電磁波控制井下安全閥在氣井中的成功應用

劉德正 單茂青 呂選鵬 王玉忠 馬田力 (渤海鉆探井下技術服務分公司)

電磁波控制井下安全閥在氣井中的成功應用

劉德正 單茂青 呂選鵬 王玉忠 馬田力 (渤海鉆探井下技術服務分公司)

導致地面控制井下安全閥 (SCSSSV)失效的最常見原因是,從地面到井下安全閥的液壓控制管線出現(xiàn)故障,這些故障不僅造成油氣井產量損失,而且還需要進行費用昂貴的修井作業(yè)。為了解決這類問題,國外研制出一種通過地面發(fā)射裝置不斷向井下發(fā)送電磁波信號,以控制井下安全閥的控制系統(tǒng)來取代原來的液壓管線控制系統(tǒng),并且新開發(fā)的控制系統(tǒng)具有故障保護功能。經現(xiàn)場試驗證實,地面、井下設備易于安裝,安全閥工作性能良好,自動防故障系統(tǒng)運轉正常,安全可靠;況且電磁波傳送功能強大,兼容性好。該項技術投入成本低,不需修井作業(yè)和改裝井口就能安全有效地實現(xiàn)優(yōu)化完井,為延長老油田壽命提供了新的方法。

氣井完井管柱 井下安全閥電磁波

法國的Lacq氣田在1951年至1957年開發(fā)期間,解決了天然氣中含15%H2S和10%CO2引起的金屬管材腐蝕問題。1967年后期,Lacq氣田附近3個同樣狹長形狀的氣田也投入了開發(fā)。在1968年至 1982年期間,氣產量達到約 33×106m3/d,4個氣田產出的天然氣均集中在Lacq氣田處理。

自1957年以來,這些氣田氣井壓力不斷下降,從70 MPa降至2 MPa,目前已處于開發(fā)末期,最后1口氣井在1990年末完成。20世紀80年代早期,在Meillon和Saint Faust氣田開始出現(xiàn)了不穩(wěn)定的產水量,由于水處理問題,導致開發(fā)成本較高。此外,不穩(wěn)定的流動狀態(tài)不允許適時地反復關閉閥門,因此靠流速來控制的井下安全閥在一些井上已不能再使用。

為了延長氣井壽命,使采收率最大化,法國Total E&P公司開發(fā)了一種新型的地面控制井下安全閥 (SCSSSV),來取代井下控制安全閥(SSCSV)和失效的地面控制井下安全閥,而無需進行修井作業(yè)。但這種方法存在的問題是,當需要在生產層段注入表面活性劑時,必須要通過修井作業(yè)或井口改裝工作才能在生產管柱上安裝坐放短節(jié)和注入裝置。

1 技術需求

目前,油田在用的井下安全閥有兩種:一種是井下控制安全閥,該裝置需要根據每口井近期生產動態(tài)設定關井流量,可用鋼絲繩起下,但其越來越不符合安全規(guī)程;另一種是地面控制井下安全閥,它們的流量單獨設定,可在地面進行開關井測試,并具有故障保護功能,分為油管輸送回收和鋼絲繩輸送回收兩種[1]。油管輸送回收安全閥是生產管柱的組成部分,在完井期間與油管和其他井下設備一起下井安裝,安全閥直接與液壓控制管線相連;鋼絲繩輸送回收安全閥有大量諸如單孔鎖定心軸在內的固定元件[2],液壓控制管線和安全閥 (DHSV)之間是靠機械連接[3],易出現(xiàn)液壓漏失事故。

利用電磁波控制井下安全閥取代液壓管線控制系統(tǒng),可以很好地解決液壓管線漏失問題,有效地避免了修井作業(yè)[4]。

2 無管控制設計

眾所周知,在地面利用電磁波技術可以控制井下工具。電磁波無管控制新技術是根據電磁波單向傳播、單向遙測原理,利用1臺雙向收發(fā)器、天線以及連接井口、天線和收發(fā)器的低阻抗電纜等地面設備來實現(xiàn)對井下安全閥的控制。收發(fā)器是1臺可在接地點和井筒之間產生低頻震蕩電流的電流發(fā)生器,低頻震蕩電流通過油管、套管向下傳播,最終被井下安全閥的接收器接收。

低頻震蕩電流的振幅大小取決于地面設備,并因地層的衰減作用隨深度增加而降低。因此,井下安全閥的深度主要由地層電阻率、套管尺寸、井身結構以及叢式井組井間距離來決定?，F(xiàn)場經驗表明,深度在150 m左右比較容易實現(xiàn)。

3 井下工具設計

液壓地面控制井下活瓣式安全閥已被證實既可靠又經濟,使用壽命能超過30年,所以電磁波地面控制井下安全閥也采用了瓣閥設計。安全閥主要分為液壓控制閥和液壓動力裝置 (HPU)兩部分。液壓控制閥由瓣閥、流管、活塞以及確保5 s內實現(xiàn)閥門機械關閉的回位彈簧組成;液壓動力裝置位于瓣閥之下,由電泵、常開電子閥、電池組和位于底部的絕緣天線 (同時起機械扶正器作用)組成。安全閥采用瓣閥設計 (圖1)是因為它是目前確保井下安全最適合的方法。

圖1 井下設備

4 故障保護功能

電磁波地面控制井下安全閥的地面控制、井下控制和傳輸三部分都設計了故障保護功能。電磁波收發(fā)器由1個內置電子狗的可預編程微型控制器控制,液壓動力裝置由1個常開電子閥和內置電子狗的微型控制器共同控制[4]。電磁波收發(fā)器不斷向井下安全閥發(fā)送信號,使緊急關閉閥保持開啟狀態(tài),一旦信號消失緊急關閉閥立即關閉。在叢式井組中,為避免叢式井射孔作業(yè)產生的電磁波對井下安全閥的干擾,采用了“無線電沉默”技術。該技術使井下安全閥即使在一定時間內沒有接收到電磁波信號仍然保持開啟,如果之后仍未接收到任何電磁波信號,井下安全閥才關閉。

5 主要技術特點

安裝電磁波地面控制井下安全閥不需要修井或改裝井口工作,只需鋼絲作業(yè)和單孔鎖定技術就可以將井下安全閥安裝在生產管柱的任意深度坐放短節(jié)上。與常規(guī)井下安全閥一樣,為使地面下入的普通鋼絲能接觸到瓣閥,將液壓動力裝置安裝在瓣閥下方,這種結構適用于所有尺寸的安全閥,并可使通過安全閥的流體流量最大化。這些設計均采用成熟技術,降低了生產和管理成本。

電磁波地面控制井下安全閥是一項經濟適用技術,主要優(yōu)點有:

◇在現(xiàn)有完井方式中,不論井下安全閥、流量控制裝置的類型與使用年限,用簡單的鋼絲作業(yè)就可以完成更換作業(yè)。

◇起出井下安全閥坐放短節(jié),下入毛細管并用單孔鎖定技術在毛細管上部安裝一個新的安全閥,就可以實現(xiàn)井底化學劑、泡沫或氣體的安全注入。

◇這種安全閥使作業(yè)者在叢式井側鉆時更加安全,從而降低在風險區(qū)域作業(yè)的保險費用。

6 現(xiàn)場試驗

經過2年的開發(fā),2005年工程公司生產了一個外徑4 in(1 in=25.4 mm)的樣機來驗證產品的可行性和可靠性。2006年初,簽訂了該產品在LA106井現(xiàn)場試驗6個月的協(xié)議。協(xié)議要求作業(yè)方負責井場準備、鎖緊心軸的提供和現(xiàn)場鋼絲作業(yè),工程公司負責樣機及配件的提供和試驗過程中的技術指導。

2006年3月上旬,試驗小組對安全閥在常規(guī)坐放短節(jié)中的安裝程序和井下電磁波信號的接收質量進行了驗證,激活的陰極保護對電磁波傳送效果無任何影響。計劃在第一個3個月測試期之前完成對所發(fā)現(xiàn)問題的改進工作。

改進的樣機于2006年7月初下井,預計電池工作時間為3個月。從下井操作和性能測試結果來看,試驗小組認為井下安全閥獨立工作3個月沒有問題;但8周后,因鈹銅環(huán)產生的氧化沉積物沉積在流管上堵塞了流管,井下安全閥不能正常工作,被迫將其從井內起出更換。

2007年11月初重新進行現(xiàn)場試驗,預計電池獨立工作時間為100天,但裝好安全閥后,由于電池電量耗盡,安全閥自動關閉了98天。經過對安全閥進行維修保養(yǎng)、重新安裝后,又開始了為期3個月的試驗。1個半月后由于電子閥螺線管接頭電路短路,試驗中斷。后來對電子閥進行了改進,再次將安全閥裝在LA106井進行了3個月試驗,試驗獲得成功。

7 推廣應用

該技術在含15%H2S氣井中累計進行了9個月的現(xiàn)場試驗。通過在坐放短節(jié)上進行井下安全閥安裝10次、開關50個周期和10次泄漏測試的試驗證實,地面、井下設備易于安裝,安全閥工作性能良好,自動防故障系統(tǒng)運轉正常,安全可靠;同時也證實了電磁波傳送功能強大,與陰極保護兼容性好。

在現(xiàn)場試驗期間,工程公司對安全閥進行了批量生產。為31/2in和41/2in油管專門設計了兩種尺寸的安全閥,外徑分別為69 mm和94 mm,內徑分別為33 mm和51 mm,長度分別為0.87 m和0.99 m。配套了有故障保護功能的液壓動力裝置,單電池組和雙電池組配置長度分別為2.1 m和2.9 m,工作時間可達9個月。在不久的將來,工程公司計劃為海上單腿平臺所用的井下安全閥進行商業(yè)化配置,以擴大這種新型安全閥的應用范圍。下一步準備開發(fā)用于叢式井和深海井的電磁波傳送裝置。

2008年,作業(yè)人員將在 Lacq、Meillon和Saint Faust氣田啟動一項試點安裝工程,準備安裝10個井下安全閥,余下的計劃在2009年安裝。安裝時,一般都是用單孔鎖定軸將井下安全閥固定在油管坐放短節(jié)下方;如果氣井中安裝了用于井底注表面活性劑的毛細管,井下安全閥將固定在油管坐放短節(jié)的上方。

8 結論

電磁波地面控制井下安全閥是一種無液壓控制管線、能獨立控制流量的新型鋼絲作業(yè)裝置,它不需修井作業(yè)就能安全有效地實現(xiàn)優(yōu)化完井。該技術投入成本低,不需起下管柱的修井作業(yè),為延長老油田壽命提供了新的方法。在生產管柱發(fā)生控制管線泄漏或堵塞時,它可以在修井作業(yè)前提供一種即時的補救方法,維持氣井繼續(xù)生產。該裝置不受現(xiàn)場叢式井側鉆施工影響,在叢式井組鄰井側鉆施工時,也能保證生產井的安全。

總之,在各種復雜情況下,它都可以有效地減少油氣井產量損失,為用戶提供經濟、可靠的解決辦法。

[1]張夢婷,張勇.國外井下安全閥的技術現(xiàn)狀[J].石油機械,2008,36(7):81-84.

[2]周大偉,鐘功祥,梁政.國內外井下安全閥的技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].石油礦場機械,2007,36(3):14-16.

[3]Smith.Downhole safety valve[R].U S:2006/0157255 A1.2006.

[4]Karen Bybee.Improving well safety with an innovative surface-controlled subsurface safety valve[J]. J PT,2009:75-77.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.017

2010-04-01)