S22井利用地层压力辅助解封封隔器技术

吴俊霞， 黄建林， 岳 慧， 何汉平， 付道明

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 100029)

高含硫化氢油气井普遍采用带生产封隔器的一次性完井管柱[1-3]，封隔器可以封隔油套管环空，防止腐蚀性气体进入油套环空腐蚀套管内壁和油管外壁，同时保护套管头不承受额外的高压，保证管柱能够长期安全稳定工作。AHR封隔器是国内外广泛应用的生产封隔器，安全可靠。

S22井是国外Y油田的一口水平井，目的层为S油层，井深4 096.00 m，垂深2 940.45 m，水平段长约900 m，裸眼筛管完井，油层压力约31 MPa，地层压力系数1.2；H2S分压0.032 MPa，CO2分压0.61 MPa。S22的完井管柱采用带AHR生产封隔器的酸洗、测试、生产一体化完井管柱，生产封隔器以下采用耐腐蚀合金管材，封隔器上部管柱安装连接至地面加药阀的毛细管线，加注防腐剂防止管柱腐蚀。为了降低成本，封隔器尽可能接近产层段，坐封在水平段。“落鱼”卡在井深3 141.00 m 的φ144.3 mm筛管处，为了将“落鱼”磨铣掉或推至人工井底，需解封封隔器，重新完井。采用了3种解封方案：1)上提油管解封；2)下入堵塞器，油管加压解封封隔器；3)环空加压解封封隔器。在油管抗拉强度范围内，这3种方法均不能使封隔器解封。

笔者对大斜度段封隔器的解封载荷进行模拟计算，提出利用地层压力对封隔器的上顶力来辅助解封封隔器，与国内外现有解封技术相比，简化了封隔器解封工艺，提高了施工效率。

1 AHR封隔器工作原理

1.1 坐封工作原理

AHR封隔器是一种可取式液压坐封井下装置[4]，完井管柱下至预定位置后，向封隔器下面的工作筒内下入堵塞器，对管柱进行封堵(见图1)；然后向油管内泵入完井液加压，压力通过传压孔驱动活塞向上运动，剪断坐封销钉使外筒上移，挤压胶筒，推动下锥体上移胀开筒状卡瓦并锁在套管内；卡瓦锁定后，压缩胶筒，使胶筒与套管充分密封，机械自锁系统，活塞下部的内锁卡瓦咬合住心轴，使封隔器锁定在坐封位置，实现永久坐封。

图1 封隔器工作原理示意图Fig.1 Working principle of packers

1.2 解封工作原理

解封时，上提油管串，带动中心管上移，如图1，达到一定拉力后剪断解封销钉，封隔器的活塞下移，胶筒回缩，下锥体下移，卡瓦归位，完成解封过程(见图1)。

也可以采取切割中心管来解封，但施工比较困难，风险大。这种解封方法只作备选方案，一般不推荐使用。

2 解封失败原因分析

2.1 上提解封失败

S22完井生产管柱自上而下为：φ88.9 mm油管+井下安全阀+φ88.9 mm油管+气举阀+φ88.9 mm油管+滑套+加药阀+φ88.9 mm油管+ AHR封隔器+φ88.9 mm油管+ No-Go工作筒+φ88.9 mm油管(见图2)。AHR封隔器坐封在φ177.8 mm合金尾管末端井斜角80°的水平段，井深3 109.00 m处，接近油层顶部。入井前，根据后续作业的最大压差，考虑到销钉的温度效应导致材料强度降低10%和1.25的安全系数，设置封隔器解封力为441 kN，加药阀以上采用材质 L80-1、线密度13.69 kg/m的油管，其额定抗拉强度921 kN。

图2 S22管柱结构示意Fig.2 Structure of the string in Well S22

高酸性油气井解封封隔器时井控风险高[5]，作业施工前循环脱气，不下堵塞器，下入滑套开关工具打开滑套，采用密度1.2 kg/L的盐水反循环压井，使井底液柱压力与地层压力平衡，关闭滑套，上提解封封隔器。当井口上提力达到901.6 kN时，由于拉力大部分消耗在油管串和封隔器与套管间的摩擦上，封隔器不能解封。

2.2 下入堵塞器，油管加压解封封隔器失败

油管内加压，压力作用在堵塞器上，使中心管受到向下的力，进而剪切解封销钉。井口加压至41.4 MPa，经计算，只能对解封销钉产生187.2 kN剪切力，仍无法解封。

2.3 环空加压解封封隔器失败

根据封隔器内部结构分析，从环空加压，产生一个作用在封隔器胶筒的作用力，最终作用在剪切销钉上，使剪切销钉受到向下的力。计算表明，如果加压至20.7 MPa，则对解封销钉产生的剪切力仅为175.4 kN，仍达不到封隔器的预定解封力441 kN。

3 利用地层压力的“上顶力”辅助解封技术

3.1 封隔器在斜井段的受力分析

由于井斜，管柱在井筒中的受力情况较复杂，上提解封封隔器时，上提载荷除要克服管柱自重、封隔器设计的解封力外，还要克服油套间的摩擦阻力[6-11]。并且油管外有3根用钢卡子卡在油管接箍上的毛细管线，增加了油管与套管的接触面积，增大摩擦阻力，使传递到封隔器上的拉力大幅减小。

管柱主要受拉力、重力、摩擦力及套管壁对其的反作用力。截取1段管柱，对其进行受力分析(见图3和图4)。

图3 管柱受力分析示意Fig.3 Force analysis of the string

图4 管柱轴向受力分析示意图Fig.4 Axial force analysis of the string

管柱轴向受力为上下部管柱的拉力、管柱重力沿轴向的分力和摩擦力:

(1)

即：

(2)

由于封隔器在大斜度井段锚定，上提解封封隔器时，井口载荷除要克服管柱自重、油套间摩阻力外，还要克服封隔器自身预先设定的解封力。结合式(2)，导入封隔器需要的解封力，可推导出式(3)，以此迭代，得出井口所需要的提升载荷。

ρglμsinαi

(3)

式中：Fpf为封隔器设计解封载荷，N；A为封隔器内筒与外筒间的环形横截面积m2；ppt为作用在封隔器上部的压力,Pa；ppb为作用在封隔器下部的压力,Pa。

根据井内管柱结构、井斜数据、井内流体和井筒温度等参数，利用上述模型，进行封隔器解封拉力模拟计算[3]，计算结果如图5所示。

由图5可知，过提力为700 kN时，封隔器处轴向载荷441 kN，井口解封载荷约为1 000 kN才能解封。在油管的额定抗拉负荷内，采取直接上提管柱解封封隔器的方式无法解封封隔器。

3.2 计算需掏空液柱高度

根据计算，在管柱的抗拉范围内，需要至少提供205 kN的上顶力，才能剪断解封销钉。

图5 S22井不同过提力下的轴向载荷模拟计算结果Fig.5 Simulation results for axial forces under different overpull in Well S22

以封隔器的中心管为研究对象，进行受力分析。为增大地层对封隔器中心管的作用面积，首先在油管内下入堵塞器。掏空油、套管内部分液柱，减小液柱对封隔器中心管的压力，释放部分地层压力，合力向上推动中心管向上运动，剪切解封销钉。

1) 作用在油管底面的向上地层作用力计算公式为：

(4)

式中：F1地层为作用在油管底面上的向上的力，kN；pr为地层压力，MPa(S22井取31.034MPa)；D为封隔器胶筒处中心管外径，mm(S22井为117.7mm)。

2) 作用在封隔器中心管向下的液柱作用力为：

FL=FL1+FL2=0.001ρlgh(S1+S2)

(5)

式中：FL为封隔器中心管受到向下的液柱作用力，kN；FL1为油管内液柱的作用力，kN；FL2为油套环空中液柱对封隔器的作用力，kN；ρl为液柱的密度，kg/m3；S1为油管内截面积，mm2；S2为油套环空中封隔器中心管的截面积，mm2。

地层压力与液柱对管柱的合力为：

F2=F1-FL

(6)

式中：F2为地层与液柱对管柱的合力。

计算可得,F2=205 kN。

将式(4)、式(5)代入式(6)，变换后可得：

(7)

3) 将数据代入式(7)，并进行单位换算，得液柱高度h=1 292 m。

油井垂深2 940 m，需要掏空液柱高度为1 648 m。

计算表明，在油管内下入堵塞器，掏空油、套管内1 648 m的液柱，利用地层压力向上推举管柱，补偿上提管柱解封封隔器时管柱抗拉强度不足的方法，在理论上是可行的。

4 现场施工

掏空油管、油套环空内液柱，借助地层压力向上推动管柱，辅助上提油管解封封隔器，该技术增大了井控风险，施工过程前，需要制定周密的井控方案，确保风险可控。具体施工步骤为：

1) 拆井口，安装防喷器，环形防喷器与闸板防喷器配套使用，封闭油套环形空间;

2) 打开滑套，循环盐水压井;

3) 缓慢试提完井管柱，计算油管外固定的需要切割的控制管线和注入管线长度，并切割;

4) 用连续油管向管柱底部的No-Go工作筒和上部的工作筒中依次下入堵塞器，在油管内形成2道屏障;

5) 用钢丝下入滑套开关工具打开滑套，连续油管下至井深2 800 m，用氮气正循环出油套环空中的液体61 m3，液柱高度约1 700 m，消耗液氮19 m3，产生约205 kN的上顶力，直接作用在解封销钉上;

6) 关环形防喷器，上提管柱，上提至780 kN时，悬重突然降为420 kN，封隔器解封成功;

7) 封隔器解封后，迅速下放油管，将毛细管线下放到闸板防喷器之下，关闭闸板防喷器，打开环形防喷器，启动压井程序；压井、溢流检查，起钻。

5 认识与结论

1) 坐封在大斜度段的封隔器上提解封时，拉力损失大，井口拉力不能有效传递到封隔器的解封销钉上，利用地层压力辅助剪断解封销钉解封是一种有效解封方式，与其他方法相比，降低了作业风险和难度，提高了成功率。

2) 封隔器解封存在一定的风险，特别是含硫化氢油气井在施工作业中，要全过程、全方位、多层面进行安全控制，确保施工安全。

3) 在制定封隔器的解封方案前，必须分析清楚封隔器的工作原理，避免作业复杂化。

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