完井—采油一體化工藝及關(guān)鍵技術(shù)分析

朱和明，楊德鍇，李渭亮，張亞洲2，，徐 慧

1 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院2 頁(yè)巖氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院4 中國(guó)石油青海油田分公司采油五廠

0 引言

中國(guó)石化西北分公司塔河油田碎屑巖和碳酸鹽巖稀油儲(chǔ)層，多分別采用射孔或酸壓方式完井，目前采用的完井方式為，先下入完井管柱至目的層段，進(jìn)行射孔或酸化壓裂，進(jìn)行自噴開(kāi)采。隨著地層能量釋放，自噴期結(jié)束，轉(zhuǎn)為機(jī)抽開(kāi)采，此時(shí)需起出原完井管柱，重新下入桿式泵機(jī)抽管柱，其自下而上的管串結(jié)構(gòu)為：常規(guī)氣液螺旋分離器（約2 500 m處）+油管+桿式泵泵座+油管至井口，在機(jī)抽管柱中下入桿式泵及泵桿至桿式泵泵座，進(jìn)行機(jī)抽開(kāi)采［1-2］。常規(guī)氣液螺旋分離器可起到氣液分離的作用，降低產(chǎn)出含氣量。

但隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷深入，西北塔河地區(qū)油藏能量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，新井射孔或酸壓后自噴期變短，據(jù)統(tǒng)計(jì)，多數(shù)塔河地區(qū)碎屑巖油藏自噴期近兩年已降至4 ～ 6個(gè)月，碳酸鹽巖油藏甚至有80%以上的油井無(wú)自噴期，完井作業(yè)后即需轉(zhuǎn)為桿式泵機(jī)抽開(kāi)采［3-4］，這不僅增加了修完井作業(yè)的費(fèi)用，而且在轉(zhuǎn)抽與檢泵作業(yè)中，需先進(jìn)行壓井，既增加作業(yè)成本，又會(huì)延長(zhǎng)排液時(shí)間，增加壓井液費(fèi)用，甚至產(chǎn)生儲(chǔ)層傷害風(fēng)險(xiǎn)，造成部分井后期含水上升，影響油井產(chǎn)量［5-7］。

1 完井—采油一體化工藝設(shè)計(jì)

1. 1 工藝設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)完井—采油一體化完井工藝的目的在于一趟管柱既可完成前期射孔或酸壓完井作業(yè)，又能進(jìn)行自噴機(jī)抽作業(yè)，無(wú)需更換管柱，即可實(shí)現(xiàn)油井自噴開(kāi)采向機(jī)抽開(kāi)采的轉(zhuǎn)換，減少起下鉆次數(shù)，提高施工效率。同時(shí)自噴期后轉(zhuǎn)抽，或者機(jī)采期間需要起出泵桿對(duì)采油泵進(jìn)行檢修時(shí)，可不再進(jìn)行壓井作業(yè)，從而在作業(yè)時(shí)間和原材料兩個(gè)方面降低生產(chǎn)費(fèi)用，并有效降低儲(chǔ)層受傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

1. 2 工藝流程

以碎屑巖儲(chǔ)層射孔—采油一體化完井管柱為例，其管串結(jié)構(gòu)自下而上依次為：射孔裝置+打孔油管+油管+完井—采油氣液螺旋分離器+油管（20 m）+自動(dòng)壓井閥+油管（10 m）+桿式泵支撐接頭+油管+油管掛。相對(duì)于常規(guī)完井管柱，完井—采油一體化工藝管柱將常規(guī)氣液分離器替換為可實(shí)現(xiàn)自噴完井—機(jī)抽采油自動(dòng)轉(zhuǎn)換的氣液螺旋分離器，并在分離器上方增加可自動(dòng)關(guān)閉并反復(fù)開(kāi)關(guān)的自動(dòng)壓井閥，完井—采油一體化工藝管柱見(jiàn)圖1。

圖1 完井—采油一體化工藝管柱及流程

完井—采油一體化工藝的作業(yè)流程如下：

（1）將完井管串下入至目標(biāo)位置，按設(shè)計(jì)進(jìn)行酸壓或射孔等作業(yè)，自噴求產(chǎn)。

（2）自噴期后進(jìn)行完井采油轉(zhuǎn)換，投入轉(zhuǎn)換塞，泵送至完井—采油氣液螺旋分離器位置，通過(guò)控制壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，打開(kāi)工具側(cè)孔，封堵油管內(nèi)通路，井內(nèi)產(chǎn)液只能通過(guò)側(cè)孔由環(huán)空進(jìn)入管內(nèi)，經(jīng)過(guò)螺旋分離后采至井口。

（3）投入憋壓球至自動(dòng)壓井閥位置，憋壓?jiǎn)?dòng)密封閥板。

（4）憋壓球下落至氣液分離器位置，閥板自動(dòng)關(guān)閉，形成反向密封。

（5）下入抽油泵至桿式泵支撐接頭位置，抽油泵下端連接機(jī)抽延伸管，下放捅開(kāi)自動(dòng)壓井閥的密封閥板，建立生產(chǎn)通道。

1. 3 工具設(shè)計(jì)要求

1. 3. 1 完井—采油氣液螺旋分離器

（1）射孔/酸壓作業(yè)時(shí)，氣液螺旋分離器為關(guān)閉狀態(tài)，完井管柱管內(nèi)連通。

（2）油井自噴期間，氣液螺旋分離器保持關(guān)閉狀態(tài)，產(chǎn)液可經(jīng)過(guò)管內(nèi)采至井口。

（3）自噴轉(zhuǎn)機(jī)抽時(shí)，氣液螺旋分離器啟動(dòng)，可將完井管柱管內(nèi)通道封堵，同時(shí)打開(kāi)氣液螺旋分離器側(cè)孔，氣液螺旋分離器轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)狀態(tài)，并在后續(xù)生產(chǎn)中永久保持此狀態(tài)。

1. 3. 2 自動(dòng)壓井閥

（1）射孔/酸壓作業(yè)及油井自噴期間，自動(dòng)壓井閥內(nèi)通道為打開(kāi)狀態(tài)。

（2）自噴轉(zhuǎn)機(jī)抽時(shí)，自動(dòng)壓井閥啟動(dòng)，開(kāi)啟自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能。未下桿式泵時(shí)，壓井閥關(guān)閉；下入桿式泵后，壓井閥可隨之打開(kāi)，進(jìn)行機(jī)抽開(kāi)采。

塔河油田需要酸化壓裂與射孔的井，多為在通徑?165 mm或?152 mm的套管中下入完井作業(yè)管柱，以保證工具通用性為前提，對(duì)工具關(guān)鍵尺寸提出如下要求：最大外徑不大于?146 mm，以保證工具安全下入；射孔/酸壓階段工具內(nèi)通徑不小于?58 mm；射孔/酸壓階段工具整體抗內(nèi)壓不低于90 MPa。

2 完井—采油一體化工具及其關(guān)鍵技術(shù)

2. 1 完井—采油氣液螺旋分離器

2. 1. 1 結(jié)構(gòu)及原理

完井—采油氣液螺旋分離器具有功能轉(zhuǎn)換功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在完井階段保持側(cè)孔關(guān)閉，管內(nèi)連通；當(dāng)自噴期結(jié)束后進(jìn)行轉(zhuǎn)抽時(shí)，通過(guò)投入轉(zhuǎn)換塞至轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)位置，地面憋壓剪斷剪切銷釘，帶動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)下行，封堵管內(nèi)主通道的同時(shí)打開(kāi)位于分離器本體上的側(cè)孔，啟動(dòng)螺旋分離功能，使產(chǎn)出液體經(jīng)過(guò)螺旋分離機(jī)構(gòu)的進(jìn)行氣液分離后由管內(nèi)采出。

2. 1. 2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井身結(jié)構(gòu)、技術(shù)需求及作業(yè)要求，設(shè)計(jì)適用于?88.9 mm完井管柱的完井—采油氣液螺旋分離器，其主要技術(shù)參數(shù)表1所示。

2. 1. 3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）耐高壓滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。在酸壓作業(yè)階段，完井-采油氣液螺旋分離器需具有高壓密封能力，這就要求此氣液螺旋分離器在進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換之前，整體須承受不小于90 MPa管內(nèi)作業(yè)壓力。在轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與分離器本體之間設(shè)計(jì)滑動(dòng)密封機(jī)構(gòu)，采用“V”形密封圈+“O”形密封圈+高分子支撐環(huán)組合的密封方式［8-9］，提高工具整體耐壓能力，工具整體抗內(nèi)壓可達(dá)106 MPa。

圖2 完井—采油氣液螺旋分離器結(jié)構(gòu)組成

表1 完井-采油氣液螺旋分離器主要技術(shù)參數(shù)

（2）長(zhǎng)薄密封件精密加工工藝。完井工藝管柱在下入到位后，下入PVT、產(chǎn)剖工具等多種測(cè)井工具和儀器，對(duì)產(chǎn)層進(jìn)行測(cè)試，要求完井—采油氣液螺旋分離器在投放轉(zhuǎn)換塞進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換之前，必須不小于60 mm的內(nèi)通徑尺寸。受工具整體設(shè)計(jì)空間和多層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，分離器本體、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵零部件采用超大長(zhǎng)厚比的薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最小壁厚僅有3 mm。在加工中設(shè)計(jì)專用柔性工裝，采用特殊時(shí)效處理工藝，提高長(zhǎng)薄密封件的加工精度，將加工變形量及公差控制在0.02 mm以內(nèi)［10-11］，滿足高壓滑動(dòng)密封要求。

（3）同步封堵轉(zhuǎn)換控制方法。在自噴結(jié)束后的轉(zhuǎn)抽階段，為保證氣液螺旋分離器的工作效率，封堵管內(nèi)主通道，并打開(kāi)分離器側(cè)孔通道，使井下流體全部由側(cè)孔進(jìn)入螺旋分離機(jī)構(gòu)，進(jìn)行氣液分離。設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換塞控制的同步轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，投入轉(zhuǎn)換塞并泵送、憋壓，完成功能轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換塞到位與轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)形成高壓密封并自動(dòng)鎖緊；功能轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與分離器本體自動(dòng)密封并鎖緊［12］，反向承壓能力可達(dá)30 MPa。分離器轉(zhuǎn)換后狀態(tài)可靠，保證機(jī)采作業(yè)中結(jié)構(gòu)鎖定，永久開(kāi)啟氣液螺旋分離功能。

2. 2 自動(dòng)壓井閥

2. 2. 1 結(jié)構(gòu)及原理

自動(dòng)壓井閥通過(guò)內(nèi)部單向閥板的開(kāi)合隔離油管管內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)不壓井作業(yè)，見(jiàn)圖3（a）。完井—采油氣液螺旋分離器功能轉(zhuǎn)換之后，投入可溶憋壓球，自由下落或泵送至自動(dòng)壓井閥位置后，地面憋壓剪斷剪釘，憋壓球帶動(dòng)內(nèi)支撐筒下行讓位，密封閥板失去內(nèi)支撐筒支撐后，在關(guān)閉扭簧的作用下旋轉(zhuǎn)90°關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)管內(nèi)單向密封，見(jiàn)圖3（b）。

圖3 自動(dòng)壓井閥結(jié)構(gòu)組成

2. 2. 2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井身結(jié)構(gòu)、技術(shù)需求及作業(yè)要求，設(shè)計(jì)適用于?88.9 mm完井管柱的完井—自動(dòng)壓井閥，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2自動(dòng)壓井閥主要技術(shù)參數(shù)

2. 2. 3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）雙曲面大通徑密封結(jié)構(gòu)。自動(dòng)壓井閥同樣需要滿足大通徑要求，保證各種測(cè)試工具和儀器順利通過(guò)。在限定的設(shè)計(jì)空間條件下，常規(guī)平面閥板密封通徑與閥板厚度是相互矛盾的兩個(gè)變量，如圖4（a）所示，如需密封通徑R1增大，則閥板寬度H和占用的徑向空間D0必隨之增大，在設(shè)計(jì)空間半徑R為定制的前提下，R1反而會(huì)隨之減小。為解決這一矛盾問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙曲面密封閥板結(jié)構(gòu)，如圖4（b）所示。在閥板寬度H，厚度D均相同的情況下，可大大增加通徑尺寸。以適用于?88.9 mm完井管柱的自動(dòng)壓井閥為例，使用雙曲面閥板結(jié)構(gòu)的通徑R2比使用平面閥板結(jié)構(gòu)的通徑R1提高近24%，工具打開(kāi)前內(nèi)通徑為67 mm，滿足整套工藝管柱的通徑要求。

圖4 大通徑密封結(jié)構(gòu)示意圖

（2）雙曲密封面精密加工工藝。自動(dòng)壓井閥的雙曲面閥板密封結(jié)構(gòu)采用金屬對(duì)金屬密封方式，曲面加工精度是保證密封可靠性的關(guān)鍵之一，如圖5所示。為提高曲面加工精度，使用五軸聯(lián)動(dòng)高精度復(fù)合臥式加工中心加工，采用CAM三維自動(dòng)編程，設(shè)計(jì)專用工裝裝夾，一次裝夾成型，使用針式銑刀精銑密封面，最后對(duì)密封面進(jìn)行精磨，保證雙曲面加工精度［13］。雙曲面配合可實(shí)現(xiàn)高壓密封，經(jīng)地面驗(yàn)證，最高密封能力可以達(dá)到105 MPa。

圖5 雙曲面密封閥板

3 一體化采油工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

一體化采油工藝及關(guān)鍵工具在新疆T油田某斜井進(jìn)行入井應(yīng)用。該井完鉆井深4 736 m，在?193.7 mm套管中射孔完井，射孔段為4 654.5 ～4 658.5m，完井管串自下而上依次為：?127 mm射孔裝置（配套超二代射孔彈）+?73 mm油管+變扣短節(jié)+?89 mm完井-采油氣液螺旋分離器+?89 mm油管+?89 mm自動(dòng)壓井閥+?89 mm油管+?89 mm桿式泵支撐接頭+?89 mm油管+油管掛，其中完井—采油螺旋分離器下入深度為2 535.15 m，自動(dòng)壓井閥下入深度為2 511.86 m。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，該井在順利完成射孔作業(yè)并自噴開(kāi)采40 d后進(jìn)行轉(zhuǎn)抽。首先投入轉(zhuǎn)換塞，以0.2 ～ 0.3 m3/min的排量泵送至完井—采油氣液螺旋分離器的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)位置，憋壓14.3 MPa壓力突然下降，環(huán)空返出液體，證明順利完成氣液分離器功能轉(zhuǎn)換。投入自動(dòng)壓井閥的憋壓球，自由下落后開(kāi)泵，以0.6 ～ 0.7 m3/min的排量提高泵壓至5.8 MPa時(shí)壓力突然下降。為驗(yàn)證自動(dòng)壓井閥反向承壓性能，環(huán)空反向泵液至10 MPa后穩(wěn)壓5 min，井口管內(nèi)未見(jiàn)有液體返出，證明自動(dòng)壓井閥成功啟動(dòng)，雙曲面閥板反向封壓效果達(dá)到要求。

下入采油泵管串，自下至上依次為：機(jī)抽延伸管+桿式泵+泵桿，桿式泵坐落于桿式泵支撐接頭上，此時(shí)機(jī)抽延伸管可以捅開(kāi)自動(dòng)壓井閥內(nèi)的單向閥板，建立生產(chǎn)通道。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)桿式泵試抽作業(yè)驗(yàn)證，單向閥板順利打開(kāi)。該井轉(zhuǎn)抽前日產(chǎn)液1.2 t，日產(chǎn)油1.2 t，日產(chǎn)氣738 m3，轉(zhuǎn)抽后日產(chǎn)液20.4 t，日產(chǎn)油18.3 t，日產(chǎn)氣944 m3，后期均低產(chǎn)氣，氣油比20 ～ 116 m3/t，未發(fā)生氣鎖現(xiàn)象，機(jī)采生產(chǎn)及油氣分離效果顯著；轉(zhuǎn)抽作業(yè)時(shí)間5 d，較常規(guī)轉(zhuǎn)抽作業(yè)減少23 d，直接單井降本增效121萬(wàn)元，體現(xiàn)了該工藝技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）完井—采油一體化工藝可以實(shí)現(xiàn)單趟管柱完成完井與采油作業(yè)，無(wú)需壓井作業(yè)，減少產(chǎn)層污染，降低作業(yè)成本。

（2）完井—采油氣液螺旋分離器和自動(dòng)壓井閥具有大通徑、耐高壓等特點(diǎn)，滿足完井作業(yè)中工具和儀器安全下入及高壓密封要求。

（3）雙曲面閥板密封機(jī)構(gòu)采用金屬對(duì)金屬密封，同時(shí)滿足大通徑要求，密封能力達(dá)到105 MPa。

（4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，完井—采油一體化工藝及工具具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。