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【本周专题:完井】膨胀工具解决大量井下难题(上)

【本周专题:完井】膨胀工具解决大量井下难题(上)

膨胀工具的技术进步,已使其成为了作业公司在整个油气井生命周期中值得依靠的一项技术。

来自 | TAM International
编译 | 白小明

膨胀封隔器的主要用途之一是在建井时的固井阶段。膨胀元件紧贴在套管上,作为多级固井或井底固井作业的底部支撑,当然这只是膨胀工具最常见的用途之一。在油气井生产阶段要进行修井作业时,如果使用机械桥塞或封隔器存在井下限制,通常需要使用膨胀工具。例如,可膨胀工具可以采用电缆从生产油管内下入做封堵之用,或者可以与连续油管连用进行过油管挤注作业。通常,过油管作业比较理想;否则,作业公司必须进行压井以实施油井干预作业。另外,在裸眼完井需要进行油井测试或堵水时,可膨胀工具也非常适用。对于海上油井,膨胀工具也是P&A作业经常需要进行的切割锻铣工作的理想工具。

什么是可膨胀工具?

所有可膨胀工具的关键部件便是膨胀元件。膨胀元件的基本组件是内囊、支撑结构和橡胶盖。内囊膨胀,其内含膨胀流体。内囊外部是加固或支撑结构,可以采用绳缆或不锈钢条,或两者组合,如图1。

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图1.裸眼应用采用绳缆编织加固(左),套管井应用采用不锈钢条设计加固(右)

支撑结构外侧是橡胶盖,可以形成液压密封。两种加固设计(绳缆编织加固或不锈钢条加固)的选择取决于实际应用。采用绳缆编织加强材料的膨胀元件具有多次坐封功能和对不规则井眼的适应性,在裸眼井应用中具备更明显的优势。

对于套管井应用,优选不锈钢条加强材料,因为加强材料的一部分可用于锚定。一旦施加内部膨胀压力,伸出的板条与套管的接触区产生的摩擦力将元件锚定。

膨胀元件的膨胀比率由膨胀元件类型和井眼条件决定。绳缆编织元件的膨胀比为2:1,即一个4-1/4in外径的元件可以膨胀到8-1/2in;不锈钢条元件可实现3:1的膨胀比,即一个2-1/8in外径的元件可以膨胀到6-3/8in。膨胀元件的压差级别取决于两个主要因素:膨胀比和坐封深度处的温度。随着膨胀比和温度的升高,压差级别下降,如图2。

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图2.外径3-3/4in的膨胀元件的性能图

不同尺寸的膨胀元件的选择取决于工具的类型,对于服务工具,膨胀元件尺寸范围从1.69-in到15-in。对于套管环空封隔器(加工在套管外壁的封隔器),尺寸范围从2-3/8in到30-in。实际的应用井况将决定工具类型,进而确定膨胀元件类型。

基本的服务工具组成包括一个配有膨胀机构的控制短节、一个封隔器心轴、膨胀元件,以及在需要回收时,还包括一个解封的丢手机构。根据部署方法和应用,膨胀机制可以设计成不同的选择。例如,部署方式可以为电缆、钻杆或连续油管,坐封可以是单次或多次,井眼几何形状可以是直井或斜井(包括水平井)。

对于大多数单次坐封桥塞应用,采用一个坐封球坐落在控制短节内的球座上然后进行打压膨胀。一旦球就位后,流体便流向膨胀元件。当达到设计的膨胀压力时,膨胀机构将锁定膨胀压力。根据部署方法,可以使用液压或机械丢手机构将坐封的桥塞丢手。

对于需要通过工具进行泵送的应用,采用封隔器配置。基本组件与桥塞相同,但膨胀机构可以有更多选择。在封隔器只需坐封一次的情况下可以投球,例如挤水泥作业;对于多次坐封的操作,可以使用自动活塞装置,而不需要投球。操作人员只需对油管打压,从而将封隔器膨胀。一旦膨胀元件坐封,释放施加在设备上的重量即可锁定压力,并允许流体通过工具。当用酸或溶剂处理时,这种配置很常见,在封隔器上部需要下入一个流量控制装置。

通过增加一个下部封隔器可以形成一个跨式连接,如图3。两个封隔器可以一起下入,由具有带孔短节的油管分开,选择性地针对不同地层泵入流体或进行地层测试。根据需要,两个封隔器的间距最小为10ft,最大可达数百英尺。如果需要隔离尾管进行堵水,跨式连接的封隔器也可以采用单次坐封配置。

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图3.跨式工具设计允许选择性隔离泵送或流量测试

膨胀服务工具可由钻杆、油管、连续油管或电缆/钢丝部署。工具配置的选择基于传输方式。对于采用电缆或钢丝作业的情况,可采用电池操作的膨胀工具来膨胀和坐封桥塞或封隔器。与使用钻机或连续油管设备相比,该方法由于其低成本而更具吸引力。对于单井海上平台,由于甲板空间有限,采用钢丝作业可能是唯一选择。

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