筛管外水泥环挤压酸洗管柱研制与应用
田启忠     
中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院, 山东东营 257088
摘要: 在筛管完井注水泥过程中,封隔器破损或卡封部位井径扩大,水泥浆会漏入筛管段将油层封固。为了打开油层重新建立油气生产通道,基于自主研制的水泥环挤压装置,形成了水泥环挤压酸洗管柱。水泥环挤压装置两端的封隔总成能够密封挤压装置与筛管之间的环空,然后利用节流传压总成传递的高压破碎筛管外的水泥环,而管柱底部的密封插管可打开人工井底的洗井阀并建立反循环洗井通道,将筛管外的水泥碎渣反洗至地面,恢复近井地带的渗透率。水泥环挤压酸洗管柱在胜利油田5口井进行了现场试验,成功率100%,试挤作业施工后,被封固的筛管段与地层连通性恢复正常。水泥环挤压酸洗管柱的成功研制,为解决筛管顶部注水泥完井后筛管段漏入水泥的问题提供了一种新的处理方法。
关键词: 筛管    注水泥    水泥环    挤压酸洗    胜利油田    
The Development and Application of Cement Sheath Squeezing and Acid Washing String
TIAN Qizhong     
Research Institute of Petroleum Engineering Technology, Sinopec Shengli Oilfield Company, Dongying, Shandong, 257088, China
Abstract: In the process of cementing in screen pipe during or after well completion, cement slurry may leak into the screen pipe section and cause damage to the formation due to packer failure or wellbore enlargement at the packer setting position. In order to reopen the oil zone and rebuild access for oil and gas production, the cement sheath squeezing with an acid washing string were developed on the basis of the independently-developed cement sheath squeezing device. The packer assembly at both ends of the cement sheath squeezing device can seal the annulus between the extrusion device and the screen pipe. Then, the cement sheath outside the screen pipe is crushed due to high pressure from throttling and pressure-transmitting assembly. The seal tube at the bottom of the string can open the washing valve at the bottom of the artificial hole and thus build a back-cycling well washing access. In this way, the crushed cement sheath can be backwashed out to the ground and formation permeability near the wellbore can be recovered. The cement sheath squeezing and acid washing string have been tested in five wells in the Shengli Oilfield, with 100% success. After the execution of squeezing, the communication between the plugged screen pipe section and the formation was regained. The successful development of the string provided a new method to solve the problem of cement leaking into the formation in the screen pipe section after well completion of cementing at the top of the screen pipe.
Key words: screen pipe    cementing    cement sheath    squeezing and acid washing    Shengli Oilfield    

近年来,水平井技术的应用规模不断扩大,已经成为油田高效开发的重要手段。为充分发挥水平井的开发优势,减小原油从地层流向井筒的阻力,水平井完井一般选择油层段裸眼筛管防砂、造斜段以上注水泥固井的筛管顶部注水泥完井工艺[1]。在注水泥过程中,封隔器破损或卡封部位井径扩大,筛管段会漏入水泥浆,将油层封固[2]。为了重新打开油层建立原油生产通道,常用的技术措施是:首先下一趟钻塞管柱,用钻头钻开筛管内的水泥塞[3],下入射孔枪对筛管外的水泥环进行射孔、刮管和洗井作业;然后在筛管内下入尺寸更小的滤砂管,将悬挂器悬挂于原套管之上,进行管内二次防砂[4]。该技术措施能够避免油井报废,恢复正常生产,但同时也存在以下缺点:筛管实施射孔后,筛管强度降低,极易损坏[5];筛管内悬挂小滤砂管后内通径变小,后期作业时入井工具的尺寸受限制,给施工带来不便[6];处理周期长、费用高,管内二次防砂后平均完井成本增加150万元左右[7]

为解决上述问题,笔者研制了水泥环挤压装置,并与洗井封隔器、密封插管等工具配套形成了水泥环挤压酸洗管柱,可以实现一趟管柱完成破碎封固油层的筛管外水泥环和酸液反洗井的目的,在不增加完井成本的前提下缩短投产周期,保证原有的完井内通径,方便了后期作业施工。水泥环挤压酸洗管柱在胜利油田2个区块进行了5井次的现场试验,成功率100%,有效降低了完井成本,缩短了投产周期,获得了良好的经济效益。

1 水泥环挤压装置的研制

为了挤压破碎筛管外的水泥环,通过研制相应的工具,在一小段被封固筛管内形成密闭空间,并把地面泵车施加的高液压传递至形成的密闭空间内,达到水泥石破裂压力后将水泥环挤压破碎,再通过反循环洗井把碎渣带出井筒外,建立油气生产通道。基于以上技术思路,笔者研制了水泥环挤压装置,其基本结构见图 1

图1 水泥环挤压装置的基本结构 Fig.1 Structure of the cement sheath squeezing device

水泥环挤压装置包括封隔总成、节流传压总成和单流反洗总成。封隔总成由胶筒、中心管和传压套组成,中心管上设有进液孔与节流传压总成连通,将胶筒安装在中心管外面,分别与硫化头压套和传压套连接。2个封隔总成的间距可以通过同时加长或缩短传压套和中心管的长度进行调节,以满足挤压破碎筛管外水泥环的跨度要求;胶筒设计为双层橡胶结构,且在2层橡胶之间设有钢丝,并与橡胶硫化在一起。在硫化头压套、胶筒和传压套与中心管之间留有液流间隙作为传压通道,以满足胶筒膨胀的需求。

2套封隔总成中间由节流传压总成连接,下方的封隔总成与节流传压总成共用一根节流传压中心管,并通过该中心管与单流反洗总成连接。

节流传压总成包括启动活塞、中心管、节流弹簧、弹簧支撑套和节流套(见图 2)。在节流套和弹簧支撑套上均设有循环孔,启动活塞通过剪钉与上方的封隔总成的中心管连接;节流弹簧安装在弹簧支撑套外面的外接头与节流套之间,节流套通过剪钉与弹簧支撑套连接;弹簧支撑套和连接套与节流传压中心管之间均留有液流间隙作为传压通道,并与两端的封隔总成的传压通道连通。

图2 节流传压总成的基本结构 Fig.2 Structure of the throttling and pressure-transmitting assembly

单流反洗总成包括上接头、下接头、球座、支座、反洗球和支撑弹簧(见图 3)。其中,下接头下端连接密封插管,在其内圆台阶通过剪钉固定球座;球座内部的支座为中空瓣状结构,初始状态下支撑反洗球,使反洗球离开球座的密封锥面,形成一定间隙。当需要膨胀封隔总成时,随着排量的增大,反洗球开始下压支座并压缩支撑弹簧。此时反洗球与球座的密封锥面接触形成密封,开始正常的挤压施工。反循环洗井时,支座将反洗球推开,可进行正常的反洗井作业。施工结束后,起出管柱时支座支撑反洗球可形成泄流通道,将油管内的液体泄掉,防止带喷起管柱造成环境污染。

图3 单流反洗总成的结构 Fig.3 Structure of the single-flow backwashing assembly
2 水泥环挤压酸洗管柱结构及施工工艺 2.1 管柱结构

水泥环挤压酸洗管柱包括油管、泄油器、洗井封隔器、水泥环挤压装置和密封插管,基本结构如图 4所示。其中,泄油器连接在洗井封隔器的上方并位于井斜角小于45°的位置[8],便于施工结束后投棒砸开泄油器,洗井封隔器上部油套环空中的流体泄入油管中,防止带喷起管柱[9]

图4 水泥环挤压酸洗管柱 Fig.4 Cement sheath squeezing and acid washing string

图 4所示的井筒结构为:裸眼井筒内的套管下部连接筛管,并且在套管与筛管之间连接管外封隔器,管外封隔器膨胀后在其上部的套管外环空注水泥固井,下部筛管外的环空为裸眼完井[10]

水泥环挤压酸洗管柱技术指标为:1)处理水泥环长度大于10 m;2)工作温度不高于150 ℃;3)额定工作压力25 MPa;4)适用套管内径150.0~162.0 mm。

2.2 工艺原理

将水泥环挤压酸洗管柱下至筛管内,使其对应被水泥封固的油层位置,关闭井口套管阀门和防喷器[11],通过油管正向加压时管柱中水泥环挤压装置两端的封隔总成能够密封油管与筛管之间的环空,压力升高后,两端封隔总成之间的液压能够破碎位于筛管外封固油层的水泥环,逐段破碎完成后下探至人工井底;将管柱底部的密封插管插入人工井底的洗井阀,将其打开,即可建立反循环洗井通道[12],通过反循环酸洗充分恢复近井地带的渗透率,并将筛管外被挤压破碎的水泥环碎块等杂物携带至地面[13],实现下一趟管柱完成破碎筛管外水泥环和酸洗液反洗井的目的。

2.3 施工工艺

1) 将管柱中的水泥环挤压装置下至筛管以下10~20 m,关闭井口的套管闸门和防喷器。此时,水泥环挤压装置中的单流反洗总成处于密封状态,节流传压总成的启动活塞关闭,油管内保持密封。

2) 通过油管正向加压,水泥环挤压装置的启动活塞打开,液体经由节流传压总成的传压通道进入两端的封隔总成内,胶筒开始膨胀,由于筛管外已形成凝固水泥环,2个封隔总成之间的油管与筛管之间的环空形成密闭空间。

3) 随着压力升高,节流传压总成中的节流套在压差作用下上顶推动节流弹簧上行,打开循环孔,油管内的压力传递至油管与筛管之间的环形密封空间,继续升高压力,直至封固油层的水泥环被挤压破碎[14]

4) 观察地层吸水情况,若地层吸水良好,说明水泥环已被成功挤碎,筛管与油层已经连通,泄压打开井口的防喷器,将管柱下放20 m,继续挤压破碎下段筛管外的水泥环。

5) 重复上述施工步骤,将封固油层的水泥环逐段挤压破碎[15],直至下探至井底,此时洗井封隔器已进入筛管段。

6) 将管柱下端的密封插管插入洗井阀将其打开,使筛管外环空和油管内建立反循环洗井通道[16],用酸液反循环洗井。此时单流反洗总成反向打开,使管柱上下连通,酸液由油套环空自上而下到达洗井封隔器后,由于洗井封隔器密封了下部的油管和筛管之间的环空,酸洗液将绕过洗井封隔器进入筛管外环空,同时酸洗液携带挤碎的水泥块向井底运移,并通过洗井阀进入油管中,经上部油管返出井筒外。

7) 洗井时需根据施工压力变化情况调节排量。观察出口返液情况,若循环压力小于6 MPa,出口返液无杂物,则说明筛管外的水泥环已经挤碎,近井地层渗透率得到恢复并建立了油气生产通道。酸洗结束后投棒砸开泄油器,起出挤压酸洗管柱,进行投产作业。

3 现场试验

胜利油田的草13断块、东12区块地层条件复杂,钻井过程中常出现井径不规则现象,后期完井时如果封隔器卡封位置不当,极易出现筛管段漏水泥现象。水泥环挤压酸洗管柱在这2个区块5口井进行了现场试验(试验结果见表 1),施工成功率100%,共节约作业成本500余万元,每口井平均提前5 d进行投产。

表1 水泥环挤压酸洗管柱现场试验结果 Table 1 Field test results of the cement sheath squeezing and acid washing string
井号 井深/m 水泥封固长度/m 作业周期/h 初期产油量/(t·d-1)
东12平13 1 814.84 146 3.0 11.2
草13平44 1 431.74 92 2.0 9.5
草13平77 1 402.34 123 2.5 8.1
草13平31 1 524.38 68 1.5 7.9
草13平61 1 588.56 134 2.5 8.8

截至目前,5口井累计增油量超过12 000 t,应用效果显著。下面以草13平61井为例介绍现场施工情况。

草13断块油气藏为岩性构造普通稠油油藏。为扩大储层动用程度,草13平61井采用筛管顶部注水泥完井方式,完井管柱结构如图 5所示。在完井作业时,由于管外封隔器胀封不充分,钻塞施工时在筛管段钻遇水泥塞,判定油层已被水泥固死。钻除筛管内部的水泥塞后,决定采用挤压酸洗管柱来处理封固油层的筛管外水泥环,重新打开油流通道,恢复油井生产。

图5 草13平61井完井管柱结构 Fig.5 Completion string in Well Cao13-Ping61

该井现场施工情况如表 2所示。由表 2可以看出,经过试挤施工作业,停泵后压力降低明显,由此可以判断,被水泥封固的筛管段与地层恢复正常连通,然后进行酸化、洗井作业,清洗近井地带的滤饼及其他污染物,直至出口返出水清澈无杂物,完成筛管外水泥环破碎作业后转正常投产。

表2 草13平61井挤压酸洗施工情况 Table 2 Squeezing and acid washing performance of Well Cao13-Ping61
序号 封隔器深度/m 施工类型 稳压时间/min 最大压力/ MPa 挤入排量/ (L·min-1) 停泵压降/MPa
1 1 423.00 试挤 3 12 400 0
2 1 442.00 试挤 3 8 400 2
3 1 461.00 试挤 3 8 400 2
4 1 480.00 试挤 3 8 400 4
5 1 499.00 试挤 3 15 400 6
6 1 518.00 试挤 3 12 400 6
7 1 548.00 循环 20 5 450

生产数据统计结果表明,应用水泥环挤压酸洗管柱处理被封固的油层后,草13平61井初期产油量为8~9 t/d,生产后期含水上升缓慢,稳产期较长,生产效果良好。

4 结论

1) 水泥环挤压酸洗管柱结构简单,组装方便,能够在不射孔的情况下挤碎封固油层的筛管外水泥环、重新建立油气生产通道,而且打开油气生产通道后能够直接进行酸洗施工,快速恢复近井地层的渗透率。

2) 挤压破碎水泥环和酸洗作业采用一趟管柱完成,减少了施工工序,省去了射孔、刮管及悬挂筛管等作业工序,单井的生产成本大幅缩减,经济效益显著。

3) 由于筛管大部分处于水平段,受重力差异影响,部分筛管外上部的水泥环胶结质量差,施工时水泥环挤压酸洗管柱与筛管之间形成不了密闭空间,无法挤压破碎水泥环,需要进一步攻关研究加以解决。

4) 今后应重点研究化学法处理筛管外水泥环,通过配制对筛管本体没有腐蚀作用的复合酸液溶蚀、分解水泥环,以更有效地解决这一难题。

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文章信息

田启忠
TIAN Qizhong
筛管外水泥环挤压酸洗管柱研制与应用
The Development and Application of Cement Sheath Squeezing and Acid Washing String
石油钻探技术, 2016, 44(3): 67-71
Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(3): 67-71.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201603012

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收稿日期: 2015-8-23
改回日期: 2016-4-20

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