、提高井筒清潔效率、降低井控風(fēng)險等難題，后期修井時，起出上部生產(chǎn)管柱后即可關(guān)閉油藏隔離閥，可實現(xiàn)油氣井全壽命周期儲層保護，為水平井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)探索出一條新出路。