淺析高壓裸眼油氣井鉆采一體化裝置范文

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摘要：針對高壓裸眼油氣井完井轉試油時存在的井控風險，設計并制造了鉆采一體化井口大四通裝置。該裝置采取多尺寸套管密封形式和加長防磨套設計，法蘭尺寸同時符合鉆井防噴器和試油防噴器、采油樹安裝要求，結構及性能滿足鉆井和試油、采油工藝。在鉆揭高壓目的層之前提前安裝鉆采一體化四通，目的層鉆進作業依托一體化四通順利完成，完鉆后直接下入測試－完井一體化管柱進行放噴測試。140MPa鉆采一體化井口大四通在塔里木油田FY104、GL1、ZG70井的成功應用表明，該裝置能縮短鉆完井周期8d，降低作業成本，操作方便，可靠性高，適用于高壓油氣井的試油完井作業。

關鍵詞：高壓油氣井;完井;試油;鉆采一體化四通;井口裝置;井控風險;作業周期

在鉆采一體化井口大四通應用前，防噴器安裝在鉆井四通上部構成鉆井井口裝置，完井時需要將鉆井四通更換為采油四通，并將采油樹安裝在采油四通上部，構成采油氣井口裝置。這樣才能滿足鉆完井和生產的需求。塔里木盆地奧陶系鷹山組碳酸鹽巖儲層埋藏深度普遍在6500～7800m，壓力系數1.45～2.07，硫化氫濃度10～10000ppm，屬于超深、異常高壓、高含硫化氫，并且是“窄壓力窗口”儲層。因此，易噴易漏，井控風險極大。對于這樣的超深、高壓、高含硫井，鉆井井口裝置和采油井口是井控重要的設備，一些文獻有過相關報道。竇益華等［1］針對高壓油氣井試油完井工藝及其井口控制配套裝置，提出需從系統上考慮試油完井的井口設備。朱進府等［2－3］分析了高壓油氣井測試和完井生產中井噴發生的原因和后果，提出井口控制配套裝置的概念、研究井口控制的方法和研制新的裝置。孫海芳等［4］提出高溫高壓碳酸鹽巖深井往往具有測試產量不確定、易出現又漏又噴復雜情況、后續壓井易造成二次污染等問題。石希天等［5］提出了塔里木奧陶系碳酸鹽巖敏感性儲層的鉆井難點;針對以上問題，胥志雄等［6］、程偉等［7］、張川等［8］、張浩等［9］、趙忠輝等［10］針對碳酸鹽巖易噴易漏常壓井提出了鉆完井一體式油套管頭的新型井口裝備理念，這種一體化四通可同時滿足鉆井、試油兩用，有效解決了碳酸鹽巖易噴易漏井頻繁換裝井口帶來的風險，但是隨著井控裝備壓力級別的提升及鉆完井一體化的應用，該裝備在實際使用過程中經常出現油套管頭損壞及芯軸式懸掛器坐掛后無法試壓的情況。陳浩等［11］、楊勝海等［12］詳細論述了采油氣井口裝備失效分析，文中建議在井口裝置設計選材時，應提高閥桿等易損件的抗腐蝕能力，選擇抗腐蝕軸承以提高閘板、閥座的耐磨性，這為高壓油氣井井口裝置的選材提供了思路。鐘功祥等［13］研究了采油樹上平板閥門的密封性和開關力矩的影響因素。鄭沖濤［14］詳細介紹了采油氣井口發展現狀及油田目前常用的高壓深井抗硫套管頭設計，提出了在結構、密封和配套方面的改進建議，為高壓采油氣井口裝備的研制提供了思路。王鵬［15］、于成水等［16］、文志雄等［17］、劉廣君［18］針對套管頭的損壞原因，采用三維靜態有限元軟件建立套管頭整體有限元模型，在不同工況條件下對套管頭進行應力計算，得到套管頭整體及各部件的應力分布狀態，對芯軸式懸掛器失效原因進行分析并提出了結構上的改進，這種三維靜態有限元應力分析方法為高壓采油氣井口的整體模型應力分析提供了思路。強彥龍等［19］、陳惠琴等［20］論述了國內外采油(氣)井口裝置現狀及發展趨勢并調研了國外井口密封技術現狀。文中從高壓油氣井可能出現環空異常帶壓的問題出發，提出了目前國外高壓油氣井使用可靠性和穩定性更優的金屬密封為主，橡膠密封為輔的密封形式，這為國產140MPa高壓油氣井井口使用金屬密封提供了全新的思路。鑒于塔里木盆地奧陶系鷹山組碳酸鹽巖超深井關井井口壓力高達106MPa，儲層改造時井口最高施工壓力高達118MPa，該區塊易噴易漏，單井產量高，完井后需要長期投產，井控風險較高，井筒完整性要求十分嚴格［21］。因此，對于這一類型的井，必須采用密封形式以金屬密封為主的140MPa鉆采一體化高壓井口裝備進行試油完井。近年來，針對高壓油氣井，從采油氣井口結構優化入手，依靠三維靜態有限元軟件建立采油樹整體模型應力分析，成功研制了140MPaEE-NL型鉆采一體化井口大四通和與之相配套的采油樹。在鉆揭高壓目的層前先安裝好鉆采一體化四通，進行鉆進打開油氣層，接下來的試油完井作業不需再更換四通，避免了易噴易漏高壓井換裝井口作業的風險，減少了安裝、試壓時間。通過在FY104、GL1和ZG70井應用，使用這種鉆采一體化井口大四通可縮短鉆完井周期8d以上，與同類進口采油氣井口相比，大大節約了成本。

1鉆采一體化井口大四通技術

從結構組成、主要技術參數、強度分析、配套技術和技術優勢等方面介紹鉆采一體化井口大四通裝置的技術特征。

1.1結構鉆采一體化井口大四通主要由上下法蘭、鋼圈槽、兩翼閥門、加長防磨套、壓力表等部分組成，其結構如圖1所示。該裝置的作用是將傳統鉆井及采油四通的結構優化為鉆采一體化四通，進而實現鉆井、完井兩用。

1.2主要技術參數鉆采一體化井口四通有三種規格，其壓力等級為70MPa、105MPa、140MPa，但其結構相同。以塔里木常用的KQ78/78－140EE-NL型鉆采一體化井口四通為例，其技術參數為:垂直最小通徑174mm，采油樹主、側通徑78mm;油管帽與1#主閥之間的采用整體式連接，采油樹額定工作壓力140MPa，溫度等級L～U(－46～121℃)，材料代號和級別分別為75K和EE-NL，規范級別PSL3G，性能級別PR1。

1.3應力分析1.3.1四通應力分析采用有限元軟件分析四通本體的結構。側通以上按210MPa內壓分析，側通及以下按158MPa內壓分析，如圖2所示。按75K材料屈服強度為517MPa，內表面Mises最大應力約為417MPa，紅色區域Mises應力約為725MPa，主要集中在頂絲孔與本體通孔、側通與本體通孔相貫線處，以及徑向尺寸變化，屬于邊緣應力集中區域，不影響四通整體的結構強度。1.3.2采油樹應力分析采用有限元軟件分析采油樹本體的結構。本體額定工作壓力140MPa，強壓按210MPa內壓分析，設定最大Mises應力為655MPa，如圖3所示。圖3采油樹本體應力分布Fig．3Stressdistributionofthetreebody按75K材料屈服強度為517MPa，內表面Mises最大應力約為440MPa，紅色區域Mises應力約為1423MPa，主要位于側通與主通孔的相貫線處，以及徑向尺寸變化處邊緣，屬于邊緣應力集中區域，不影響采油樹整體的結構強度。

1.4多尺寸套管密封形式鉆采一體化井口大四通可用于密封177.800mm、196.850mm、200.025mm、206.375mm油層套管，密封形式為FS橡膠密封+金屬密封，激發密封后，一體化四通下法蘭可以試壓至105MPa，可以滿足超高壓油氣井的壓力級別要求(圖4)。圖4密封多尺寸套管結構Fig．4Sealingmulti-sizecasingstructure

1.5加長防磨套設計鉆采一體化井口大四通防磨套為特殊加長型設計結構(圖5)，材料為35CrMo，防磨套安裝到位后下部和回接的套管緊貼，可以有效保護四通密封面，避免鉆井及起下鉆過程對四通密封面的損傷。

1.6技術優勢(1)降低了井控風險。鉆采一體化井口四通在鉆揭目的層之前一次性安裝后，試油及后續作業不需要再次更換四通，避免了多次換裝井口帶來的井控風險。(2)節省了換井口的時間和費用。鉆采一體化四通比常規完井采油四通節約了一次井口、防噴器和節流壓井管匯重新連接、試壓的時間，促進了鉆完井提速。(3)采油樹2#主閥及右翼2#生產閥門為液動安全閥，配套專用液控柜，可以實現開關井遠程操作，大大降低了超高壓井口刺漏可能造成的人員傷害。

2換裝井口大四通要求

換裝井口大四通技術要求為:該類型油氣井通常為五開井的井身結構，三級套管頭上法蘭型號為28－105，對應的鉆井四通和防噴器型號均為28－105。鉆采一體化四通型號為28－105(下法蘭)×28－140(上法蘭)。以往，目的層鉆井時依托鉆井四通完成，完鉆后要先打水泥塞封隔高壓裸眼目的層，回接油層套管后換裝完井采油四通，依托完井采油四通進行鉆磨水泥塞作業，最后進行試油完井作業。使用鉆采一體化四通后，在鉆揭目的層前，先回接油層套管并換裝一體化四通，一體化四通和防噴器組之間只需使用28－140(下法蘭)×28－105(上法蘭)的轉換法蘭進行轉換，實現了目的層依托一體化四通進行鉆進，轉試油時不需更換完井四通就可以完成試油完井作業。

3現場應用

140MPa鉆采一體化井口大四通在FY104、GL1、ZG70井先后安裝并成功使用。在鉆揭高壓目的層之前提前安裝鉆采一體化四通，目的層鉆進作業依托一體化四通順利完成，完鉆后直接下入測試－完井一體化管柱進行放噴測試。其中FY104井完鉆井深7809m，關井油壓高達91.6MPa，硫化氫濃度6～9ppm;GL1井完鉆井深7750m，關井油壓高達91.5MPa;ZG70井完鉆井深7413m，試油期間開井放噴油壓高達96.3MPa。三口井試油完井期間，采油樹經受住了高溫、高壓、含硫化氫的惡劣工況，未發生故障及泄漏。現場應用結果表明，該類型井口大四通有效促進了鉆完井提速，單井縮短鉆完井周期8d，大大降低了井口成本。該類型采油樹使用統計情況見表1。以ZG70井為例，施工過程簡述如下:ZG70井位于塔里木盆地塔中隆起塔中北斜坡ZG70井區，目的層是下奧陶統鷹山組鷹三四段—蓬萊壩組。根據五開鉆進溢流關井套壓和壓井后液面情況，折算地層壓力系數2.03～2.07，按純氣預測井口關井壓力超過120MPa，預計井底溫度178℃。測試工藝采取下7.625mmChampXHP封隔器五閥一封測試管柱，管柱組合如圖6所示。測試有效開井時間22.13h，累計排液80.85m3，累計產氣42230m3。先后用5mm、4mm開井求產，油嘴刺壞嚴重，求產困難;4mm油嘴最高油壓升至97.827MPa，關井前油壓96.355MPa。地層壓力135.973MPa，壓力系數1.88，地層溫度165.4℃，地溫梯度2.25℃/100m。定產數據(圖7和圖8):4mm油嘴放噴求產，油壓96.203MPa，日產氣178805m3。預計無阻流量51.3×104m3/d。ZG70井在鉆揭高壓目的層前將一體化四通安裝到位，五開鉆進作業依托一體化四通完成。鉆井轉試油后，直接下測試管柱，避免了碳酸鹽巖易噴易漏高壓井換裝井口的井控風險。測試期間，采油樹經受住了超高溫、超高壓、純天然氣井的惡劣工況，裝備未發生故障及泄漏，性能穩定，有效起到了第一井屏障的作用，為本井測試作業提供了安全保障。

4結論

(1)鉆采一體化井口大四通采取了多尺寸套管密封形式和加長防磨套設計，其法蘭尺寸同時符合鉆井防噴器和試油防噴器、采油樹安裝要求，其結構及性能滿足鉆井和試油、采油工藝。(2)針對碳酸鹽巖易噴易漏高壓井，在鉆揭目的層之前提前換裝好鉆采一體化四通，避免了完鉆后換裝井口的井控風險。(3)現場應用表明，采用國產140MPa鉆采一體化采油樹能縮短鉆完井周期8d，井口使用成本大大降低，操作方便，可靠性高，適用于高壓油氣井的試油完井作業。致謝:感謝重慶新泰機械有限責任公司對該類型采油樹在加工過程中遇到的技術瓶頸給予的技術支持。

參考文獻

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作者：徐鵬海 張莎 楊雙寶 申彪 魏保衛 單位：中國石油塔里木油田分公司勘探事業部