水平井可捞可钻桥塞的设计

□ 彭 冲 □ 王晓飞 □ 刘让龙 □ 张 桓□ 郭开龙 □ 豆志权 □ 鲁延瑞

1.长庆油田分公司第十二采油厂 西安 7102002.金湖县支点石油科技有限责任公司 江苏淮安 211616

1 设计背景

水平井开发技术在新油田开发和老油田挖潜方面成效显著。水平井采油的一个突出问题是边底水突进较快,导致原油含水率迅速提高。桥塞作为一种高效的井筒封层工具,广泛应用于油层找水封堵。目前现场应用的桥塞分为电缆输送式和机械式两种。电动液压式桥塞及重复智能坐封桥塞属于电缆输送式桥塞,采用电缆输送工作信号,但往往在井筒中容易遇阻,电缆在作业中易受磨损破坏,导致信号传输失败,同时在高温高压井筒中封层性能也不理想。机械式可捞桥塞及机械式可磨钻桥塞功能性单一,且在井筒中遇阻卡钻风险高,解封打捞丢手能力欠缺。笔者设计了水平井可捞可钻桥塞,具备工具捞出及磨钻功能,捞出管柱遇阻卡钻时可投球丢手,并且可以克服水平井井筒特殊工作轨迹带来的遇阻提前坐封现象。

2 结构设计

水平井可捞可钻桥塞兼容可捞桥塞与可钻桥塞的作用功能,基本结构由抗遇阻机构、坐封丢手机构、锁紧解封机构、压缩密封锚定机构四个部件组成。水平井可捞可钻桥塞如图1所示。

▲图1 水平井可捞可钻桥塞

抗遇阻机构可确保桥塞入井过程中顺利通过水平井大斜度拐点及井筒变形处,由桥塞中心管中嵌合的两个抗阻卡块克服管柱遭遇的载荷,避免桥塞在非设计位置提前坐封封层。坐封丢手机构是作业管柱泵注高压流体后桥塞启动运行的表征部件,坐封丢手机构内部的坐封活塞在高压流体的作用下将四个M8铜制坐封销钉剪断,失去机械控制的活塞启动坐封程序。锁紧解封机构由倒齿零件与锁环相互啮合受力锁紧,确保挤压封层的胶筒物理变形恒定,形成承压封堵空间。压缩密封锚定机构由φ112 mm丁腈胶筒、上锥体、下锥体、卡瓦等组成。在丁腈胶筒中间位置设有隔环,挤压成型的胶筒在上下锥体和隔环轴向推动作用下呈鼓状膨胀。胶筒的有效密封直径达126 mm,上下承压35 MPa。卡瓦及上下锥体轴向压缩胶筒后,具有锚定功能。整体成型制造的筒状卡瓦克服分散性、易损性等缺点,强度高,锚定力大,井筒锚定机械特性的保持时间长。

3 桥塞管柱组合形式

应用水平井可捞可钻桥塞时,桥塞管柱的组合形式一般分为四种。第一种为封下采上。桥塞底部连接高压盲堵,直接封下层。待桥塞工艺成熟后,可以通过过泵传压工具实现送封、生产管柱一体化。第二种为封上采下。桥塞底部连接单流阀,将中心管插入桥塞内腔中,封上层,下层生产。 第三种为封中间采两端。桥塞底部可以连接Y341封隔器或其它具有封堵功能的封隔器及单流阀,将桥塞中心管抽出,封堵中间层,上下油层生产。第四种为封两端采中间。桥塞连接分流开关及Y341封隔器,正常生产时将中心管插入桥塞,基于分流开关形成原油流动通道,保证了对中间油层的正常开采。

4 工作原理

(1) 桥塞坐封。在油管流体打压条件下,外活塞启动滑动。在滑动过程中内活塞失去对外活塞的约束,外活塞推动锁套、密封机构及上锥体向右侧滑动,先迫使卡瓦伸张锚定套管,再轴向压缩丁腈胶筒形成密封。当坐封丢手机构从水平井可捞可钻桥塞主体处分离后,桥塞中的锁套和锁环形成自锁,使桥塞的锚定与密封得以恒定。

(2) 桥塞捞出。进行水平井可捞可钻桥塞捞出作业时,由地面下入专用打捞解封工具。打捞工具与桥塞留井中的打捞头通过螺纹方式对接,且对接螺纹为左旋,而常规油管及工具均为右旋螺纹。当打捞遇阻需要退出打捞工具时,将地面管柱负载提高15 kN,右向旋转管柱,退出打捞工具,在如此状态下退出打捞工具,不会增加留井工具零件。若旋转解卡不能实现,则可通过液力释放方式来打捞工具。

(3) 桥塞磨钻。水平井可捞可钻桥塞在井中的捞出作业难度相比定向井大,水平井井筒工作轨迹特殊,若井筒拐点和斜度测量不够准确,则将造成桥塞捞出解封困难,桥塞留井部分无法捞出。所设计的水平井可捞可钻桥塞可最大限度减少留井工具零件,缩短磨钻时间,减小磨钻工具损耗,提高磨钻效率。桥塞磨钻零件的材料为丁腈橡胶、球墨铸铁、合成碳纤维,上述材料的可磨削性好,球墨铸铁及碳纤维材料制造的零件强度高,同时也能够满足桥塞的封层锚定功能。

5 技术参数

水平井可捞可钻桥塞最大外径为114 mm,内径为24 mm,适用温度为120 ℃,启动压力为8 MPa～10 MPa,坐封压力为22 MPa～24 MPa,工作压力为25 MPa，总长为1 300 mm。这一桥塞适用于井筒规格为121.36～124.26 mm的水平井,最大入井斜度为75°,解封拉力为68 kN～82 kN,磨钻进尺为40 mm/min。

6 技术特点

水平井可捞可钻桥塞具有解封打捞和钻铣磨削功能,可以克服水平井井筒工作轨迹特殊及井筒变形缩径造成的桥塞遇阻坐封问题。

设计抗遇阻机构,防止桥塞因套管结构变形而提前坐封。抗遇阻机构中的内活塞、外活塞、推筒、中心管等零部件整体总装,当套管机械卡阻时,外活塞及锁块处于受控状态,桥塞不会因机械卡阻而启动,抗卡阻强度可达200 kN。

桥塞坐封捞出作业无法实现时,可对留井部分进行磨钻处理。留井部分的工具零件主要为上锥体、下锥体、卡瓦,上锥体、卡瓦为球墨铸铁材料,下锥体为碳纤维复合材料。

桥塞配套捞出工具为可退捞矛结构形式,捞出工具可在捞出作业遇阻过程中打压丢手。捞出作业中地面负载提高至设备提升极限负载时,捞矛遇阻无法完成解封和右旋退扣,对此,向井筒内投球打压,桥塞配套捞出工具承压分解,打捞管柱提出地面。

7 地面试验

7.1 抗机械遇阻测试

设计全环境模拟测试装置,按实际尺寸加工抗遇阻机构、内活塞、外活塞,用拉伸试验机强行拉伸抗遇阻机构,测试抗遇阻机构的最大剪切力。经四组锁块测试,折算抗剪切力分别为220 kN、190 kN、210 kN、210 kN,由此换算出水平井可捞可钻桥塞抗机械遇阻能力约为20 t。

7.2 启动压力、丢手压力测试

将桥塞下接头连接盲堵,置于全环境模拟测试装置中,泵注高压流体由中心管处打压坐封、丢手,测得四次启动压力分别为8 MPa、9 MPa、9 MPa、7 MPa,对应丢手压力依次为24 MPa、22 MPa、24 MPa、23 MPa。基本可以确定桥塞的启动压力为7 MPa～9 MPa,丢手压力为22 MPa～24 MPa。

7.3 承压测试

桥塞下接头连接盲堵,置于全环境模拟测试装置中,从中心管处打压坐封、丢手。从下泵入口泵入37 MPa高压,从上观察口观察,观察时间10 min,未见溢流,下压降低至36.5 MPa。从上泵入口泵入37 MPa高压,从下观察口观察,观察时间10 min,未见溢流,上压降低至36 MPa。试压压降为,观察时间10 min内0.5～1 MPa。在测试过程中未见溢流,对于压降的原因判断为桥塞丁腈胶筒变形压缩。

7.4 桥塞解封测试

桥塞下接头连接盲堵,置于全环境模拟测试装置中,从中心管处打压坐封、丢手。耐压测试完毕后,用提升设备连接配套打捞工具,捕获桥塞打捞管,上提桥塞解封。最大解封力分别为70 kN、65 kN、70 kN、80 kN,解封力接近解封销钉材料的剪切应力。

8 现场应用

水平井可捞可钻桥塞在长庆油田第十二采油厂庄平28-1井、固平125-1井、固平27-2井共三口油井进行现场应用,桥塞封堵形式均为封下采上。经过三口油井的现场应用,证明桥塞的坐封、密封功能均可正常实现。桥塞下井过程中遇阻,但没有提前坐封封层,克服了普通桥塞遇阻提前坐封的问题。从现场应用的结果来看,桥塞满足水平井的封堵技术要求,三口油井的试验数据及效果评价见表1。由于目前现场应用桥塞的水平井均处于正常生产状态,因此捞出性能及磨钻性能需根据后续现场作业情况来进行验证。

表1 现场应用试验数据及效果评价

9 结束语

笔者设计的水平井可捞可钻桥塞具备工具捞出、磨钻双重机械功能,有效提升桥塞的解封容错性能。

桥塞具有良好的井筒封层性能,可承载井筒流体压力达25 MPa,能够适应水平井井筒特殊工作轨迹,提高工具通过性。桥塞在现场应用中,对降低油井含水率产生明显效果,应用的三口油井含水率分别下降50.6%、8.9%、53.2%。

桥塞配套的打捞工具兼具正常捞出及管柱遇阻液力释放功能,可以避免管柱遇阻卡钻。

桥塞的内部结构设计提高了在遇阻条件下的抗阻能力,有效规避了在井筒中提前坐封的现象,抗遇阻能力约为20 t。