江 武,唐青雋,米紅學(xué),李國亮,魏少波,曹銀萍
(1.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司試油公司,新疆 克拉瑪依 834000)(2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710065)
連續(xù)油管鉆磨工藝廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖、吉木薩爾地區(qū)試油井的通井、鉆塞、沖砂及清管等常規(guī)作業(yè),其作業(yè)主要集中在井深5 000 m以內(nèi)、地層壓力70 MPa以下的油水井。
準(zhǔn)噶爾盆地南緣試油井具有高溫、高壓、高產(chǎn)的特征[1],以高探1井為例,地層壓力達(dá)到134 MPa、地層溫度146 ℃,生產(chǎn)的原油為含膠質(zhì)、瀝青及蠟的輕質(zhì)油,試產(chǎn)期間原油中膠質(zhì)物析出并附著在完井管柱管壁,導(dǎo)致油壓、產(chǎn)量下降,嚴(yán)重影響了井的正常生產(chǎn)[2],一旦膠質(zhì)物過多堵塞管柱,圈閉壓力接近甚至達(dá)到100 MPa。
為解決高溫、高壓、高產(chǎn)油井管壁清理的技術(shù)難題,筆者持續(xù)開展工藝難點(diǎn)分析、技術(shù)論證、方案設(shè)計和現(xiàn)場試驗,形成了利用連續(xù)油管實(shí)現(xiàn)高壓、高產(chǎn)油井生產(chǎn)管柱的鉆磨清管工藝。該工藝先后在高探1井應(yīng)用2次,保證了油井的穩(wěn)定生產(chǎn)。
高探1井的油層套管結(jié)構(gòu)為φ177.8 mm×13.72 mm+φ139.7 mm×14.27 mm;完井投產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)為φ88.9 mm油管+φ139.7 mm井下安全閥+φ88.9 mm油管+φ73 mm油管+MHR永久式封隔器+投撈式堵塞器+POP球座,完井工具參數(shù)見表1。
表1 高探1井完井工具參數(shù)表
高探1井生產(chǎn)66 d后,起出射孔測試聯(lián)作管柱,發(fā)現(xiàn)管柱內(nèi)壁2 800 m以上部位附著厚度10~13 mm的膠質(zhì)物,析膠深度與溫度、壓力的關(guān)系曲線如圖1所示。為保證該井長期穩(wěn)定生產(chǎn),根據(jù)析出膠質(zhì)物情況,考慮采用連續(xù)油管定期對生產(chǎn)管柱管壁進(jìn)行清理,預(yù)防井筒堵塞。
圖1 高探1井析膠深度與溫度-壓力關(guān)系圖
1)預(yù)測清管期間井口流動溫度會超過100 ℃。井筒高溫對螺桿馬達(dá)性能要求高;地面高溫易導(dǎo)致防噴系統(tǒng)、地面流程密封失效。
2)高壓導(dǎo)致作業(yè)井控風(fēng)險高。高壓對連續(xù)油管產(chǎn)生較大的上頂力,可能造成注入頭夾持塊與防噴盒之間的自由端折斷損毀[3],對連續(xù)油管疲勞壽命的影響較大[4]。
3)連續(xù)油管與油管壁之間的間隙較小,產(chǎn)量高時管壁摩阻大,連續(xù)油管在接近極限的工況下作業(yè),懸重的可操作安全范圍窄。
4)析膠點(diǎn)深。常規(guī)油井結(jié)蠟析膠深度一般不超過1 500 m,而高探1井析膠深度達(dá)到2 800 m,導(dǎo)致連續(xù)油管帶壓作業(yè)時間更長,防噴盒動密封長時間磨損易發(fā)生泄漏。
高探1井4 mm油嘴試產(chǎn)油壓91 MPa,井口壓力基本達(dá)到了目前國內(nèi)連續(xù)油管及105 MPa防噴系統(tǒng)的耐壓極限。為了確保安全施工,通過調(diào)整油嘴增大生產(chǎn)壓差,將油壓由91 MPa降低至60~70 MPa,采用連續(xù)油管底帶三刮刀實(shí)施鉆磨清管作業(yè)。
1)連續(xù)油管選擇。
連續(xù)油管尺寸的選擇取決于生產(chǎn)管柱的內(nèi)徑、施工壓力、排量和注入頭性能等參數(shù)[5]。高壓井作業(yè)時,需采用大尺寸連續(xù)油管才能確保有足夠的強(qiáng)度,但是尺寸越大,連續(xù)油管承受的上頂力越大?;谝陨峡紤],選用了外徑為44.45 mm、壁厚為3.96~5.16 mm的連續(xù)油管。
2)防噴系統(tǒng)設(shè)計。
參考標(biāo)準(zhǔn)API RP 16ST,配備105 MPa雙聯(lián)防噴盒及105 MPa雙防噴器組[6],使其具備兩道安全可靠的井屏障,防噴系統(tǒng)的連接部位均采用法蘭連接。
3)鉆磨清管工具設(shè)計。
設(shè)計的鉆磨清管工具結(jié)構(gòu)為φ44.45 mm連續(xù)油管+接頭+雙活瓣單流閥+馬達(dá)頭總成+φ45 mm螺桿馬達(dá)+φ55 mm三刮刀[7]。針對高探1井高壓高產(chǎn)的特點(diǎn),使用φ45 mm的小尺寸螺桿馬達(dá),螺桿馬達(dá)外徑小于三刮刀外徑,有助于鉆磨的膠質(zhì)物返出,防止膠質(zhì)物堆積造成油管堵塞;該型號螺桿馬達(dá)工作壓降為2.3 MPa,可降低施工泵壓。螺桿馬達(dá)性能參數(shù)見表2。
表2 螺桿馬達(dá)性能參數(shù)對比表
為提高鉆磨效率,有利于碎屑返出,需對三刮刀進(jìn)行優(yōu)化:設(shè)計15°的切屑面及斜坡度導(dǎo)流槽[8](如圖2所示)。為提高懸重安全操作窗口,減小了底端橫截面積,降低了上頂力。
圖2 三刮刀示意圖
4)地面流程設(shè)計。
采用140 MPa超高壓地面生產(chǎn)流程及排污流程[9],包括節(jié)流控壓系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)、除砂濾砂系統(tǒng)。
雙級節(jié)流控壓系統(tǒng)由140 MPa油嘴管匯、105 MPa油嘴管匯構(gòu)成,具備快速調(diào)整井口壓力的功能。
安全控制系統(tǒng)包括ESD緊急關(guān)斷閥、遠(yuǎn)程電控閘閥、MSRV緊急泄壓閥,其能在出現(xiàn)異常情況時快速關(guān)井。
除砂濾砂系統(tǒng)的主體為140 MPa濾筒式除砂器,并安裝間隙為2 mm的繞絲式過濾網(wǎng)。通過過濾鉆磨返出的膠質(zhì)物,一方面保證循環(huán)液體的清潔,確保螺桿馬達(dá)穩(wěn)定工作;另一方面可通過對膠質(zhì)物的分析,實(shí)時調(diào)整清管工藝參數(shù)。
受井內(nèi)壓力影響,下入連續(xù)油管時,連續(xù)油管承受較大的上頂力??紤]到管外沿程摩阻[10]及防噴盒夾緊產(chǎn)生的附加阻力,根據(jù)力與壓強(qiáng)的關(guān)系公式,連續(xù)油管承受的上頂力F為:
F=P×S+4 000×9.81
(1)
式中:P為壓強(qiáng),Pa;S為受力面積,m2。
不同井口油壓下連續(xù)油管的上頂力如圖3所示。鉆磨清管前,采用增大油嘴試產(chǎn)的方式將油壓降低至60~70 MPa,此時上頂力為(132.3~147.9)×103N,遠(yuǎn)低于連續(xù)油管的抗擠毀上頂力179.2×103N,由此說明連續(xù)油管選型合理,滿足強(qiáng)度要求。
圖3 上頂力與油壓關(guān)系曲線圖
根據(jù)水力學(xué)實(shí)驗及沉降公式可知,圓球形固體顆粒在靜止液體中沉降速度vα為[11]:
(2)
實(shí)際鉆磨作業(yè)中,井筒流體為紊流狀態(tài),在紊流區(qū)(1 000 假設(shè)鉆磨清管后形成的膠質(zhì)物顆粒直徑為3 mm,密度為2 g/cm3,則其自由沉降速度為0.295 m/s,環(huán)空止動返速應(yīng)達(dá)到0.59 m/s以上。使用10 mm油嘴試產(chǎn)時,日產(chǎn)油810 m3,該產(chǎn)量在環(huán)空中返速達(dá)到4.11 m/s,已具備足夠的攜帶能力。使用滑溜水為鉆磨液,降阻率可達(dá)到45%以上,進(jìn)一步提高了降阻和攜屑能力。綜合考慮螺桿鉆具的最優(yōu)性能參數(shù)和返排攜屑效果,鉆磨期間排量選擇90~150 L/min。 高探1井所使用的連續(xù)油管外徑為44.45 mm,工具端油管內(nèi)徑為36.58 mm,長度為3 100 m。當(dāng)排量為150 L/min時,管內(nèi)流速為2.38 m/s。將連續(xù)油管視為光滑管[13],摩阻系數(shù)符合尼庫拉則與卡門公式: (3) 式中:λ為摩阻系數(shù);l為管柱長度,m。 由式(3)算得摩阻系數(shù)λ=0.024,將λ代入摩阻計算公式: (4) 式中:Pf為連續(xù)油管的摩阻,MPa;d1為管柱內(nèi)徑,m;v1為流體速度,m/s。 由式(4)算得連續(xù)油管的摩阻Pf為5.8 MPa。考慮螺桿馬達(dá)的循環(huán)壓耗,預(yù)計施工泵壓為68~82 MPa,控制連續(xù)油管外壓與內(nèi)壓差值小于50 MPa,可確保施工安全。 采用φ44.45 mm連續(xù)油管,在井口流動壓力為64.8 MPa、井口流動溫度為103 ℃、日產(chǎn)液為1 020 m3的條件下,鉆磨清管至2 820 m,連續(xù)油管施工泵壓為67.0~80.2 MPa,排量為100~150 L/min,帶壓作業(yè)時間為680 min,完成高探1井連續(xù)油管帶壓清管作業(yè)。 因油管壁上附著的膠質(zhì)物較多,在井深0~980 m進(jìn)行鉆磨清管時多次遇阻,最大上頂力達(dá)到抗擠毀上頂力179.2×103N。 針對遇阻現(xiàn)象分析,連續(xù)油管清管遇阻原因主要有:1)井筒溫度不利于膠質(zhì)物軟化返出,鉆磨形成的膠質(zhì)物在鉆頭底部堆積;2)連續(xù)油管呈螺旋彎曲狀下入,與管壁殘余膠質(zhì)物之間的粘滯摩阻較大。通過優(yōu)化鉆磨參數(shù),采取以下措施,解決了遇阻難題,順利完成了清管作業(yè)。 1)優(yōu)化排量。在井深33 m清管遇阻后,將泵注排量由150 L/min降低至100 L/min(圖4),井口溫度由81 ℃上升至90 ℃。此時,油管壁上附著的膠質(zhì)物在高溫下開始軟化,鉆磨效果變好。 圖4 調(diào)整排量與懸重變化的關(guān)系圖 2)降低磨阻。由于連續(xù)油管在油管內(nèi)鉆磨時形成了螺旋形通道,受高產(chǎn)量影響,連續(xù)油管下入摩阻為40 kN,上頂力為135 kN,總懸重接近抗擠毀上頂力(179.2 kN)。因此筆者采取短起(圖5)的方式降低下管摩阻,共短起8次,每次短起后懸重均呈下降趨勢。鉆磨清管至979 m并短起后,懸重恢復(fù)正常,后保持5~10 m/min的下管速度,連續(xù)鉆磨清管至2 820 m。 圖5 短起與懸重變化關(guān)系圖 鉆磨清管后,在除砂器中安裝2 mm過濾網(wǎng),在濾網(wǎng)內(nèi)壁及頂端取得了部分膠質(zhì)物樣品,分析結(jié)果見表3。 通過對鉆磨清管作業(yè)的懸重分析,結(jié)合遇阻情況判斷,認(rèn)為高探1井井筒膠質(zhì)物分布具有表4所示規(guī)律。 表3 高探1井膠質(zhì)物成分分析 % 表4 高探1井油管壁膠質(zhì)物分布 1)連續(xù)油管鉆磨工藝適用于高溫高壓油氣井的油管壁清理,無需動管柱,可在生產(chǎn)油管內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè),具有安全、高效、周期短等特點(diǎn)。 2)鉆磨清管工具的選擇是清管工藝成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。針對高產(chǎn)井,設(shè)計具有切屑面和導(dǎo)流槽的三刮刀鉆頭、選用低排量螺桿馬達(dá),可降低上頂力,且有利于膠質(zhì)物返出。 3)結(jié)合堵塞物特性、井筒膠質(zhì)物分布狀態(tài),清管期間應(yīng)及時調(diào)整鉆壓、排量等鉆磨參數(shù),同時采取短起等措施降低連續(xù)油管下入摩阻。4.3 施工泵壓計算
5 現(xiàn)場應(yīng)用
6 結(jié)論