水平井管柱液压扶正器的研制与初步应用

张 勇

(中油吉林油田公司，吉林 松原 138000)

水平井管柱液压扶正器的研制与初步应用

张 勇

(中油吉林油田公司，吉林 松原 138000)

针对水平井管柱受重力效应影响，导致封隔器胶筒受力不均，密封性能下降，不能长期有效分隔水平井层段的问题，开展工艺技术研究，研制出了水平井管柱液压扶正器。通过地面模拟试验，对工具设计思路、加工材质、装配工艺及性能进行了验证。经现场试验及应用，该工具坐封扶正时能够确保水平井管柱处于居中位置，保证了封隔器的密封性能，满足有效分隔目的层段的要求;在释放扶正力时，可安全可靠撤回扶正机构，减少了修井作业时的安全隐患。适用于水平井、斜井及大位移井的分段压裂、堵水、注水等工艺施工，具有较高的推广应用价值。关键词:水平井管柱;液压扶正器;结构;原理;应用

引 言

水平井技术［1－3］起源于20 世纪30 年代，发展于80年代，成熟于90年代。进入新世纪，为了提高单井产量和原油采收率，降低开发生产成本，水平井技术更加广泛的用于开发各种油气藏，并先后取得了显著的经济效益，应用规模迅速扩大。水平井技术已成为开发“三低”油田，提高采收率的重要技术手段。目前吉林油田水平井钻井技术［4］已日趋完善，并以此为基础发展了包括水平井采油［5］、分段压裂［6］、找水堵水、分段注水［7－9］、大修打捞［10－12］等在内的多项配套工艺技术。但现场应用中，还存在工艺技术配套性差，工具不匹配，性能不稳定等问题。水平井管柱在水平段因受重力效应影响，管柱在径向分力的作用下，引起封隔器胶筒受力不均，使封隔器的密封性能下降，导致目的层段不能有效分隔，分段注水、分段压裂、机械找水堵水等工艺管柱不能实现设计目的。水平井液压扶正器就是为此研制的一种水平井管柱配套工具。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

水平井液压扶正器主要由液压机构、锁紧机构、扶正机构和释放机构组成。液压机构主要由上接头、中心管、锥体活塞、缸套、启动剪钉以及密封圈组成。扶正机构由锥体活塞、扶正块、弹簧和扶正套等组成。锁紧机构由中心管、锁簧和锥体活塞等组成。释放机构由上接头、中心管、释放销钉、释放卡簧、释放剪钉、剪钉环以及挡环等组成。

1.2 工作原理

(1)启动扶正机构。将水平井液压扶正器连接在封隔器上端或下端，下入水平井内设计位置。在油管内施液压时，水平井液压扶正器的液压机构启动，扶正水平井管柱。当油管内压力大于8 MPa时，启动剪钉被剪断，锥体活塞在液压力作用下下移，推动锁簧下行，将扶正块推出扶正在套管之上。同时扶正块与扶正套之间的压簧被压缩而储存能量，当释放扶正力时，起到复位的作用。这时锁簧与中心管上的细螺纹进行斜面锁紧。当液压力消除后锥体活塞与扶正块都无法收回，起到长期有效扶正居中水平井管柱的目的。

(2)撤回扶正机构。修井作业时上提水平井管柱，释放剪钉被剪断，上接头和中心管上行带动锁簧上行，锁簧带动锥体活塞撤出锥面扶正，同时中心管上的释放卡簧和锥体活塞上的释放销钉也带动锥体活塞撤出锥面扶正，迫使扶正块在压缩弹簧储存弹力作用下收回扶正块。同时水平井管柱上的重力效应也迫使扶正块在重力作用下收回扶正块，有效地减少了水平井作业的安全隐患。

2 设计要点及主要技术参数

2.1 液压扶正机构设计

径向圆周均匀布置6个扶正块，确保水平井管柱在水平井段上始终处于居中位置，减少了重力效应的影响。

2.2 锁紧机构设计

设计螺纹与斜面配合的锁紧机构，在中心管和锁簧上设计细螺纹，当液压启动锥体活塞时，锁簧随其向下移动，锥体活塞推起扶正块，锁簧在锥体活塞的斜面作用下锁紧，防止扶正块因泄压而回位，提高了扶正效果。

2.3 储能弹簧设计

在扶正块上设计了储能弹簧，液压启动扶正时储存能量，并辅助锁紧扶正。泄掉液压后，扶正块无法收回，保持扶正居中状态。在上提管柱时储存的弹性能量帮助扶正块复位。

2.4 径向沟槽设计

扶正块上的橡胶采用径向沟槽设计，增大了相互间的摩擦力，同时也减少了水平井管柱蠕动，为上提释放扶正器提供足够的摩擦力。

2.5 释放撤回机构设计

修井作业上提管柱时，锁簧、释放卡簧和释放螺钉在中心管带动下强制撤回扶正力，减少了水平井修井作业安全隐患。

2.6 主要技术参数

水平井液压扶正器主要技术参数包括:总长度为600 mm，最大外径为ø114 mm，最小通径为ø62 mm，启动扶正压力为8 MPa，释放力为20 kN。

3 现场试验

3.1 地面试验情况

为尽快投入到现场应用中，工具研制成功后，进行了地面试验。首先从油管内施液压约为8 MPa，然后上提油管观察水平井液压扶正器的撤回扶正力。进行多次地面试验成功后定型。地面试验的情况数据见表1。可以看出，水平井液压扶正器的工作性能良好，启动扶正机构后无渗漏，密封性能良好，上提油管的撤回扶正力达到了设计的技术指标，满足现场试验的参数要求，认为该工具可以进行先导性现场应用。

表1 水平井液压扶正器的地面试验数据

3.2 现场应用情况

水平井液压扶正器自2010年10月至今在扶余采油厂的水平井井下分注工艺管柱中配合水平井封隔器应用了2井次。

现场实例:扶平201井油井转注。该井射孔完井，人工井底为720.89 m;管外水泥返高至地面;套管深度为732.28 m，外径为139.7 mm，内径为124.26 mm;固井质量合格。2008年7月28日投产，2010年10月15日地质要求转注，4段注水。2010年11月2日上大修，起出井下杆管及配件;探砂面，冲砂至人工井底，刮套至射孔底界;用2个SPK344－110封隔器夹1个2 m短接代替通井规通井至人工井底，未遇阻;从410 m至井口验窜查套，无漏点;按射孔通知单要求对1～4号解释层进行补孔，数据见表2。按设计要求配下分段注水管柱。2010年11月3日连接好井口，用泵车打压至9 MPa，启动液压扶正块，停泵30 min，缓慢释放掉压力。试注水，井口不刺、不漏、不渗，管柱不漏，施工作业结束。

表2 扶平201井补孔参数

井下配件型号包括:水平井封隔器(SPK344－110)+水平井井下配水器;高压分注井口，最大承受压力为21 MPa;水平井管柱液压扶正器，纳米涂料油N80(其公称直径约为73 mm)。

扶平84井转注，作业工序类同于扶平201井，差别为只对2～4号解释层进行了补孔。

3.3 效果评价

2010年12月对上述2口转注井注水情况进行了测调试，各段封隔器、配水器工作正常，注水量满足配注计划 (表3)，达到了地质分4段注水的目的。这证明水平井液压扶正器在封隔器坐封时，液压扶正功能正常，实现了配水管柱位置居中，保障了水平井注水管柱封隔器在井下的密封性能。

表3 水平井井下分注实注情况

4 施工要点及注意事项

(1)下入水平井管柱液压扶正器前应通井、冲砂和刮削套管。

(2)将水平井液压扶正器连接在封隔器上下端部，或者按封隔器间距，只安装在封隔器的上端或下端。

(3)扶正点应尽可能地避开套管接箍。

(4)采用液压启动扶正功能时，应在水平井液压扶正器的工作范围内，即液压力低于70 MPa。

(5)修井作业时上提水平井管柱达到释放力即可释放扶正机构。

5 结论

(1)保持扶正块对套管的扶正居中功能，同时在上提管柱时安全方便地撤回扶正块是水平井液压扶正器的技术关键。

(2)水平井液压扶正器使水平井管柱不受重力效应影响，保证封隔器在井下密封工作性能良好，实现有效分隔目的层段。

(3)水平井液压扶正器适用于水平井、斜井及大位移井的分段压裂、分段注水、机械找水堵水等工艺施工。

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Development and application of hydraulic centralizer for horizontal well

ZHANG Yong
(Jilin Oilfield Company，PetroChina，Songyuan，Jilin138000，China)

The pipe string in horizontal well is affected by gravitational force，resulting in uneven stress on packer rubber，thus reduced its sealing property and made it incapable of long－term isolation for horizontal intervals．To solve this problem，hydraulic centralizer has been developed for horizontal well．The centralizer has been tested for design concept，material，assembly process and performance through model tests．Field test and application have shown that this tool can centralize the pipe string in horizontal well，ensure packer sealing property and effectively isolate target intervals．When the centralizing force is released，the centralizing mechanism can be withdrawn safely，thereby reduced risks in workover operation．This centralizer can be applied to multistage fracturing，water shutoff and water injection in horizontal well，deviated well and extended reach well，and is highly worth popularizing．

horizontal well pipestring;hydraulic centralizer;structure;principle;application

TE358

A

1006－6535(2011)05－0111－03

20110325;改回日期20110615

吉林油田公司“水平井低渗透改造攻关”项目部分内容(JY07A－2－4－1)

张勇(1970－)，男，工程师，1999年毕业于大庆石油学院采油工程专业，现从事石油工程、油气开采的研究及管理工作。

编辑 王 昱