水平井完井用可捞式分级注水泥器

2018-12-04朱玉杰秦金立冯丽莹

断块油气田 2018年6期

朱玉杰,秦金立,冯丽莹

(1.中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京 100101)

0 引言

分级注水泥器是分级固井工艺的关键工具,采用分级注水泥器进行分级固井,可降低环空静液柱压力,减少注水泥作业中发生井漏的可能性,降低施工压力,缩短一次注水泥施工时间,有利于提高固井质量[1-4].常规分级注水泥器在关闭循环孔后,需下入钻具钻除内部附件,以便于后续作业的实施.当分级注水泥器规格尺寸大于φ177.8 mm时,在固井结束后钻井队一般采用现有的φ127.0 mm钻具即可进行后续钻除作业;而当分级注水泥器规格尺寸小于φ177.8 mm时,还需再组织φ88.9 mm小钻具进行后续钻除作业.目前,国内大多数油气井采用φ139.7 mm套管作为油层套管.而当进行分级固井作业时,固井后需下入小钻具钻除φ139.7 mm分级注水泥器的内部附件.由于钻具规格小,钻压和扭矩难以施加,在钻除过程中,往往出现钻偏、钻漏及钻除时间长等现象,影响分级注水泥器的密封能力.此外,分级注水泥器在附件钻除后其内通径很难达到套管通径,进而影响后期通井工具和压裂工具的下入.这些情况的发生,不仅延长了完井周期,同时也大大增加了钻井成本[5-7].

为解决分级注水泥器的附件钻除问题,国内多家公司开发了免钻除分级注水泥器,固井结束后其内部附件在可在重力作用下自行滑至井底,无需再下钻钻除附件,从而可避免钻后密封失效和井眼不畅等情况的发生[8].但该类型分级注水泥器只适用于直井,不能适用于斜井和水平井,具有一定的使用局限性.此外,中石化胜利钻井院等单位研发了一种适用于水平井筛管顶部注水泥工艺的可捞式分级注水泥器,但该类型可捞式分级注水泥器由于有内部盲板结构的存在,只能适用于下部裸眼完井、上部固井的完井方式,不能用于分级固井作业[9-12].

随着各种特殊井况和新型工艺的出现,分级注水泥器在水平井中的应用越来越多[13-15],且国内还未有适用于水平井的无需钻除附件的分级注水泥器,基于此,本文开发了一种适用于水平井完井用的φ139.7 mm可捞式分级注水泥器.

1 可捞式分级注水泥器技术研究

1.1 结构原理

可捞式分级注水泥器工具总成主要由可捞式分级注水泥器单元及配套的重力型打开塞、关闭塞和打捞爪组成.分级注水泥器单元主要由上接头、打捞套、滑脱剪钉、关闭套、本体、内套、定位卡簧、打开套、密封圈、滑脱剪钉和下接头组成,如图1所示.其中:打捞套上设计有锯齿形机构,用于和打捞爪配合;关闭套和打开套内径设计为套管通径,内套与打开套和关闭套之间设计有大间隙,并通过大间隙密封圈实现密封,这样保证了内部附件能够顺利提出井口,实现套管串全通径.

图1 可捞式分级注水泥器结构

可捞式分级注水泥器的工艺原理:1)注完第1级水泥后,释放挠性塞,顶替泥浆,当挠性塞碰压后,释放井口压力,并投入重力型打开塞.待重力型打开塞靠自由落体坐入内套后开泵加压,打开循环孔,建立循环并循环出分级注水泥器以上的多余水泥浆.2)注完第2级水泥后,释放关闭塞,顶替泥浆,当关闭塞坐入分级注水泥器的内套上后,继续加压,剪断滑脱剪钉并关闭循环孔;同时防退卡簧弹入本体卡簧槽内,可以有效防止关闭套退回,确保分级注水泥器关闭的可靠性,此时关闭套实现永久关闭.3)固井结束后,下入打捞管串连接打捞爪至分级注水泥器位置,当悬重突然下降时说明打捞爪下入到位,打捞爪插入打捞套内.上提打捞管串,内套上移一段距离后,定位卡簧弹入内套的卡簧槽内,通过上提下放判断内部附件是否提脱,打捞状态如图2所示.判断打捞成功后,起出打捞工具管串,管内实现全通径(见图3).

固井后分级注水泥器内部附件一次性提出井口,减少了修井作业时间及成本;完井管柱内通径大且内表面光滑通畅,保障了后续作业的顺利实施,改善了作业效果.

图2 打捞内部附件状态

图3 附件提出后全通径状态

1.2 关键机构的设计

1.2.1 打捞机构

打捞爪和打捞套是可捞式分级注水泥器的关键机构之一,是承受打捞过程中轴向载荷的主要部件.打捞爪(见图2)在插入打捞套时,与打捞套形成齿对齿配合,需不断经过先收缩后弹开的过程,直至完全嵌入进打捞套为止,打捞爪与打捞套形成连接,通过齿形啮合形成轴向抗拉能力.根据打捞爪的工作原理,打捞爪必须具备2项基本性能:首先,打捞爪插入打捞套过程中,在连续的收缩、弹开后不会收缩变形;其次,打捞爪与打捞套之间形成拉载荷时,打捞爪具有足够强度保证啮合可靠性.因此,采取以下措施提高打捞机构的可靠性:

1)打捞爪与打捞套设计负角度锥形齿形,锥形齿形可保证打捞爪插入时爪肋径向变形量小,负角度齿形保证轴向受拉时各齿咬合更加可靠.

会后，组织参观了西虹桥1号能源站分布式供能系统，提升了与会者对因地制宜利用空气源热泵与水源热泵串级技术、水蓄能技术互补融合，实现梯级利用，提高能源综合效率的感性认识。

2)优选打捞爪材料及热处理加工工艺,提高打捞爪的材料强度,保证打捞爪插入时应力小于材料屈服极限,不会发生塑性变形.

1.2.2 大间隙密封装置

分级注水泥器内套与打开套、关闭套之间设计有至少4 mm的间隙,如何保证其密封是关键.根据分级注水泥器工作原理可知,内套与打开套、关闭套之间的密封装置只需承受来自顶部的压力,故选择密封装置只要求为单向大间隙密封即可.大间隙密封圈的工作原理是依靠其张开的唇边贴于密封副偶合面 (见图4).无压力时,仅仅因唇尖的变形而产生很小的接触压力.在压力作用下,通过密封圈上部的变形,在密封圈唇的周围产生拉伸-压缩应力,这就使密封唇被推向金属的表面,产生接触应力.随着液压力的增加,密封唇边形值也随之增大,接触压力也就增大,这样就产生自封的效果.

图4 大间隙密封示意

为满足该分级注水泥器的应用条件,对大间隙密封圈和密封槽进行了优化设计,并对密封能力进行了试验验证,试验结果表明,大间隙密封圈密封能力达到35 MPa,满足了现场施工要求.大间隙密封技术既保证了内部附件的顺利提出,又保证了分级注水泥器处无缩径,保证了后期作业的实施.

1.3 技术参数

可捞式分级注水泥器主要技术参数见表1,适用水平井(φ139.7 mm套管完井).

表1 可捞式分级注水泥器主要技术参数

1.4 关键施工工艺及预案

1.4.1 压胶塞替浆技术

可捞式分级注水泥器的施工工艺和常规工具有所不同,为实现打捞机构在套管内的顺利提出,保证施工成功率,对整个施工工艺进行了优化研究,提出了专用的压胶塞替浆技术,主要对施工过程用的液体进行了研究及调整.

2)替浆液.可捞式分级注水泥器用于套管完井作业中,为避免施工结束后再进行洗井作业,替浆液主要用清水取替了钻井液.利用清水替浆也为工具提出部分的顺利打捞提供了有力条件.

3)内置液.一级替浆过程中,在分级注水泥器位置以上1 m3、下3 m3需替入特制的内置液,该内置液类似压塞液,内部含有一定的黏度、切力和抗高温稳定的材料,避免钻井液或水泥浆中固相颗粒在静压作用下侵入分级注水泥器,堵塞密封件与内套之间的间隙.

1.4.2 施工风险及预案

可捞式分级注水泥器的打开和关闭动作原理与常规分级注水泥器相同,当遇到循环孔打不开或关不上等问题时,施工预案与常规分级注水泥器解决方法相同.除此之外,可捞式分级注水泥器存在的施工风险及预案为:

1)内部附件水泥固结造成提出困难.首先,固井过程中在分级注水泥器位置替入特制内置液,预防水泥固结,即尽量避免钻井液或水泥浆中固相颗粒堵塞分级注水泥器内部的间隙,造成提出困难.其次,如果发生水泥固结现象,则在打捞工具下入到位前,边下边循环,尽量循环出分级注水泥器打捞套内部杂质,保证打捞爪顺利插入打捞套.如不能顺利插入,则可旋转打捞管柱,磨铣打捞套内残留水泥.

2)附件无法提出.打捞工具下入到位后,如多次上提到允许最大载荷仍不能提出内部附件,则可正转起出打捞工具,下入钻具钻除内部附件,内部附件均采用可钻除材料,具有较好的可钻性.

2 性能评价及入井试验

为检验可捞式分级注水泥器的各项功能和性能,在样机试制后,进行了地面性能试验,包括打开前整体密封试验、打开试验、关闭试验、内部附件打捞试验以及关闭后的密封性能试验.表2为其中2次的试验结果.试验结果表明,研制的φ139.7 mm可捞式分级注水泥器的整体密封能力达到35 MPa;循环孔打开、关闭动作正常;关闭后密封能力达到35 MPa;内部附件可顺利提出.可捞式分级注水泥器的各项指标满足设计要求.

表2 可捞式分级注水泥器性能试验结果

可捞式分级注水泥器完成地面性能试验后,在中油能源发展公司JJSY-2H井完成了入井试验.JJSY-2H井为一口水平井,井深2 200 m,水平段长400 m,φ139.7 mm可捞式分级注水泥器下深1 500 m,下深位置井斜15°.工具顺利下到预定位置后,投入打开塞憋压8.5 MPa打开循环孔,关闭塞泵送到位后憋压5.7 MPa成功关闭循环孔,最后下入φ88.9 mm油管打捞管串,到位后上提35 kN成功打捞出内部附件 (见图5).试验后分级注水泥器内径达到套管通径,后续工具可顺利通过.入井试验结果较好地验证了可捞式分级注水泥器的可靠性.