气井分层开采工艺管柱的改进及应用效果分析(王法高).doc

气井分层开采工艺管柱的改进及应用王法高 康文芳 李凤 王伟玲（采气分公司地质工艺研究所）摘要：本文在分析分层开采工艺管柱井下构成及汪7-17井试验的基础上，对工艺管柱各个组件改进后的工艺原理做了详细的介绍，并对如何实现各种功能进行了探讨；同时，总结了现场试验效果，提出了对该工艺的认识及建议。主题词：气井 分层 管柱 改进采气工艺管柱直接影响着天然气井的生产寿命、安全生产和稳定开采。目前，分公司开发井完井时大部分采用的是光油管工艺管柱，存在再次作业对储层伤害等问题；而且，有的气井水层下部是气层，上部的水层抑制了下部气层的生产。从保护储层、简化施工、分层开采等角度考虑，研究了多功能分层开采工艺管柱。1 原工艺管柱结构及存在的问题气2 7/8外加厚油管丢手工具封隔器井下开关封隔器井下开关丝堵上采气层下采气层1.1 原工艺管柱构成为了满足深层气井高温、高压的生产条件，而且要实现分层采气等功能，设计丢手完井管柱(见图1)，由丢手工具、封隔器、井下开关、丝堵等井下工具组成。1.2 原组件结构原理1.2.1 井下开关井下开关主要由上接头、弹簧、中心管、滑钉等组成（见图2），开关的辅助机构由绳帽、凸轮、销钉等组成（见图3）。图1 丢手完井管柱1上接头2弹簧3外套4滑钉5中心管6下接头图2 井下开关结构示意图1 2 3 4 5 61绳帽2销钉 3凸轮4加重图3 井下开关辅助机构示意图1 2 3 4中心管上有长短两个滑道，滑钉可沿滑道上下运动和转动。开关关闭时滑钉在较短的滑道上，开启时在较长的滑道上。下井时开关处于关闭状态，管柱下井完毕，再下入辅助工具，上提辅助工具，凸轮卡住中心管，使之上行，将开关打开。再上提辅助工具，将销钉剪断，凸轮回缩，起出辅助工具。同理，可将开关再关闭。1.2.2 封隔器及丢手接头封隔器由活塞、压环、胶筒、卡瓦、锁簧等组成，丢手接头主要由备帽、防转套、连接套及配套的上接头、中心管组成。封隔器采用Y441结构，压缩式胶筒密封，双向卡瓦，液压坐封，上提管柱解封。在封隔器坐封之后，在需要丢手时，可正旋管柱，将上、下反扣的下接头和中心管脱开，实现丢手。丢手接头及配套封隔器结构示意如图4。1上接头 2中心管 3上压环 4胶筒轴 5胶筒 6下压环 7上锥体 8卡瓦罩 9卡瓦 10弹簧 11下锥体 12螺帽 13上活塞 14坐封销钉 15缸筒 16下活塞 17锁簧座 18剪切销钉 19锁簧 20解封销钉 21下接头图4 丢手接头及配套封隔器结构示意图1 22 23 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 211.3 存在问题对井下开关及配套工具进行了开关的耐温耐压、封隔器耐温耐压、开关常压下换向、开关带压换向、开关打捞工具剪断力五项室内实验各项指标满足了设计要求。2009年9月下旬，为验证配套工具及组成的多功能管柱的可行性，随汪7-17井补孔作业进行了现场试验。封隔器释放压力正常（35MPa），从套管打压，验证封隔器座封情况，压力10MPa，稳压10min，压力不降，表明封隔器座封正常。但在试验过程中也发现了工具存在一些问题，具体表现为主要为开关辅助工具剪断力大、丢手困难这两点。1.3.1 开关辅助工具的剪断力大室内实验在常温、常压下对开关辅助工具销钉做了三次剪断力实验，剪断力均为340Kg（3.4KN）。为采取钢丝测试作业就能剪断销钉，设计值3-3.5KN。采用3.8销钉，钢丝测试时出现钢丝在绳帽头处脱落的问题。现场施工前用电缆测试车地面测试辅助工具销钉的剪断力，共实验了8组，结果见表1。表1 地面测试辅助工具销钉剪断力情况统计表批次销钉个数销钉剪断力（KN）第一组（3.0）21.6第二组（3.0）21.4第三组（3.8）25.3第四组（3.8）25.7第五组（4.2）15.0第六组（4.4）16.2第七组（4.4）16.0第八组（4.5）18.0现场试验时选用第五组销钉，开关辅助工具销钉的剪断力超出设计值很多，见表2：表2 现场试验时开关辅助工具销钉的剪断力表项目电缆规格电缆重（KN）仪器显示值（KN）剪断力（KN）关闭上级开关5.62.2118.8打开下级开关12.79.221.111.9从上两张表中可以看出，销钉剪断力远远大于设计值，需要重新设计。1.3.2 正转丢手方式存在丢手困难及操作不易掌握的问题丢手螺纹采用左旋M76X3普通螺纹，需要正旋管柱来丢手，与油管丝扣上扣方向一致。丢手时，油管丝扣也随之旋转上扣，使油管长度缩短，传到井下增大了管柱的上提力，易造成封隔器的解封。所以传动效果不好，传动力不易控制。现场操作时就因为操作不易掌握，正旋管柱时将封隔器解封，导致丢手失败。2 改进方案针对现场试验时出现的问题，逐项完善了工具的结构。2.1 开关辅助工具的剪断力大2.1.1 影响剪断力的因素经分析，影响剪断力的因素有以下几个：一是开关的换向力。辅助工具要实现开关的换向，工具提供的力就要大于换向力，所以换向力是剪断力设计的基础。二是辅助工具中销钉的尺寸。销钉选择大了，力随之增大；选择小了，销钉易在开关换向前被剪断，而且太小对下井时力的平稳性要求加强，不利操作。三是辅助工具在井下与开关中心管中心的偏差。由于是单凸轮，偏离中心线时传到销钉上的力就会减小，相应的就是加大了销钉的剪断力。2.1.2 降低剪断力的改进措施针对上述因素，采取了相应的改进措施，有以下四项： 减小开关的换向力为了降低开关的换向力，采取了两项措施，一是将弹簧圈数减少1-2圈，二是控制加工时工件间的公差间隙。两项措施下来，开关的换向力由原来的150Kg降至110Kg。 减小辅助工具的销钉尺寸由于开关的换向载荷减少，所以相对应的销钉尺寸就可减小，本次选取3.1mm的销钉，将力控制在6KN以内。而且改进了辅助工具的结构，由凸轮、销子等到组成，见图5。1加重杆2定位销3控制阀主体4弹簧5凸轮总成6定位器主体7上凸轮总成8滑动销9弹簧10下凸轮总成11导向体12销钉图5 改进后开关辅助工具示意图1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12原开关控制阀只有一组凸轮，上提时启动开关换向。现开关控制阀有两组凸轮，一组是上提时启动开关换向，由于开关换向载荷减小，销钉剪切力减小；另一组是下放振击，开关换向后，快速下放控制阀，帮助开关换向后复位。 加重杆放在上部将加重杆放在上端，加长，增加扶正效果，使销钉剪切载荷减小，见图5。 开关下端至少连接一根油管在开关下端至少连接一根油管，最下面接死堵，在辅助工具的销钉没有正常剪断时，可下放到死堵处，采用振击器帮助辅助工具的销钉剪切。2. 2 正转丢手方式存在丢手困难及操作不易掌握的问题原管柱选用旋转丢手。丢手螺纹采用左旋M76X3普通螺纹，传动效果不好。现管柱采用液压丢手和旋转丢手两种方式，液压丢手为主，旋转丢手为辅。上端增加一液压丢手接头，在封隔器坐封中途启动，完成丢手，但不泄压，封隔器坐封完成后，需起管时，上提管柱将丢手部分起出，由于丢手在封隔器坐封中启动，起管时无附加负荷。旋转丢手采用左旋Tr80X4梯形螺纹，传动效果好。改进后丢手接头由上接头、连接套、活塞等组成，见图6。工作原理：上图为下井状态，油管内加压，活塞剪断销钉后，下行，连接套下端失去支撑，打开与短接的连接，在封隔器坐封过程中，中心管与短接保持密封，封隔器坐封完成后，上提管柱，将上接头、连接套、活塞、中心管提出，留下短接（4）与下接头，如下图所示。1上接头2连接套3活塞4短接5中心管6下接头7销钉图6 改进后丢手接头示意图1 2 3 4 5 64 63 管柱功能工具改进后，能更顺利地实现原管柱的功能：3.1 分层开采及试气下入封隔器及开关配套形成分层管柱，用工具可随意打开或关闭其中任何一层，即可实现单层和分层开采，同时也可以满足单层试气需要，可避免多层试气下入多极桥塞，试气后还需将桥塞钻掉，即节省了费用又可保护气层。3.2 不压井作业随作业下入多功能管柱，再次作业不用压井。下入工具，将开关关闭，实现不压井作业。为增加现场施工的安全系数，施工中可以先关闭开关，然后向井筒内注入一定量的压井液。因开关已经关闭，压井液无法进入气层，起到对气层的保护，可平衡开关油套压差，另外压井液的注入给施工创造了更加安全可靠的环境，消除了危险。施工完井后，采用气举可将压井液返排出井筒，然后利用工具将开关打开。3.3 提捞排水对于有井底积液的气井，可随作业下入开关，排液可采取提捞方式。先关闭开关，然后用提捞车进行井筒内积液的提捞。开关保证了提捞过程中的安全性。提捞后，可用工具打开滑套开关，然后实现正常生产。4 现场试验及效果2010年7月初，在汪11-10井再次进行了现场试验。4.1 汪11-10井简况该井于2001年12月22日投产, 原始地层压力18.7MPa，目前地层压力7.48MPa。初期用3mm油嘴生产，油压3.84MPa，套压6.48MPa，日产气0.9683104m3，日产水0.865m3；施工前关井，油压1.97MPa，套压7.35MPa。本次作业起出原井管柱后，先下电缆桥塞，将1944.2m以下有出水层的层位封堵；然后补孔作业，在原射孔层位上部补四层。4.2 下分层工艺管柱7月2日下入分层工艺管柱，管柱如图7所示。下井前将上级开关设为关闭状态，为了有压井液的循环通道，下级开关设为打开状态。 图7 汪11-10井分层管柱图丢手接头 50 1800.08人工井底 2238.33管 柱 图 名称 规范 mm 深度m开关 46 1804.98封隔器 Y441-114 1802.27封隔器 Y441-114 1922.16丝 堵 62 1934.59开关 46 1924.871944.22099.81812.021916.421933.221937.62电缆桥塞 1942m 上部倒灰5m4.3 关闭下级开关为了不堵塞辅助工具和不防碍封隔器座封，用清水洗井，洗出井内脏物。在井口试验3.1mm销钉，剪断力6KN。下入辅助工具串（绳帽+加重杆+辅助工具），下入开关深度下部10m后上提，拉断销钉，拉断力为仪表显示14.0KN，减去电缆自重，实际拉断力约为6.9 KN。4.4 封隔器座封及验封座封封隔器，最高压力35MPa。从环空打压验封，压力10MPa，验封合格。4.5 打开上、下两级开关下入辅助工具串，下到上级开关深度下部10m后上提，拉断销钉，拉断力为仪表显示13.6KN，减去电缆自重，实际拉断力约为6.6 KN，提出工具串。泵车油管打压，一档，30秒，压力上升至5MPa，油套环空不出液，证明上级开关打开。下入辅助工具串，下到下级开关深度下部10m后上提，拉断销钉，拉断力为仪表显示15.4KN，减去电缆自重，实际拉断力约为7.3KN，提出工具串。泵车油管打压，一档，30秒，压力达2MPa，油套环空不出液，证明下级开关也打开。4.6 丢手改进后丢手方式以液压丢手为主，旋转丢手为辅。4.6.1 液压丢手丢手上部油管长度约1800m，经计算油管悬重为17吨左右。封隔器为分级解封，上提解封力810吨。现场上提力达23吨时仍未丢手。液压丢手方式未成功。分析原因：在井内打压时，丢手接头的连接套与短接处于受拉状态，连接套的螺纹连接处铣开6个槽，在受拉状态时增加了与活塞的磨擦阻力，加上销钉的剪切力大于活塞产生的载荷，没有按预定设计丢手。4.6.2 正转丢手采用正转方式丢手，油管正转20圈左右也未丢开，该方式仍未成功。分析原因有两点：一是由于井筒并不是理想的垂直管柱，而有角度，旋转管柱时可能作用在了管柱与井壁的接触处，未传到井下丢手位置；二是未有上提力下旋转管柱，油管的重量都作用在丢手部位，旋转时等于在丢手造扣，反而实现不了丢手。4.6.3 投球丢手丢手接头中心管通径为50mm，上部为圆锥面，从井口投入55的钢球，20min后打压，压力起到15MPa后套管出液，上提管柱悬重为17吨，丢手成功。投球打压丢手成功是因为活塞的受压面积增加，产生的剪切力增大，所以丢手成功。起出丢手上部管柱，取出投入的钢球，检查丢手部分工具，进一步验证了丢手成功。4.7 汪11-10井施工完井后效果2010年7月18日，完井后返排，井口油压和套压都有大幅度提高，分别由施工前的1.97MPa和7.35MPa上升至目前12.8MPa和13.0MPa，使该井具备了开井复产条件。可见该井补孔措施效果明显，分层工艺管柱通道流畅。5 结论（1）多功能分层开采管柱工艺结构的设计可以满足控制各气层的生产和关闭的要求； （2）封隔器可承压50MPa，耐温达到了150，满足了深层气井对工具的耐高压和耐高温的要求；（3）从现场开关的几次开与关的试验，结果表明井下开关换向可靠；（4）辅助工具的销钉控制着开关的换向和取出辅助工具两项功能，因此销钉剪断力的选择尤为重要。改进后虽然力由11.9kN减小到6.6kN ，但仍需要进一步减小以适应钢丝方式作业；（5