0 引言
辽河油田曙1区杜66断块区杜家台油层为薄互层状稠油油藏,含油面积8.4 km2, 油藏埋深为800~1 200 m。投入开发多年后已进入吞吐开发后期,常规吞吐已接近开发极限。火驱采油技术凭借其补充地层能量和提高采收率的特点,已成为杜66块稠油老区二次采油后期转换开发方式的优势技术之一。目前,杜66火驱井组规模已扩大至100[1-3]。随着火驱采油技术不断推广,火驱给井下套管带来的不安全因素越来越明显,套损腐蚀井日益增多,注气井和生产井管柱的腐蚀问题开始被重视[4]。
目前对火驱井腐蚀套管损坏问题除大修磨铣修套外尚无其他更为有效的应对措施,大修磨铣修套无法从根本上解决火驱井套管的腐蚀,且成本高、施工周期长。而常规膨胀管补贴管材依靠涂覆内涂层减小膨胀所需摩擦阻力,提供膨胀管防腐层,但由于内涂层主要成分为石墨,无法承受火驱井高温的恶劣环境。针对以上情况,结合辽河油田杜66区块油井特点及国内外膨胀管补贴现状,笔者研究开发出火驱井膨胀管补贴技术。
1 火驱稠油井膨胀管补贴工艺技术 1.1 结构火驱稠油井膨胀管补贴管串由多根膨胀管及膨胀发射装置组成,其结构如图 1所示。其补贴管串耐内压60 MPa,耐外压35 MPa,补贴后内径≥141 mm。膨胀管本体上设有数条密封带,硫化在本体上的密封带耐温达到320 ℃;膨胀发射装置主要由膨胀胀头、发射室、尾堵头、中心拉管、锚定销钉和发射室密封胶圈等组成。其关键结构部位还包括膨胀管接头和膨胀发射装置内的球座。
1.2 工作原理
利用高强度膨胀管具有塑性变形的特性,施加外力,使材料在强化阶段产生塑性变形,紧贴于套管内壁,与原井套管形成双层套管,补贴的同时加固原套管;利用硫化在补贴管外的密封带悬挂在套管内, 起到密封和加固的作用。施工时先用油管将耐腐蚀高强度膨胀管下到预补贴井段,在地面用水泥车向油管内加入清水,在液压和胀头的作用下,补贴管发生永久性变形,完成整体膨胀,紧贴于套管内壁,从而达到修复套管的目的。
1.3 技术特点火驱稠油井膨胀管补贴技术与传统膨胀管补贴技术相比主要具有以下特点:①研制的耐高温密封带,耐温能达到320 ℃,密封带具有耐压和耐腐蚀等特性, 可保证其有较长的有效期,能满足火驱稠油井补贴的要求。②采用不锈钢材质补贴管代替传统的双相钢,管材的耐腐蚀及耐压能力显著增强。③配套有可打捞式膨胀发射装置,补贴后膨胀尾堵处理安全可靠、简便高效。④整段膨胀紧贴套管内壁,与原井套管形成双层套管,补贴的同时也加固了原套管。⑤将补贴内通径的减小降低到最低限度,约为膨胀管壁厚的2倍, 为后续作业措施提供了尽可能大的内通径。
2 关键技术 2.1 耐高温耐腐蚀补贴管材料学研究膨胀管材料性能要求材料伸长率高,易于膨胀变形,膨胀变形后力学性能基本达到普通套管水平,之后还要在严酷的井底环境中服役, 对管材性能有较高要求,而火驱补贴井对管材耐腐蚀、耐高温和耐高压性能要求更高。根据火驱补贴井对管材耐腐蚀、耐高温和耐高压性能要求,配套了耐高温耐腐蚀井膨胀补贴管,其性能参数见表 1。
膨胀管型号 | 膨胀前 | 膨胀后 | |||||||
外径/mm | 内径/mm | 壁厚/mm | 外径/mm | 内径/mm | 壁厚/mm | 抗内压/MPa | 抗外压/MPa | ||
SC-PZG06 | 144.8 | 131.5 | 6.65 | 155.3 | 142.8 | 6.25 | 35 | 60 | |
SC-PZG08 | 140.4 | 127.0 | 6.68 | 154.0 | 141.3 | 6.35 | 30 | 50 |
由于铁基不锈钢合金中,以加入Cr、Ni元素的FeMnSiCrNi五元合金的耐蚀性最好,其中Fe16Mn6Si12Cr5Ni的耐蚀性能最好。在设计不锈钢膨胀合金时,以Fe16Mn6Si12Cr5Ni为蓝本,并根据不锈钢组织图Schaeffler图计算Ni、Cr当量,进行了改进型成分设计。最终确定该材料的基本合金成分为Fe10Mn3.5Si12Cr3Ni。此外,借鉴不锈钢中合金元素的作用,在设计的不锈钢膨胀合金中也添加了一些其他合金元素。为了提高合金的母相强度,加入氮进行固溶强化;为了稳定合金,加入NbC;为了使合金的强度增加,加入稀土元素,以使合金在各个方面尽量满足使用要求。该新型补贴管管材采用真空感应炉冶炼,其力学性能测试结果表明:其抗拉强度最大能达到1 180 MPa,伸长率可达66%,强塑性乘积将近60 GPa,具有较好的强塑性综合指标[5]。
2.2 耐高温耐腐蚀补贴管之间的连接密封膨胀套管之间的连接螺纹是特殊螺纹,它要求管柱在膨胀前、膨胀过程中和膨胀后保持连接密封的完整性及抗压和抗拉强度的完整性。保证在膨胀前、膨胀过程中以及膨胀后维持管子连接的力学性能和密封完整性, 是膨胀套管膨胀成功的重要方面。因此,可膨胀套管之间的连接螺纹必须是经过专门设计的特殊螺纹,才能保证膨胀过程的顺利进行[5]。针对火驱井封堵需要接多根膨胀管, 膨胀管螺纹之间的密封尤为关键,在考虑膨胀过程中的动态密封的要求下,设计出了特殊膨胀螺纹连接,胀管前、后均能保证螺纹有较好的密封性能。在实验室中可耐内压60 MPa不渗漏,膨胀压力达到40 MPa无渗漏,充分证明了其先进性和有效性。
2.3 耐高温耐腐蚀补贴管密封与悬挂研制的耐高温密封带,耐温达到320 ℃,能满足稠油火驱井高温补贴的要求。
2.4 膨胀发射装置膨胀发射装置是将膨胀胀头预先装到膨胀管底端的关键部件, 它起到初始悬挂密封和整体膨胀管的定位作用,对其外形尺寸和性能有特定要求。配套了适合于火驱井补贴的下推式膨胀发射装置。
2.4.1 防障卡膨胀胀头膨胀胀头作用是使补贴管径向膨胀,其在胀管时将受到很高的界面应力。通过对膨胀胀头的选材、结构及几何尺寸的设计,在传统膨胀胀头的基础上,开发出了新型防障卡膨胀胀头。该胀头能智能地向低阻力方向摇摆,解决了普通膨胀胀头只能机械直进且易卡井的难题。
2.4.2 可打捞式膨胀堵头针对小修设备实施膨胀管补贴后螺杆钻具钻磨膨胀堵头难度大和钻磨作业费用较高等问题,研制出可打捞式膨胀堵头。采用销钉插接的方式,可靠性高,设置有密封带组可密封较大的间隙,避免了膨胀管内液体压力过高时,膨胀管在堵头位置内径变大,造成底堵密封失效或脱落;除提拉杆外均为易钻削材料,当可捞堵头不能捞出时,可以用打捞工具旋转并捞出,可捞底堵中间的提拉杆,便于钻铣底堵的剩余部分,避免了复杂化的风险。
3 模拟稠油井井况性能试验 3.1 试验设备试验设备主要有高温模拟试验井系统和高压模拟试验井系统。
3.2 试验内容 3.2.1 膨胀补贴管密封带耐高温性能在高温模拟试验井系统,通过加温系统多次升温到320 ℃再冷却到常温,模拟多轮次蒸汽吞吐交变温度作用,观察补贴管密封带及耐温情况。
试验步骤如下:①记录3个密封带样件原始外观;②将3个样件放入测试装置,连接好管线;③启动加热系统,加热到320 ℃,保温4 h;④继续加热到320 ℃,保温4 h;⑤待冷却到常温,取出3个测试样件;⑥分析密封带外观,与原件进行对比分析,记录分析结果;⑦将3个密封件下到井内,重新加热到320 ℃,保温8 h;⑧待冷却到常温,取出一个测试样件,分析密封带外观,与原件进行对比分析;⑨重复步骤⑦和步骤⑧2次。
试验情况见表 2。通过试验发现:3个完全一样密封带样件同时下入试验井内,在4次 (模拟4轮次蒸汽吞吐) 交变温度 (320 ℃) 作用后,样件无变形也无碳化现象,表明该类型密封件能满足320 ℃交变温度要求。
试样 | 加热温度/℃ | 加热次数/次 | 保温时间/h | 模拟蒸汽吞吐次数/次 | 外观情况 |
样件1 | 320 | 3 | 16 | 2 | 无变形、无碳化 |
样件2 | 320 | 4 | 24 | 3 | 无变形、无碳化 |
样件3 | 320 | 5 | 32 | 4 | 无变形、无碳化 |
3.2.2 高温耐压性能
在320 ℃高温模拟试验井系统,模拟已下入火驱稠油井的补贴管,在承受一定内压或外压作用下,测试膨胀补贴管管材耐压情况。
试验过程中将未膨胀和已膨胀的膨胀补贴管样件下入试验井内,首先启动加温系统,将管材加热到320 ℃;再启动加压系统,将管材加压到17 MPa,保压30 min,起出样件后观察耐压情况。试验后,起出的样件在320 ℃高温下承受17 MPa压力后,无变形,无破损,这说明管材能满足320 ℃高温环境下的耐压要求。
4 现场应用情况火驱稠油井膨胀管补贴技术于2013年开始在现场进行了试验,共试验了2井次,现场施工成功率为100%,均成功封堵住原漏点。现以曙1-41-37井为例进行分析。
辽河油田曙光采油厂曙1-41-37井属于杜66北区块稠油火驱区块,1998年投产。该井因上部套管漏失,平均检泵周期4个月,于2013年6月机械找堵水,开井28 d后关停,含水质量分数99%,2014年3月采取常规机械找堵水措施后仍无效。
该井漏点位置:722~725 m,设计补贴井段718.0~730.5 m,补贴长度共计12.5 m。补贴后内通径141 mm;顺利完成胀管施工,成功封堵住漏点,验封合格后直接下泵生产,措施后该井成功复产。其补贴后井身结构见图 2。
4.1 曙1-41-37井补贴施工过程
(1) 下补贴管柱。中心内管柱结构:膨胀发射装置+变扣接头+油管。膨胀管柱结构:膨胀发射装置+膨胀管本体。补贴管柱共计12.5 m。
(2) 洗井1周,用清水30 m3正洗井,排量400 L/min,循环洗井2周。
(3) 投球补贴施工,正加压,最高压力达32 MPa且管柱上移2 m后,压力降至23 MPa,膨胀管锚定。管柱继续上移后压力保持在32~30 MPa,管柱上升11.6 m时,压力降为0,膨胀胀头提出膨胀管,补贴完毕。
(4) 下放管柱,下探方入2.0 m后,探到补贴顶界719.07 m,推算底界730.80 m,证明膨胀锚定时管柱整体下移1.8 m,膨胀管补贴管柱整体缩短了0.67 m。
(5) 上提管柱,试压,正加压12 MPa,稳压5 min压力不降,试压合格。
(6) 起出管柱,处理掉尾堵。
4.2 补贴后验证情况(1) 由于膨胀管胀管后不回弹,外径141 mm膨胀胀头顺利起出,证实补贴段通径141 mm,能完全满足后续措施内通径要求。
(2) 试压合格说明膨胀管密封带密封良好,漏点被成功封堵。
4.3 效果评价曙1-41-37井在2013年6月常规机械找堵水措施后,开井28 d后关停,含水质量分数99%,关停9个月;2014年3月采用机械找堵水复产措施后,开井后全水,2 d后不出液,关停;2014年6月采用火驱井膨胀管补贴技术复产,成功封堵住漏点。措施后平均日产液19.4 m3,日产油2.9 t,含水质量分数85%,周期阶段增油115 t,见到良好的措施效果。
5 结论(1) 火驱稠油井膨胀管补贴技术是一项新的套管堵漏、加固工艺技术,该技术能够实现长段和整段密封, 能保持较大的通径, 同时具有加固套管和防止出水段套变恶化加剧等优点。
(2) 采用配套的可打捞式膨胀堵头可将补贴后的膨胀尾堵捞出,避免了研磨施工周期长以及部分尾堵碎屑存在遗留井底风险,具有安全可靠、简便高效等特点。
(3) 该技术与常规膨胀管补贴技术相比,具有更优良的耐高温、耐腐蚀和耐压性能,悬挂更牢固。室内试验及现场应用证实,该技术能很好地满足火驱稠油井补贴的要求,为火驱套损井的修复提供了新的技术支撑。
[1] | 许国民. 杜66块火驱开发动态调控技术研究[J]. 特种油气藏, 2014, 21(1): 81–83. |
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[5] | 许瑞萍. 可膨胀管材料的研究与开发[D]. 天津: 天津大学, 2006: 12-38. |