油井儲層保護(hù)工具研制

丁英楠 黃利波

1. 中海石油中國有限公司上海分公司 上海 200030

2. 托普威爾石油技術(shù)股份公司 北京 100012

油田鉆井和開發(fā)過程中，各種工作液極易侵入儲層 ，從而造成對儲層的傷害。國內(nèi)許多陸地油田都具有根據(jù)自身特點開發(fā)和應(yīng)用的防污染措施，且方法多樣，包含：防污染閥/滑套/下入堵塞器/皮碗式洗井閥等，針對多種生產(chǎn)管柱，均滿足儲層防護(hù)功能?？紤]海上油田開發(fā)需求與陸地油田多有不同，部分儲層防護(hù)技術(shù)可借鑒用于海上油田，但無法直接使用[1-2]。

目前海上油田常用的儲層保護(hù)技術(shù)主要有化學(xué)儲層保護(hù)技術(shù)和機械儲層保護(hù)技術(shù)。化學(xué)儲層保護(hù)技術(shù)采用不間斷注入化學(xué)藥劑方式對儲層進(jìn)行保護(hù)，作業(yè)周期長、成本較高[3-6]。機械式儲層保護(hù)技術(shù)主要通過將機械式儲層保護(hù)工具下入井筒，在非開采時軸向封堵整體井筒的方式，實現(xiàn)油井儲層保護(hù)，多適用于籠統(tǒng)開采工藝管柱井筒，無法實現(xiàn)分層開采工藝管柱井筒的分層開采及防護(hù)，且采用軸向封堵的儲層保護(hù)工具在洗壓井作業(yè)期間防護(hù)儲層時易出現(xiàn)沉積堵塞的風(fēng)險，造成意外封堵失效[7-11]。

因此，針對海上油田儲層防護(hù)需求和現(xiàn)有技術(shù)難題，開發(fā)了活塞式儲層防護(hù)工具，可實現(xiàn)儲層徑向封堵，避免上部井筒作業(yè)時的固液體污染儲層，同時在正常開采時，可實現(xiàn)選擇式分層開采。該油井儲層保護(hù)工具的研制為增強油井儲層防護(hù)效果和多層段選擇行分層開采提供了可靠的技術(shù)支撐，對于生產(chǎn)井井筒清潔和有效開發(fā)具有推廣意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

油井儲層防護(hù)工具整體采用活塞式結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包含保護(hù)筒和開關(guān)工具組成，防護(hù)筒隨防砂完井管柱下入，開關(guān)工具隨生產(chǎn)管柱下入。開關(guān)工具入井后與井下防護(hù)筒對接，打開防護(hù)筒生產(chǎn)通道；生產(chǎn)管柱提出后，防護(hù)筒生產(chǎn)通道關(guān)閉，實現(xiàn)儲層防護(hù)。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

油井儲層防護(hù)工具包含保護(hù)筒和開關(guān)工具。保護(hù)筒整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部設(shè)置的可移動活塞可上下移動，實現(xiàn)生產(chǎn)通道開啟與關(guān)閉，限位塊用于生產(chǎn)通道打開后限位移動活塞，防止復(fù)位彈簧將移動活塞上頂。

圖1 油井儲層防護(hù)工具保護(hù)筒結(jié)構(gòu)示意圖

開關(guān)工具整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其導(dǎo)流短節(jié)推動防護(hù)筒打開生產(chǎn)通道，儲層流體由導(dǎo)流孔進(jìn)入生產(chǎn)管柱，洗井球用于生產(chǎn)過程中井筒清洗。

圖2 油井儲層防護(hù)工具開關(guān)工具結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

1.2.1 儲層保護(hù)原理

防護(hù)筒隨完井管柱下入后，防護(hù)筒的可移動活塞在復(fù)位彈簧作用下，與外筒內(nèi)部生產(chǎn)通道兩側(cè)密封結(jié)構(gòu)共同實現(xiàn)對儲層生產(chǎn)通道的封堵，內(nèi)外壓差無法造成可移動活塞移動。

1.2.2 儲層生產(chǎn)原理

開關(guān)工具隨生產(chǎn)管柱下入井下，與井下防護(hù)筒對接，推動防護(hù)筒可移動活塞向下移動，生產(chǎn)通道打開，限位塊位移至限位槽實現(xiàn)對可移動活塞的限位。

1.2.3 活塞回移動原理

完成生產(chǎn)作業(yè)后，開關(guān)工具隨生產(chǎn)管柱從防護(hù)筒內(nèi)取出，在彈簧力作用下，限位塊從限位槽內(nèi)脫離，隨可移動活塞一同向上移動，實現(xiàn)儲層防護(hù)。

1.3 保護(hù)筒密封性能校核

可移動活塞為油井儲層防護(hù)工具的關(guān)鍵承壓部件，在受限制可能，需要計算校核承壓性能，可移動活塞尺寸：內(nèi)徑φ29mm，外徑φ36mm，采用35CrMo材質(zhì)，根據(jù)GB/T3077—2015執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，取屈服強度σs為540MPa，抗拉強度σb為735MPa。

1.3.1 抗外擠計算

根據(jù)圓筒抗外擠計算辦法，外徑與壁厚的比值如下：

其中，D—外筒外徑，mm；

d—外筒內(nèi)徑，mm；

δ—壁厚，mm；

K—系數(shù)。

按照厚壁公式計算可移動活塞抗外擠，按照按第三強度理論計算應(yīng)力：

其中，P—抗外擠壓力，MPa；

σIII—實際應(yīng)力，MPa。

[σ]—許用應(yīng)力，MPa；

σb—抗拉強度，MPa；

n—安全系數(shù)，一般取值4/3。

計算可得， 可移動活塞最大抗外擠71.09MPa，滿足井下儲層防護(hù)需求。

1.3.2 抗內(nèi)壓強度校核

根據(jù)圓筒抗內(nèi)壓計算辦法，外徑與內(nèi)徑的比值如下：

因此，可移動活塞抗內(nèi)壓計算公式按厚薄壁公式進(jìn)行計算。

抗內(nèi)壓P1計算公式如下：

其中：P1—油管承受內(nèi)壓差，單位：MPa；

n—安全系數(shù)，取1.2；

D—最薄弱處外徑，單位：mm；

d—最薄弱處內(nèi)徑，單位：mm；

σs—材料屈服強度，單位：MPa。

通過理論計算和分析，可移動活塞抗內(nèi)壓和抗外擠能力滿足大于35MPa需求。

1.3.3 技術(shù)特點

（1）可在生產(chǎn)管柱下入時生產(chǎn)，管柱提出時防護(hù)儲層；（2）徑向封堵防護(hù)儲層，不容易出現(xiàn)堆積及儲層意外開啟風(fēng)險；（3）可實現(xiàn)儲層保護(hù)工具內(nèi)外35MPa封堵。

2 技術(shù)參數(shù)

防護(hù)筒技術(shù)參數(shù)見表1。

3 實施方法

油井儲層防護(hù)工具可用于合采井和分層開采井，能夠?qū)崿F(xiàn)油井籠統(tǒng)防護(hù)和油井多層段選擇性防護(hù)和開采。分采管柱相較于合采管柱，需要在完井階段下入多個防護(hù)筒，根據(jù)后期開發(fā)生產(chǎn)需求，生產(chǎn)管柱攜開關(guān)工具下入，逐層開采。

施工過程中通過開關(guān)工具與防護(hù)筒的配合實現(xiàn)儲層防護(hù)性開采：（1）油井儲層防護(hù)筒隨完井管柱下入，設(shè)置在頂部封隔器下部，實現(xiàn)各儲層徑向防護(hù)，頂部封隔器坐封、丟手；（2）根據(jù)需要儲層開采需求，將開關(guān)工具隨管柱下入儲層與防護(hù)筒配合，實現(xiàn)儲層正常生產(chǎn)；（3）完成儲層生產(chǎn)后，將生產(chǎn)管柱取出，實現(xiàn)儲層防護(hù)。

具備以下特點：（1）可實現(xiàn)全井筒儲層隔離防護(hù)；（2）不受井斜限制，滿足大斜度井儲層防護(hù)和開采需求；（3）滿足帶壓作業(yè)井生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

活塞式油井儲層防護(hù)工具由防護(hù)筒和開關(guān)工具兩部分組成，可實現(xiàn)儲層徑防護(hù)，防護(hù)壓力≥35MPa，避免活塞處堆積堵塞及生產(chǎn)通道意外開啟，對于多層段開采井，可實現(xiàn)各儲層獨立防護(hù)各層，滿足籠統(tǒng)開采井、分層開采井儲層防護(hù)和生產(chǎn)需求，該工具的研制對于油井儲層分層段防護(hù)和開采具有意義。