陳建波, 唐凱, 陳華彬, 楊亮, 王海東, 高尊升

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司測(cè)井公司, 重慶 400021; 2.塔里木油田分公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

塔里木盆地、四川盆地等地區(qū)三高氣井較多,這些井儲(chǔ)層條件復(fù)雜,油氣埋藏深,地層壓力高。庫(kù)車(chē)山前克深9區(qū)塊地層壓力接近或超過(guò)150 MPa,射孔段地層溫度達(dá)到或超過(guò)190 ℃,已經(jīng)接近超高壓射孔槍和超高溫火工品的耐溫耐壓極限[1];塔里木迪那區(qū)塊地層壓力高達(dá)120 MPa,單井日產(chǎn)量可達(dá)100×104m3以上,且富含CO2、H2S等腐蝕性氣體,給施工作業(yè)和管柱安全帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)。在這些三高氣井射孔作業(yè)中,大多采用管柱傳輸射孔壓力延時(shí)起爆作業(yè)技術(shù)[2]。

壓力延時(shí)起爆作業(yè)技術(shù)一般用在油管或鉆桿傳輸射孔作業(yè)管柱中,但在射孔孔眼與地層已連通而再次進(jìn)行射孔作業(yè)或者井筒存在井漏無(wú)法進(jìn)行環(huán)空加壓起爆的復(fù)雜條件下,只能采用壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆作業(yè)技術(shù)。射孔管柱由射孔槍、壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆器、鉆桿或油管等組成,射孔管柱下放過(guò)程中管柱內(nèi)與環(huán)空未連通,存在一定的井控風(fēng)險(xiǎn),一旦井口出現(xiàn)復(fù)雜異常情況,不能通過(guò)已入井的射孔管柱進(jìn)行小排量循環(huán)壓井[3]。

在塔里木油田等一些高溫高壓井射孔作業(yè)中,為了降低射孔負(fù)壓,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下的射孔作業(yè),常采用壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆技術(shù)。然而,在采用壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆工藝進(jìn)行射孔作業(yè)時(shí),為平衡油管或鉆桿內(nèi)外壓力,在下放射孔管柱時(shí)需要時(shí)刻進(jìn)行手動(dòng)灌液作業(yè),射孔作業(yè)時(shí)間、火工器材井下停留時(shí)間以及人工勞動(dòng)強(qiáng)度至少增加一倍以上。對(duì)于高溫高壓井,為了降低高溫火工品的晶粒分解速度,確保起爆、傳爆及射孔性能,有必要減少射孔作業(yè)時(shí)射孔槍管承壓、射孔作業(yè)時(shí)間和火工器材井下停留時(shí)間[4]。

斯倫貝謝公司擁有一系列用于超高溫超高壓作業(yè)的油管灌入試壓閥,最高耐壓差105 MPa,最高耐溫218 ℃,可實(shí)現(xiàn)下鉆過(guò)程中的自動(dòng)灌液[5]。中國(guó)已有的反向灌液洗井閥利用油套壓差解決了下鉆桿或螺桿現(xiàn)場(chǎng)施工存在的問(wèn)題,但不適用于射孔作業(yè)[6]。針對(duì)高溫高壓井井筒無(wú)法加壓等一些復(fù)雜情況下的射孔作業(yè),本文設(shè)計(jì)了一套以自動(dòng)進(jìn)液閥為核心的高溫高壓井射孔自動(dòng)進(jìn)液管柱及工藝技術(shù)。

1 自動(dòng)進(jìn)液閥研制

1.1 結(jié)構(gòu)及流量設(shè)計(jì)

自動(dòng)進(jìn)液閥是解決上述難題的一種有效方案,該方案無(wú)需人工灌液,在下放射孔管柱過(guò)程中,依靠井內(nèi)壓力實(shí)現(xiàn)單向自動(dòng)進(jìn)液,同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)油管或鉆桿內(nèi)加壓起爆的目的,解決了目前管柱存在的井控風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 自動(dòng)進(jìn)液閥方案

該方案主要采用單向閥原理實(shí)現(xiàn)單向限流的作用,由進(jìn)液閥本體、閥蓋、球形閥芯、壓縮彈簧和氟橡膠密封圈組成(見(jiàn)圖1)。自動(dòng)進(jìn)液閥本體既是單向閥組件的承載體,又需要滿足進(jìn)液及加壓需求和承受射孔瞬間較大沖擊的能力,因此需要對(duì)本體進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)5 in*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、5in和7 in套管的射孔作業(yè),為了保持射孔管柱的通用性,外徑擬采用93 mm,上下端扣型采用2in的EU扣,可方便與壓力開(kāi)孔起爆器和油管連接,本體上單向閥組件數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)使用對(duì)象為油基泥漿,泥漿密度1.9 g/cm3,黏度150 mPa·s。該方案中的球形徑向密封單向閥的最小過(guò)流孔徑6 mm,根據(jù)流量(Q)計(jì)算公式,在0.1 MPa壓差下可得

(1)

式中,Q流量,L/mm。

結(jié)合以上計(jì)算數(shù)據(jù),自動(dòng)進(jìn)液閥本體上應(yīng)至少安裝4個(gè)及以上球形徑向密封單向閥組件。設(shè)計(jì)采用安裝12個(gè)單向閥組件的方案,每組周向3個(gè)均勻分布,連續(xù)4組的排布方式。

1.2 數(shù)值分析

按照以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立起進(jìn)液閥本體三維模型,并賦予材料屬性。進(jìn)入應(yīng)力分析模塊,對(duì)進(jìn)液閥本體上端進(jìn)行端面約束,下端添加882 kN拉力載荷,并在內(nèi)表面添加70 MPa壓力載荷,進(jìn)行應(yīng)力分析后其結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 進(jìn)液閥本體應(yīng)力分析云圖

如圖2,最大Mises應(yīng)力為344 MPa,出現(xiàn)在本體開(kāi)孔處,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,安全系數(shù)較高,本體設(shè)計(jì)合理。對(duì)球形閥芯的應(yīng)力分析見(jiàn)圖3。如圖3,最大Mises應(yīng)力為329 MPa,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,部件設(shè)計(jì)合理。

圖3 球形閥芯應(yīng)力分析云圖

1.3 材料及制備工藝

進(jìn)液閥材料及制備工藝是決定最終是否成功的關(guān)鍵,本體材料選用具有較高屈服強(qiáng)度和抗沖擊功的35CrMo高強(qiáng)度合金管材,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后加工制成。

閥芯和閥蓋采用W18Cr4V耐磨軸承鋼制成,經(jīng)過(guò)淬火和拋光處理,既有效滿足耐壓差70 MPa需求,又能達(dá)到較好的密封效果。由于使用條件復(fù)雜,需要最高耐溫達(dá)到200 ℃,因此,加工制作時(shí)應(yīng)在250 ℃下進(jìn)行回火處理,以提高閥芯和閥蓋在高溫條件下硬度、耐磨性、耐沖擊性和尺寸穩(wěn)定性。壓縮彈簧由60Si2MnA或1Cr18Ni19制成,兩者均滿足200 ℃的高溫環(huán)境,1Cr18Ni19彈簧鋼絲具有耐腐蝕的作用。

2 高溫高壓井射孔自動(dòng)進(jìn)液工藝研究

2.1 自動(dòng)進(jìn)液管柱設(shè)計(jì)

針對(duì)以上研究的自動(dòng)進(jìn)液閥,設(shè)計(jì)了如圖4所示的自動(dòng)進(jìn)液管柱。射孔管柱分別為槍尾、射孔槍、壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆器、球形徑向密封進(jìn)液閥、3根或3根以上油管、定位短油管、油管或鉆桿等。射孔管柱也可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求增加井下工具。

圖4 球形徑向密封進(jìn)液閥管柱

2.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝及要求

采用壓力開(kāi)孔延時(shí)自動(dòng)進(jìn)液管柱的射孔作業(yè)中,組裝射孔槍、射孔彈及火工品;組裝壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆器,起爆器的銷(xiāo)釘數(shù)量設(shè)計(jì)按照常規(guī)射孔作業(yè)要求根據(jù)具體井況計(jì)算;井口連接射孔槍、安裝壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆器。在壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆器里面倒入一定量硅脂,并在扣上面涂抹鉆桿用密封脂;在球形徑向密封進(jìn)液閥上端連接油管或鉆桿,并均勻涂抹鉆桿用密封脂;在球形徑向密封進(jìn)液閥下端涂抹鉆桿用密封脂,連接在壓力開(kāi)孔延時(shí)起爆器上端并緊固。下放射孔管柱,管柱下放速度不超過(guò)300 m/h;記錄鉆桿或油管下鉆過(guò)程中的返排量,若返排量超過(guò)正常返排量1.5 m3,需從環(huán)空向鉆桿或油管內(nèi)補(bǔ)充灌液,直到灌滿為止。射孔管柱下到目的層位后,從環(huán)空往鉆桿里面灌滿液體并校深、調(diào)整管柱,管柱調(diào)整到位后準(zhǔn)備采取鉆桿內(nèi)加壓起爆。采用泵車(chē)或井隊(duì)用泥漿泵向鉆桿內(nèi)加壓,根據(jù)起壓時(shí)間合理調(diào)整排量,同時(shí)觀察環(huán)空壓力,環(huán)空壓力為零或者較小為正常情況。加壓至壓力突降,鉆桿與油管內(nèi)外連通時(shí)立即停泵,并觀察環(huán)空返液情況和鉆桿內(nèi)壓力。延時(shí)等待射孔;射孔完成后,按作業(yè)程序進(jìn)入下步作業(yè)。若在射孔管柱下放過(guò)程中井口出現(xiàn)溢流等復(fù)雜工程情況,可通過(guò)高溫高壓射孔自動(dòng)進(jìn)液管柱中的進(jìn)液孔進(jìn)行小排量反循環(huán)壓井作業(yè),施工壓力不超過(guò)壓力起爆器的安全起爆最低壓力。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

高溫高壓射孔自動(dòng)進(jìn)液管柱及技術(shù)自成功研發(fā)以來(lái),截至目前為止,已在塔里木油氣田進(jìn)行了3井次的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐(見(jiàn)表1)。

3.1 ××602井基本井況、施工過(guò)程及效果

××602井人工井底6 120 m,射孔工藝采用鉆桿傳輸射孔作業(yè),設(shè)計(jì)的射孔管串見(jiàn)表2。

為檢驗(yàn)自動(dòng)進(jìn)液閥在下鉆過(guò)程中是否完全按照設(shè)計(jì)要求自動(dòng)進(jìn)液,通過(guò)觀察下鉆過(guò)程的返排量與油管或鉆桿的開(kāi)排或閉排量進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。2in外加厚油管外徑73 mm,壁厚7.82 mm,內(nèi)徑57.38 mm,平均每根長(zhǎng)度9.5 m,單位開(kāi)排量1.6 L/m,單位內(nèi)容積2.58 L/m,單位閉排量4.181 L/m。記錄的油管反排數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表1 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 ××602井射孔管柱

表3 ××602井油管下鉆試驗(yàn)反排數(shù)據(jù)

下鉆完成后,校深調(diào)整管柱,采用泥漿泵向鉆桿內(nèi)加壓,加壓至28 MPa,壓力起爆器開(kāi)孔,環(huán)空與鉆桿連通,延時(shí)7 min射孔完成。加壓過(guò)程中,環(huán)空未見(jiàn)返排液,從而證明自動(dòng)進(jìn)液閥單向加壓功能良好。整個(gè)下鉆過(guò)程耗時(shí)20 h,對(duì)比相同條件需要手動(dòng)灌液的時(shí)效至少節(jié)約20%以上。

3.2 ××10井基本井況、施工過(guò)程及效果

××10井人工井底6 385 m,射孔工藝采用鉆桿傳輸射孔作業(yè)。前期已對(duì)6 315.00～6 365.00 m進(jìn)行射孔作業(yè),計(jì)劃對(duì)6 180.00～6 186.00 m、6 196.00～6 206.00 m、6 210.00～6 220.00 m、6 242.00～6 258.00 m、6 268.00～6 275.00 m進(jìn)行鉆桿傳輸射孔。射孔作業(yè)層段預(yù)測(cè)溫度153 ℃,地層壓力為104 MPa,射孔時(shí)泥漿密度1.95 g/cm3。射孔參數(shù)及性能要求:槍型為SQ89;彈型為SDP35 HNS25-4,相位60°、孔密16孔/m,工作壓差175 MPa,耐溫200 ℃/100 h,設(shè)計(jì)的射孔管串見(jiàn)表4。

表4 ××10井射孔管柱

表5 ××10井油管下鉆試驗(yàn)反排數(shù)據(jù)

下鉆完成后,校深調(diào)整管柱,采用泥漿泵向鉆桿內(nèi)加壓,壓力起爆器開(kāi)孔,環(huán)空與鉆桿連通,延時(shí)7 min射孔完成。加壓過(guò)程中,環(huán)空未見(jiàn)返排液,從而證明自動(dòng)進(jìn)液閥單向加壓功能良好。整個(gè)下鉆過(guò)程耗時(shí)24 h,現(xiàn)場(chǎng)下鉆速度與進(jìn)液流量相匹配,理論反排量與實(shí)際反排量基本吻合。

4 結(jié) 論

(1) 高溫高壓射孔自動(dòng)進(jìn)液管柱及技術(shù)的成功研制及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,解決了目前射孔作業(yè)中存在的一些難題,必將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。該技術(shù)尤其適用于高溫高壓井、油氣井套管壓力操作窗口較小井、井漏無(wú)法進(jìn)行環(huán)空加壓井等一些復(fù)雜情況下的射孔作業(yè)。

(2) 解決了目前油管傳輸壓力開(kāi)孔延時(shí)射孔管柱中存在的井控風(fēng)險(xiǎn),提高了油氣井試油完井作業(yè)的安全性和可靠性。一旦井口出現(xiàn)復(fù)雜異常情況,可以通過(guò)高溫高壓射孔自動(dòng)進(jìn)液管柱中的進(jìn)液孔進(jìn)行小排量反循環(huán)壓井作業(yè),施工壓力不超過(guò)壓力起爆器的安全起爆最低壓力即可。

(3) 高溫高壓射孔自動(dòng)進(jìn)液管柱及作業(yè)方法能實(shí)現(xiàn)下放射孔管柱過(guò)程中,依靠井內(nèi)壓力實(shí)現(xiàn)單向自動(dòng)進(jìn)液,同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)油管或鉆桿內(nèi)加壓起爆的目的,提高了作業(yè)時(shí)效。

(4) 減少了射孔作業(yè)時(shí)間,可以有效降低高溫火工品在高溫長(zhǎng)時(shí)間條件下的晶粒分解速度,確保起爆、傳爆及射孔性能。降低了射孔作業(yè)時(shí)的施工壓力,可以有效保護(hù)油氣井套管,保障射孔作業(yè)時(shí)的井筒完整性。

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